高速磁浮動力軌供電系統框架保護動作研究

何志 李建泉

摘? 要：高速磁浮動力軌供電系統采用直流供電制式，為保障供電運維人員安全，直流開關柜內設置框架保護。某高速磁浮調試線在磁浮列車受流過程中，發生框架電壓保護動作，中斷了動力軌供電，嚴重影響列車輔助供電的穩定性。通過對地面動力軌供電系統以及車載電氣系統進行詳細分析并采用matlab搭建電路模型進行仿真驗證，找出框架電壓保護動作的原因，并提出整改方案，保障供電設備的安全和動力軌給列車受流的穩定性，對后續動力軌供電系統保護配置提供理論基礎。

關鍵詞：高速磁浮;動力軌供電系統;框架電壓保護;車載電氣系統

高速磁浮列車因其速度高、安全、環保、節能、舒適等優點，越來越受到人們的關注，上海龍陽路站至浦東國際機場站的高速磁浮示范線，作為世界上第一條商業化運營的高速磁浮線路，全長31.17km，最高運行速度為431km/h。各科研院校及軌道交通公司對高速磁浮交通也有很多研究，要保證磁浮列車良好穩定的運行，必須要有可靠的牽引供電系統，而動力軌供電系統作為磁浮列車低速運行時的供電電源，給列車可靠制動和停車用電提供保障。目前動力軌供電系統還是采用城軌牽引供電常用的框架保護，實際上高速磁浮動力軌供電系統是不同于城軌的牽引供電系統的，為促進我國高速磁浮交通的建設和發展，有必要對高速磁浮動力軌供電系統進行更深入的研究。

?高速磁浮動力軌供電系統

由于常導長定子磁浮列車在速度≤100km/h時，車載直線發電機提供的發電量不足以滿足列車用電需求;因此需要在列車啟動、低速運行以及停車維修時設置動力軌，動力軌作為提供電能的接觸軌，主要包括正極軌、負極軌和保護接地軌。當列車經過上述區段，列車受流靴會落下來與動力軌接觸受流，滿足車內的用電需求。動力軌供電系統為動力軌提供直流電源，主電路主要包括整流變壓器、整流器和直流開關柜

整流變壓器采用D/y/d聯結形式，使兩個二次側電壓相角差30°;整流器由兩個二極管整流橋組成，其中一個橋接至整流變壓器二次側Y型繞組，另一整流橋接至整流變壓器二次側△型繞組，兩個整流橋并聯連接構成十二脈波整流，直流輸出額定電壓DC330V，作為動力軌的供電電源。

?直流框架保護動作分析

2.1? 原理

目前調試線動力軌供電系統采用了直流框架保護，包括框架電壓保護和框架電流保護;主要用于系統絕緣監測以及框架電壓過高，直流開關柜采取絕緣安裝，框架單點接地;通過電壓變送器監測直流開關柜外殼與負極母排之間的框架電壓，通過分流器以及電流變送器監測直流開關柜外殼與地排之間的框架電流，當直流開關柜正極母排絕緣破損觸碰外殼時，會導致外殼存在非安全電壓，可通過框架保護實現開關柜報警或跳閘。

2.2? 故障分析

調試線現場中壓開關柜、整流機組、直流開關柜空載上電正常，當磁浮列車落下受流靴并開始受流時，直流開關柜報框架電壓動作，直流開關柜跳閘并連跳中壓開關柜，導致動力軌失電。對動力軌供電系統各設備進行停電檢修排查，未發現任何異常，復位繼電保護裝置故障信號，退出框架電壓保護，整流機組再次上電，整流機組空載時，負極對框架電壓接近0V;列車落受流靴，直流開關柜無故障報出，受流成功。測量直流開關柜負極對框架電壓為-260V左右，超過了框架電壓動作門檻值而發生跳閘。

