新型钢轨电位限制装置设计与研究.pdf

船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 34 新型钢轨电位限制装置设计与研究新型钢轨电位限制装置设计与研究 韩 巍，童 翔，余 德（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）摘 要:系统性总结了地铁钢轨电位异常升高的内因与外因，针对钢轨电位限制装置主接触器操作过电压问题，建立相应回流系统物理模型，分析操作过电压的机理，提出并联弧隙消除操作过电压的方法并验证其有效性；针对钢轨绝缘局部损坏导致过渡电阻分布不均的问题，设计了一种可控动态电阻装置，抑制钢轨电位异常升高；基于上述理论和方法，设计了一种新型钢轨电位限制装置，在地铁现场开展工程实施和验证。关键词：OVPD 操作过电压 并联弧隙 可控动态电阻 中图分类号：U224.2 文献标识码：A 文章编号：1003-4862（2023）06-0034-05 Design and research of New type of Over-Voltage Protection Device Han Wei,Tong Xiang,Yu De（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064，China)Abstract:The internal and external causes of abnormal rise of rail potential in subway are summarized.Aiming at the problem the overvoltage of the main contactor in Over-Voltage Protection Device（OVPD）,the physical model of subway backflow system is built.After analyzing mechanism of operating overvoltage,a method of eliminating overvoltage by parallel arc gap is proposed and the effectiveness of this method has been verified.Aiming at uneven transition resistance caused by partial damage of rail insulation，a controllable dynamic resistance device is designed to inhibit abnormal rise of rail potential.Based on the above theories and methods,a new type of OVPD is designed.Finally,project implementation and verification are carried out in the subway site.Keywords:OVPD;operating overvoltage;parallel gap;controllable dynamic resistance 0 引言引言 城市轨道交通牵引供电系统采用接触轨或者架空接触网供电，以走行轨为回流通路。为减少杂散电流对土建结构钢筋、钢轨、设备金属外壳及其它地下金属管线产生腐蚀,轨道交通建设过程中采取了较为完善的杂散电流防护措施：将直流牵引供电系统设计为不接地系统,对直流供电设备采用绝缘安装,钢轨通过绝缘垫与大地绝缘,以减少杂散电流的泄漏。当供电区段有起动或运行的列车、或发生系统短路故障时,因钢轨作为牵 收稿日期：2023-01-15 作者简介：韩巍（1977-），男，高级工程师。主要研究方向为电气自动化。E-mail: 引回流的通路以及钢轨与地之间过渡电阻的存在,钢轨对地产生一定的悬浮电位差。为防止钢轨对地电位过高造成人身伤害,每个车站和车场都设有钢轨电位限制装置(OVPD)。根据钢轨电位限制装置在国内各地铁的运行情况看，均表现出钢轨电位异常升高导致保护动作频繁的问题，造成诸多不利影响，包括：1）大量钢轨电流通过OVPD接地支路泄漏至地下成为杂散电流1，加速地铁基础金属结构电化学腐蚀；2）缩短了装置中主接触器的使用寿命；3）导致其它区段的钢轨电位上升。1 钢轨电位钢轨电位过高的过高的原因原因与解决思路与解决思路 针对钢轨电位过高的问题，国内外学者专家均做了大量的研究发现：影响钢轨电位的因素大Vol.43 No.06 2023.06 船电技术|应用研究 35 致可分为内因和外因两类，其中，内因主要包括：回流系统的电气参数、牵引电流和穿越电流，外因主要包括：钢轨电位限制装置内部的主接触器操作过电压、单向导通装置误导通对钢轨电位分布的影响。