对磁浮交通直流牵引供电系统有关技术的探讨

张兴昭

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

1 问题的由来

中低速磁浮交通是在我国正在兴起的一种新型轨道交通方式,它具有许多与常规轨道交通所不同的优异性能,如快速通过小半径曲线和长大坡道的牵引性能，低噪声、低污染的环保性能，开放式的观光性能等,特别适合在因地形和周围建筑条件造成选线困难的城市中心区、山区及旅游观光区运行,是城市轨道交通网中交通方式的一种补充。

磁浮交通的牵引供电系统是为磁浮列车提供电能的唯一来源,性质极为重要。它的结构和设施配置与其他城市轨道交通有很多相同之处,但又有其独特的一面,不能完全简单地照搬。由于目前国内外磁浮交通的商业运营和试验线路很少,可资借鉴的经验不多,通过对当前国内外各种应用模式的调研,侧重于总结磁浮试验线和重庆轻轨2号线胶轮车系统的工程经验,对磁浮牵引供电系统中的直流接地系统和保护配置方案进行了探讨和分析,力求对今后中低速磁浮牵引供电系统的工程设计有所帮助。

2 磁浮交通供电系统的构成及功能

磁浮交通的整个供电系统结构与其他城市轨道交通相似,即主要由外部电源、主变电所(或电源开闭所)、中压供电网络、牵引供电系统、动力照明供电系统和电力监控系统构成,其中牵引供电系统中包括牵引变电所与接触轨；动力照明供电系统中包括降压变电所与动力照明配电系统。

外部电源主要由城市电网变电站和与磁浮交通主变电所连接的高压输电线路组成,磁浮交通通过外部电源从城市电网取得电能；主变电所从城市电网引入高压电源,经降压和分配,给磁浮交通沿线的牵引变电所、降压变电所及牵引降压混合变电所提供中压电源；中压供电网络是纵向把主变电所与牵引变电所、降压变电所联系起来,横向把各牵引变电所和降压变电所联系起来的中压电缆线路；牵引变电所是将中压交流电能转变为直流电能,通过接触轨向磁浮列车供电的专用变电所；降压变电所是将中压交流电能转变为低压交流电能,向除牵引负荷以外的其他负荷供电的变电所；接触轨是通过受流器向磁浮车辆提供牵引电能和进行回流的导电轨；动力照明配电系统是由降压变电所低压侧馈出,连接到各用电负荷处的配电线路及相关设备的集合；电力监控系统是由控制中心内的电力调度、沿线通信网络及受控单元组成,对磁浮交通各种供电设施、设备进行控制、信息采集、数据分析处理等工作的网络控制系统。

3 磁浮交通牵引供电系统与其他轨道交通系统的比较

直流牵引供电系统的主要功能是向磁浮列车供电,供电电压制也遵循统一的轨道交通电压标准,即直流750 V或1 500 V。1 500 V系统的供电能力强,损耗小,可减少供电设施,降低投资,已成为轨道交通发展的方向。中低速磁浮列车在我国已研制成功,两种电压制式的车辆都有产品应用,鉴于我国大多数城市的轨道交通采用1 500 V电压制,今后磁浮车辆发展应当以1 500 V的车型为主。

中低速磁浮交通的供电系统结构与其他轨道交通并无明显区别,牵引变电所内的接线及设备配置也大体相似,磁浮交通牵引供电系统与其他轨道交通最大的差异是接触轨结构、回流系统和接地系统的不同。需要研究的技术层面有：

(1)接触轨系统的结构及各种辅助设施；

(2)磁浮列车对接触轨的特殊要求及解决方式；

(3)直流牵引供电系统的接地方式；

(4)直流设备的保护配置与各种保护间的配合；

(5)杂散电流的防护理念和防护方式。

本文将重点探讨由于磁浮列车对接地系统的特殊要求,从而引起的直流接地方式、保护配置及杂散电流防护方面的问题。

4 磁浮交通牵引供电系统接地方式及保护的研究

4.1 轨道交通中杂散电流的危害

我国现有的轨道交通(除重庆轻轨2号线的胶轮车系统外)基本采用走行轨回流系统,牵引电流主要经过走行轨返回牵引变电所的整流机组负极,从而构成完整的供电回路。由于走行轨无法做到与大地绝缘,因此会有一定量的漏泄电流进入大地,并经由大地或处于地下的金属设施返回牵引变电所,这部分漏泄电流称为杂散电流,也简称迷流。迷流的传播路径见图1。

图1 牵引回流沿走行轨、大地和地下设施流动示意

当走行轨电流由B点(负荷位置)流向A点(牵引变电所位置)时,由于走行轨压降所造成的电位移,在走行轨上形成了两个极区。负荷附近称为走行轨阳极区,此范围内电流由走行轨流向大地；牵引变电所附近称为阴极区,电流由大地返回走行轨。