高速磁浮動力軌供電系統為獨立軌回流系統，車殼與負極軌絕緣，整個系統為浮地系統，受流時車殼與PE軌接觸，保證車殼的地電位。列車受流后經升壓斬波器將電壓轉換為DC500V給列車提供輔助電源，升壓斬波器（HS）內配有正對地和負對地的二極管鉗位電路，如圖2所示。

變電所大地和PE軌是通過接地電纜連接在一起的，即直流開關柜和HS是共同一個大地的;故整個系統電路可做如下簡化，如圖3所示;

圖中、為整個線路的正對地絕緣電阻、負對地絕緣電阻，為直流開關柜負極對地電壓，為線路電阻，為二極管反向電阻;從圖中容易看出

從上式中容易看出，與整個系統正對地絕緣電阻、負對地絕緣電阻強相關;如=，則有=-250-△;因整個線路很短，壓降很小，所以實際運行時負對地電壓就超過了框架電壓動作值。

?仿真驗證

為了驗證上述結論，利用matlab中simulink工具箱搭建高速磁浮動力軌供電系統仿真模型， 主要仿真參數如表1所示;

車載電網電壓仿真結果如圖5所示，車載電網正對負電壓500V，紋波因數為2.9%，與現場實測情況是吻合的;正對地電壓為+250V，負對地電壓為-250V，與之前分析的二極管鉗位電路結果是一樣的。

直流開關柜處電壓仿真結果如圖6所示，整流機組輸出電壓（正對負）340V，紋波因數為1.9%，負對地電壓為-261V，在負極軌和回流電纜上的壓降為11V左右，與現場實測情況是吻合的;根據上述仿真結果分析可知，系統正常運行時，負極對地電壓就超過了框架電壓門檻值，所以通過框架保護已經無法監測系統絕緣情況，需對此保護裝置做改進。

?整改方案

當直流開關柜正、負極母排絕緣破損并觸碰外殼，以及沿線正極軌或負極軌絕緣破損并觸碰PE軌時，系統還是能正常工作;但是這種故障會造成直流開關柜外殼以及車殼存在非安全電壓，有觸電風險。為保證人員安全，直流開關柜取消絕緣安裝，其外殼與變電所大地直接連接，同時對現有保護裝置加入正對地

及負對地的電壓檢測，從而實現絕緣監測測功能。

4.1? 正極母排對設備框架絕緣監測

在直流進線柜利用電壓變送器采集正極母排與框架間的電壓，并送入繼電保護裝置中進行邏輯判斷;因考慮列車調試不允許隨意斷開動力軌電源，故只設置報警檔;詳細邏輯如圖7所示。為防止直流開關柜不工作時誤報警，邏輯中加入“中壓已帶電且進線柜合位”。

4.2? 負極母排對設備框架絕緣監測

在直流負極柜中利用電壓變送器采集負極母排與框架間的電壓，并送入繼電保護裝置中進行邏輯判斷，詳細邏輯如圖8所示。因整流機組空載時，負極對地電壓為0，容易引起誤報警，故邏輯中加入負極回流電流用于躲過空載工況。

經過上述整改后，直流開關柜能很好的發現正、負極接地故障;車輛正常受流時，負極對地電壓-250V也不會導致開關柜跳閘，保障了動力軌供電的安全可靠。

5 ?結論

總結分析了高速磁浮動力軌供電系統的電氣特性，并對直流框架保護原理以及框架保護動作故障

了分析，得出直流框架保護不適用于高速磁浮動力軌供電系統的接地保護，取消直流開關柜的絕緣安裝并增加正極對地和負極對地電壓監測，進行軟件邏輯判斷可實現整個系統的絕緣監測。提高了動力軌供電的可靠性及安全性，為后續高速磁浮動力軌供電系統工程設計奠定了基礎。

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作者簡介：

何志（1987-），男，湖南省株洲市人，研究生，工程師，主要從事高速磁浮牽引供電系統研究工作。

先進軌道交通重點專項 牽引供電與控制系統工程化關鍵技術研究與實施 2016YFB1200602