1.1 钢轨电位过高的基本原因 1）回流系统的电气参数：钢轨纵向电阻、钢轨对排流网过渡电阻对钢轨电位有直接的影响，当存在地下隧道过江过河、周边土壤湿度大、施工条件差异、长期运营出现局部绝缘损坏等情况时2-3，导致过渡电阻减小，影响全线钢轨电位整体分布。钢轨纵向电阻的偏大直接导致回流不畅，钢轨电位也相应升高。2）牵引电流：列车在加速和制动运行模式下，牵引或制动电流相对较大，钢轨电位会出现明显的上升4。3）穿越电流：非本站整流机组电流通过本站正极母排的这部分穿越电流会增加供电的距离，进而抬高钢轨电位。4）操作过电压：OVPD 内部配置主接触器，在装置保护接地复归（分闸）时，由于回路电感的存在，主接触器分闸的暂态过程产生了操作过电压，这是开关电器的固有特性。5）单向导通装置的影响：当正线一侧的钢轨电位为负时，触发段场单向导通装置二极管导通，使得正线和段场的钢轨电位保持一致，由于段场内 OVPD 的 I 段整定值相对正线较低，使得场段的钢轨电位升高。1.2 解决思路 研制一种新型钢轨电位限制装置，通过设计主接触器并联弧隙支路以抑制其复归（分闸）过程中的操作过电压；通过设计电压平衡支路减弱钢轨绝缘局部损坏导致过渡电阻分部不均的影响；通过调整保护整定和控制方法来减少OVPD的总体动作次数。2 主接触器并联弧隙主接触器并联弧隙支路支路 2.1 回流系统建模 对城市轨道交通回流系统进行简化与假设，选取“钢轨大地”两层回流结构，将回流系统分成一些有限单元，建立离散模型5：回流系统分布参数等效电路模型（如图 1 所示）。图 1 回流系统物理模型 Rr：接触网电阻，Us：牵引变电所电源，I:牵引负荷，R1：钢轨纵向电阻，R2：过渡电阻，C2:钢轨对地电容，K：钢轨电位限制装置主接触器。其中：根据电磁场理论6，钢轨对地电容 （1）可知 C2为 nF 级别，在实际工程数值计算时可以忽略。2.2 操作过电压产生的机理 由上述模型可知：OVPD 接触器分合闸的状态切换时，其等效电路可以看成由电阻、电感 L与电容 C2构成的高阶电路，由于 C2为 nF 级别，可以忽略 C2的影响，进一步简化模型（如图 2所示）：图 2 OVPD 接触器分合闸状态的简化模型 其中 US为外部电源，V2电压测量装置测得 L两端电压 UL，V2电压测量装置测得 K1两端电压UK。以 I 的正向为参考方向，根据基尔霍夫电压定律：（2）（3）由于电感能量释放过程中电流 I 是逐渐减小，得：（4）由式 4 可知：过电压是电源 US与电感电动势叠加的结果（如图 3 所示），K1开断过程中电流下降越快，过电压越高。在未采取限制过电压措施时，采用消电离作用过分强烈的灭弧方法反而有害7，然而为了满足开关电器自身的分断能力和电气寿命等指标，又需要开关电器快速分断。船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 36 图 3 操作过电压试验典型波形 2.3 过电压抑制回路的措施和验证 对于 OVPD 操作过电压的抑制的问题，文献8提出采用在钢轨和地之间增加阻容保护电路的办法来抑制操作过电压，其中电阻元件来消耗系统中的能力，增大阻尼系数，电容元件来抑制电压的突变。然而，该方法使得钢轨和地之间失去了原有的隔离断口，且使得全线的钢轨对地的电容提高两个数量级，会出现钢轨对地电容长期浮充和放电，使得钢轨长期保持在较高水平，不利与人身安全。本文提出并联弧隙方案以抑制操作过电压（如图 4 所示），其中原 K1为原主接触器，K2为辅助接触器（相对 K1的灭弧能力较弱），Rb为耗能电阻。图 4 并联弧隙方案 开断电路时，K1先分开，熄灭电弧后，电流流经 K2和并联电阻 Rb，然后 K2再分开并熄弧。一方面由于电路中串入了较大的电阻，减小了电弧电流，即减少了储存在电感中的能量：另一方面，由于 K2灭弧能力较弱，不会使电流下降速度过快或者截断，防止产生很高的过电压。在不影响 K1的各项性能情况下，保持了钢轨对地的隔离断口。其中 K1和 K2时序控制本可以通过外部控制器实现，但由于同型 K1接触器动作时间的分散性，本文设计了一种通过 K1辅助开关串入 K2接触器电磁操作机构线圈来实现两者动作时序控制的方法。K1和 K2的动作时序差（如图 5 所示）。根据试验室验证数据，Rb推荐设计为 1.5的滑线变阻器，可以根据应用线路的轨道对地电容的大小适当调节增加电阻耗能，K2分断能力不小于 600V/400 A。按图 2 搭建试验回路:其中US=50 V，L=7.8 mH，I=150 A，通过多次试验验证表明：不采用过电压抑制回路的操作过电压超过 250 V，采用该过电压抑制回路的操作过电压不超过 120 V，证明了该方法的有效性，典型试验波形如图 6、7 所示。