迷流腐蚀属于电腐蚀类型。迷流强度与走行轨对地的绝缘水平和周围环境的污秽状况相关,数值可由数安至数十安,在环境和运行条件恶劣的区段甚至达到上百安,而一般腐蚀源电池的电流只有毫安级。由此可知，迷流电腐蚀所造成的损失和危害远大于一般自然腐蚀。

迷流对与轨道交通线路平行埋设的地下金属设施特别是金属管线危害最大,这是因为金属管线的电阻率远小于土壤电阻率。当管线的绝缘防腐层有破损时,迷流很容易经由管线周围的电解质(土壤、混凝土结构、水、潮湿空气等)进入管线,并在牵引变电所附近流出。在迷流流出的地方,管线将会发生严重的电解腐蚀。

4.2 直流系统接地方式及框架保护配置

鉴于一般轨道交通的直流牵引供电系统存在这一严重的迷流问题,因此整流机组的直流正负极必须对地绝缘设置。倘若令负极直接接地,由图1可看出,地中迷流将更容易通过地网回到直流电源负极,也就是迷流回路的电阻会大幅度降低,迷流量将成倍增长,对地中金属设施危害极大。另外在负极直接接地时，若发生正极与直流设备框架间的短路故障,则相当于直流电源出口直接金属性短路,将产生几十千安甚至上百千安的强大冲击电流。短路若发生在直流馈线快速断路器之前,保护装置很难在瞬间将故障切除,直流设备的安全将受到严重威胁。

由于上述原因,一般轨道交通的直流系统的正负极设计为对地绝缘设置,这种方式减小了迷流的威胁并消除了强大短路电流的危害,但又产生了其他问题。在正极与框架短路时,走行轨(相当于直流负极)与地(此时相当于直流正极)之间将出现750 V(或1 500 V)的高压,由于利用走行轨回流的列车车体与走行轨处于等电位,此时对上下车乘客的安全产生了威胁,是一种严重的故障状态。从保护方面看,由于轨地之间没有通路,只存在过渡电阻,此时的短路电流相对不大,各种保护都难于动作,只能靠轨电位限制器GDX动作来消除轨地电位,并使正负极直接短路后产生巨大的短路电流,再由直流进线、馈线等保护跳闸消除故障。这种利用轨电位限制器作为保护的条件是不好的,譬如短路电流在十几千安时,直流保护装置切除故障将有一定延时,最少也要15～30 ms,甚至会延长至100 ms。而一般轨电位限制器内接触器的技术指标是50 ms承受的浪涌电流仅为几千安,这说明轨电位限制器不能承受大短路电流,主触点可能烧熔。

为了解决这些问题,直流保护系统中专门设置了框架保护(图2),当正极与框架短路时,保护的电流元件感受到的接地电流或电压元件感受到的轨地间电压超过整定值,保护将联跳整流机组中压侧馈线开关及本站内所有直流开关,还将联跳相邻牵引变电所的直流馈线开关,从而使本变电所内的直流牵引供电系统完全断电隔离。设置框架保护要注意电压元件与轨电位限制器整定值的配合,以免在正常轨电位升高只需轨电位限制器动作时引起框架保护的误动。

图2 框架保护示意

4.3 磁浮系统接地方式及漏电保护的探讨

中低速磁浮交通的直流接地方式与一般轨道交通有明显的不同,首先由于磁浮车辆的结构特点和牵引需求,走行轨作为直线电机的一极,将不再承担牵引负荷回流的作用,而需要另设负极轨回流。负极轨沿线路敷设,用与供电轨相同绝缘等级的支座固定,完全与地绝缘,因此沿线不再有电流的漏泄,将从根本上解决一般轨道交通所存在的杂散电流问题,这是中低速磁浮交通的一大优点。但从另一方面说,也正是因为磁浮车体与走行轨或地无连接,车辆的电气设备因运行中产生的静电无处释放,电荷积累及引起的高压对车上设备特别是有电磁兼容要求的设备十分不利,必须设法克服。根据分析,目前解决的方法有3种。

(1)在车站范围内架设接地轨。接地轨与桥体结构连接实现了良好接地,列车进入车站后车体即可靠接地,将运行中积累的电荷释放,保证了人身和设备安全。目前重庆轻轨2号线和日本磁浮线路即采用此种方式,它的优点是工程简易,投资小,接地可靠；缺点是运行中的电荷无法消除,当车站站距较长时,静电积累虽不会对人员造成危害,但对车上设备的影响则要看设备自身的防护手段,对车辆的设计和制造要求较高。