图 5 控制时序 图 6 未采用并联弧隙方案的操作过电压典型波形 图 7 采用并联弧隙方案的操作过电压典型波形 3 电压平衡支路电压平衡支路 3.1 基本原理 现有 OVPD 只有动作和非动作两个状态，在装置保护动作时，主接触器合闸使钢轨直接接地且延时一定时间 T 后才会复归，在此过程中，钢轨对地泄露电流较大（峰值有可能超过 1000A）且持续时间较长，产生了大量的杂散电流，加速了对地铁基础金属结构电化学腐蚀。文献9提出了一种轨地之间的可变电阻模拟系统，采用电力电子变换器替代电阻用于回流系统地仿真模拟计算。本文设计了一种可控动态电阻装置（如图 7 所示），在局部钢轨有绝缘不良引起 OVPD 一段保护动作前，及时投入该可控动态电阻装置用于调节过渡电阻来平衡钢轨对地电压，从而抑制钢轨电位持续上升，减少 OVPD 一段动作的次数。其中：V4B1 是双单元 IGBT 组件，V5G1 与QDDTDYSY-20181127-004DisplayPage 1 2018年11月28日168.4AU1121.6 V 300.0 V-200.0 V 250.0 V 200.0 150.0 100.0 50.0 0.0 -50.0 -100.0 -150.0 VI1-33.11 mA 1.0 kA-1.0 kA 800.0 A 600.0 400.0 200.0 0.0 -200.0 -400.0 -600.0 -800.0 A2018/11/271.000s/div11:34:2811:34:3812223.5Vdelta(t)=7.7sU1-V2-V 350.0 V 300.0 250.0 200.0 150.0 100.0 50.0 0.0 -50.0 VI1-A2-A 403.0 A-97.0 A 353.0 -47.0 303.0 3.0 253.0 53.0 203.0 103.0 153.0 153.0 12U1-251.0 mV2-251.0 mV 120.0 V 100.0 80.0 60.0 40.0 20.0 0.0 -20.0 -40.0 VI1193.8 mA2193.8 mA 383.0 A-117.0 A 333.0 -67.0 283.0 -17.0 233.0 33.0 183.0 83.0 133.0 133.0 38.95 s39.00 s39.05 s39.10 s39.15 s39.20 s39.25 s39.30 s39.35 s39.40 sVol.43 No.06 2023.06 船电技术|应用研究 37 V5H1 是二极管，R5K1 与 C5K1 组成阻容吸收回路用于吸收 IGBT 的关断过电压，R5H1 与 R5I1为平衡电阻。本装置通过 PWM 输出控制 IGBT的占空比，进而调节有效平衡电阻R=*（R5H1/R5I1）。该支路可以工作于正向和逆向两种模式。正向模式：当钢轨对地电压为正时，V5G1导通，V4B1 上管工作，钢轨对地泄露杂散电流，抑制钢轨电位正向峰值；逆向模式：当钢轨对地电压为负时，V5H1 导通，V4B1 下管工作，钢轨收集杂散电流，抑制钢轨电位负向峰值；图 7 电压平衡支路方案 3.2 支路投入和切除控制逻辑流程 在检测到轨地电压大于 0.8 倍（推荐值，具体可调）的一段保护整定阈值时，本支路投入使用，直至轨地电压小于 0.8 倍的一段整定阈值；在延时时间 T 后，未能及时抑制钢轨电位的上升至一段保护整定阈值，OVPD 一段保护投入，本支路退出。整个工作过程中需要充分考虑回路自身异常保护策略（如图 8 所示）。3.3 PWM 控制算法 在平衡支路投入初期，采用恒功率控制模式（如图 9 所式），通过最大功率指令信号来输出最大功率，用于短时间内抑制轨地电压峰值的快速上升，若轨地电压（Uge）为负，可以最大限度收集杂散电流通过钢轨回流牵引所负极。在电压下降至参考值的 0.6 倍，采用电压电流双环控制模式（如图 10 所示），轨地电压（Uge）与给定的参考电压（Uref）进行比较得出了误差经过 PI 调节后作为电流内环的参考值（Iref）。若轨电电压（Uge）为正，建立 IFL的积分（钢轨对地泄露电流）与极化电位的联系，通过 CJJ/T 49-202010给定的参考平均泄露电流（IFL）作为电流内环控制的约束条件。程序启动uU1*0.8延时时间T1uU1*0.8无故障报警iImax是否程序返回一段保护投入泄压回路退出（对应IGBT截止）泄压回路退出（对应IGBT截止）否是是否是否否泄压回路投入（对应IGBT开通）是u：实时轨地电压；i:实时轨地泄露电流;t：实时温度U1:一段动作电压（整定）Imax:最大轨地泄露电流T1max：超温整定；T2max：超温整定；图 8 电压平衡支路投入与切除逻辑图 图 9 恒功率模式控制原理图 图 10 电压电流双环控制原理图 4 保护保护整定整定与与控制控制调整调整 4.1 保护定值配置为四段 根据现场运行数据可知，原 OVPD 操作过电压多发生于一段保护动作后的复归过程，电压幅值主要在 200400V（偶尔会超过 550 V 触发三段保护动作）区间，装置超过二段保护定值（一般150V）会动作并闭锁，需就地或者远方复归，不利于设备运维的同时增加了钢轨对地泄露电流。