(2)全线架设接地轨。此做法优点是磁浮列车在运行中始终处于接地状态,静电电荷不易积累,对列车设备的防护最好；缺点是列车在区间高速运行时对接地轨的接触要求较高,因此轨的材质和安装的标准也高,投资较大。

(3)将车体与负极轨连接,负极轨在牵引变电所处接地。此做法优点也是静电电荷不易积累,且节省了接地轨；缺点是轨地间会产生一定的电位,为了上下车时乘客的安全,应考虑在车站设置轨电位限制器或站台边缘加装绝缘层。另外由于接地与负荷回流直接发生了关系,对列车的电气绝缘以及保护装置的要求均较高。

除了消除静电的作用之外,实际上所有负极轨(回流轨)在沿线不接地的轨道交通系统都必须在牵引变电所处接地,这主要是为解决直流供电系统中正极接地短路的保护问题。正极接地短路可分为两种情况：

①在牵引变电所内部,电源正极与直流设备框架之间短路。由于框架是接地的,此时相当于正极金属性接地,对于正负极均悬空的直流系统来说,直接结果是轨地电位上升到750 V(或1 500 V)的高压,对人身和设备安全威胁极大,必须利用框架保护迅速切除故障,而且不再重合闸。

②在牵引变电所外部,因线路绝缘子闪络、车辆电气故障或外部环境引起的接地短路，此时也相当于正极接地,但大部分属于非金属性接地,由于接地过渡电阻很高,接地电流可能很小。这种情况下牵引变电所内的保护难于动作,原因是：在直流馈线的各种保护中,保护远端小接地电流故障的装置主要是电流上升率辅助电流增量(即di/dt+ΔI)保护,其动作原理见图3。

注：1.E—di/dt保护起动值；2.F—di/dt保护返回值；3.Tmax—保护延时时间；4.DeltaImin(ΔImin)—电流增量保护ΔI低限值；5.DeltaImax(ΔImax)—电流增量保护ΔI高限值。

由图3可知,当发生小电流接地故障时,di/dt元件一般能够感受到这一变化,保护可以启动,但为了与一些干扰信号相区分避免误动作(干扰信号也可能造成di/dt超出整定值),必须还要电流增量ΔI达到一定值时保护才能动作,ΔI的整定值根据不同电压制式为3～6 kA不等,当接地电流增量小于此值时保护不会动作。这表明在接地电流较小时有可能保护都不动,而使正极接地故障长期存在,这是很危险的。因此对于磁浮交通来说,必须在负极接地回路中串接接地漏电保护装置,这样即使接地电流不大,保护也能感受到,将可靠地联跳直流馈线开关切除故障。需要说明的是,由于线路或车辆上的故障有可能是瞬时的,因此该保护允许重合闸。

通过上面的分析可以得出以下结论。

(1)在以走行轨作为回流通路的轨道交通系统中,短路故障时的接地电流可以通过走行轨与地之间的过渡电阻构成回路,直流馈线保护动作的可靠性取决于短路电流的量值。在采用接触网授流方式的供电系统中,一般在绝缘支座接地侧设置了贯通接地线,绝缘子闪络时可以形成较大的短路电流,故障切除更可靠；而以接触轨授流的供电系统,往往支座接地端并未加接地线,在接地短路时由于轨地过渡电阻较大,直流馈线保护的可靠性不很高,可以看出在这些轨道交通中,接地保护是存在一定隐患的。

(2)中低速磁浮交通系统和重庆轻轨2号线这样的胶轮车系统,回流轨与地完全绝缘,普通的保护很难切除接地故障,因此必须采用负母线接地方式,并在负母线接地回路中接入漏电保护装置。

(3)接地漏电保护不能取代框架漏泄保护。从表面看框架漏泄电流也经过接地保护回路,但两者的保护范围与处理方式均不同。框架保护主要保护变电所范围内的正极与设备外壳接地故障,该故障必须无延时地迅速切除；接地漏电保护主要保护变电所范围以外,即线路及车辆上的接地故障,保护动作有延时,允许重合闸。

5 接地漏电保护的工作原理简介

接地漏电保护装置主要由接地电阻、逆流二极管、电压继电器、阻尼电阻、高压转换开关、电压传感器、电流传感器、电源及微机控制系统组成。

在正常运行条件下,漏电流在接地电阻上产生的压降远小于继电器的整定值,接地电阻相当于将负极电位拉到接近地电位。只有供电线网或车辆电控系统绝缘受到损伤,而且形成的漏电流在电阻上形成的压降达到漏电预警值时,微机系统发出报警信号,供操作人员注意；当电阻上压降达到继电器的整定值时,接地保护装置动作并发出故障报警,在显示器上将显示故障电流、故障电压、时间等参数,并将上述参数送至变电所综合自动化系统,操作人员可根据故障时间、故障区段、故障电流及车辆运行图,判断出故障车辆。

接地漏电保护与车辆及变电所内的其他保护配合的情况大致有以下几种。

(1)正常工作状态：各牵引变电所直流电源正极通过供电轨(正极轨)输送直流电能给磁浮车辆,牵引回流经回流轨(负极轨)返回变电所负极,供电回路各部分绝缘良好,接地保护装置检测的电压、电流为正常数值,量值很小。

(2)正、负极轨短路故障状态：由于线路上正、负极轨的安装位置较远,极间的短路事故一般不会出现,唯一的可能是由于列车前端挡板内卷入了雪或杂物,并堵塞于正、负极的导电弓间导致极间短路,此故障所产生的短路电流一般较大,可由变电所馈线保护动作,直流快速断路器跳闸,并报警。

(3)正极供电轨接地事故：供电轨的接地事故有时会发生,如轨地之间有金属物搭接,污秽造成绝缘子闪络等,此时有接地电流流入至各变电所的接地保护装置,此值达到漏电预警值时,微机系统发出报警信号；达到保护值时,接地保护装置动作,将变电所内馈线断路器断开,并报警。

(4)列车主线路、高压辅助线路的短路事故：磁浮列车主线路、高压辅助线路的短路事故极其稀少,发生事故时,当事故点发生在车载快速断路器之后,将通过车辆电控系统的快速断路器切除；若事故点发生在车载断路器之前,则只能通过变电所内快速断路器切除。

(5)变电所负极母线绝缘不良：在正常情况下,由于漏电流一定,接地电阻上的压降变化很小,一旦负极母线绝缘电阻下降,将使接地电阻上的电压减小,通过检测该电压值并与正常值比较,可以判断该区间负极母线绝缘是否合乎要求。

6 磁浮交通的杂散电流防护理念与构思

在一般轨道交通系统中,由于走行轨回流系统与大地无法完全隔绝,总会有部分回流自走行轨泄漏进入大地中,从而形成了杂散电流。而磁浮交通的牵引负荷回流是通过与大地完全绝缘的回流轨返回牵引变电所,只要支撑回流轨的绝缘件不发生问题,则沿线不会有任何杂散电流产生,从表面看这已从根本上解决了杂散电流腐蚀问题。但由于磁浮交通供电系统的接地方式与一般轨道交通不同,因此有必要从正常运行的电气回路和特殊故障条件下的接地回路两个方面对可能产生的杂散电流加以分析并提出防范措施。

6.1 正常运行状态下的情况

图4表示出了磁浮列车在某个区段运行时的网络供电情况。

图4 牵引变电所电流分配示意

由于直流牵引网在全线范围内是电气连通的,因此列车负荷并不仅仅由相邻的两座牵引变电所供电,更远方的变电所也要提供部分电能,此时的网络结构见图5(设各变电所直流电源电压E0及电源内阻r0相同,变电所间距均为L,负荷位于区段中点),为了简化分析,网络只取了负荷左边的一半。

图5 网络分析示意

应用支路电流法很容易得出近远端变电所分别负担的负荷比例。

式中IA——A变电所分流；

IB——B变电所分流；

r0——直流电源等效内阻；

RL——供电区段牵引网电阻；

r+——正极轨单位电阻；

r-——负极轨单位电阻；

L——变电所间距离。

6.2 某牵引变电所解列的故障情况

图6 大双边供电时电流分配示意

以上两种情况说明磁浮交通供电系统可基本上不考虑杂散电流影响。

7 小结

(1)中低速磁浮交通供电系统的最大特点是走行轨不再作为回流的通路,且磁浮交通线路基本在地面和高架桥建设,空间为敞开式,周围环境对其影响较大,由此引起一系列诸如消除接地故障、消除静电积累这样的轨地关系问题。为了解决这些技术问题,使磁浮交通真正成为快捷、安全可靠、绿色环保的运输系统,在供电系统方面来说,设置接地漏电保护,重新调整变电所内各种保护之间的配合关系是十分必要的,可以对各种类型的短路故障加以有效的防护。

(2)杂散电流的防护对任何形式的轨道交通都是一大难题,而磁浮交通采用了专门的负极轨回流,从源头上杜绝了杂散电流的产生,这是磁浮交通的一大优越性。即使由于负极接地的特殊结构使得在某种故障条件下还可能有杂散电流存在,从文中的分析和提出的防护措施来看,杂散电流仍不难解决。由此可以说,磁浮交通是对城市地下设施和金属构筑干扰最小的交通形式,在城市中有广阔的发展前景。

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