本装置遵循 GB 50157-2013 地铁设计规范及EN50122-1相关规定对 OVPD的保护定值作四段配置，以减少操作过电压导致 OVPD 动作的次数，推荐整定值如下表 1。4.2 配置 DV/DT 保护的整定 OVPD 的操作过电压的电压波形与其主接触器动作特性直接相关，如图 3 所示，电压峰值为223.5 V，脉宽约45 ms，超过150 V的脉宽为9 ms，电压平均电压变化率 DV/DT 约为 10 V/ms，电压船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 38 脉宽与主接触器的固有分闸动作时间 40 ms 相当。根据现场实测数据，回流系统的电气参数、牵引电流、穿越电流和单向导通装置引起的钢轨电位异常升高的电压波形变化相对平缓（DV/DT小于 2V/ms），持续时间大于几百 ms（甚至超过几秒）。通过配置 DV/DT 的保护整定可进一步判断 OVPD 的操作过电压的工况，减少操作过电压导致的保护动作次数。表 1 四段保护定值（推荐值）保护 类型 参数 整定值（一次）单位 备注 I 段 U 120 V 接触器 闭合 t 10 s N 3 次数 II 段 U 150 V 接触器 闭合 t 0.5 s N 1 次数 III U 310 V t 0 s N 1 次数 IV U 600 V 晶闸管 导通 t 0 s 4.3 配置复归电流整定 由式 4 可知，操作过电压与电源 US、电感 L和电流变化率（DI/DT）直接相关，其中电源 US、电感 L 是系统固有的，在不改变装置动作特性（主接触器分闸时间 T）的情况，减小装置复归电流I，可减小 DI/DT，进而减小操作过电压，减少装置的异常动作次数。5 结束语结束语 (11.a)平衡支路实物 (11.b)并联弧隙实物 本文系统性总结了地铁钢轨电位异常升高的内因与外因，通过理论模型分析了 OVPD 的操作过电压的机理，提出了并联弧隙方案，以减弱操作过电压的影响，设计一种动态可控电阻装置抑制电压峰值，以平衡轨地电压。从实际工程应用出发，提出了装置整定值调整和控制方法。开展新型钢轨电位限制装置的工程样机的研制，依次通过试验室验证和 xx 地铁工程现场挂网运行（如图 11 所示），充分验证了该系列方案的有效性，同时就装置设计、试验和运行过程中的典型参数给出了推荐值，也为类似装置的设计及工程实施提供参考和借鉴。参考文献参考文献:1 李立勃.北京地铁大兴线钢轨电位限制装置瞬动原因分析与优化设计J.现代城市轨道交通,2018(3):10-14.2 刘建华,穆明亮,裴文龙,等.基于 C 型行波法的轨地绝缘损坏定位方法研究J.城市轨道交通研究,2015,18(9):37-39.3 PARKJ.Ground fault detection and location for ungrounded DCtraction power systemsJ.IEEE Transactions on Vehicular Technology,2015,64(12):5667-5676.4 Xu S Y,Li W,Wang Y Q.Effects of Vehicle Running Mode on Rail Potential and Stray Current in DC Mass Transit SystemsJ.IEEE Transactions on Vehicular Technology,2013,62(8):3569-3580.5 汪佳.多列车下地铁杂散电流研究D.成都:西南交通大学,2012.6 冯慈璋.电磁场M.北京:高等教育出版社,1983.7 许志红.电器理论基础M.北京:机械工业出版社,2014.8 陈民武,赵鑫,丁大鹏,等.城市轨道交通供电系统钢轨电位限制装置操作过电压研究J.2017,38(6):94-99.9 Ibrahem A,Elrayyah A,Sozer Y,et al.DC railway system emulator for stray current and touch voltage predictionJ.IEEE Transactions on Industry Applications,2017,53(1):439-446.10 CJJT 49-2020 地铁杂散电流腐蚀防护技术标准S.北京:中国计划出版社,2020.