城市轨道交通单向导通装置智能消弧研究

周伟志

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

城市轨道交通单向导通装置智能消弧研究

周伟志

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

介绍轨道交通单向导通装置常用的2种消弧方式：放电间隙消弧和大功率GTO消弧。放电间隙消弧的方式存在受环境影响大，无法精确控制导通的缺点；大功率GTO消弧的方式可以精确控制导通，但是无法可控关断，导致单向导通装置长期反向导通，不利于杂散电流防护。因此，提出一种可控关断GTO智能消弧型单向导通装置，对其触发导通、关断过程及等效电路进行分析，可实现单向导通装置的可控可靠关断，避免单向导通装置长期反向导通，完善设备功能。

轨道交通；单向导通装置；消弧；杂散电流

1 概述

目前城市轨道交通采用直流供电方式，由牵引变电所通过接触网(轨)向列车送电，走行轨回流[1-3]。由于钢轨对地不可能完全绝缘，有部分电流泄漏至大地，对附近的钢结构等产生电腐蚀。由于停车场、车辆段多采用有砟道床，钢轨对地的泄漏电阻较正线整体道床更低，为了确保正线电流不经由场段内钢轨泄漏进入大地，通常在出入段(场)有砟道床与整体道床的分界点(或出入场线信号机)钢轨设置绝缘节，并设置单向导通装置，既可确保出入段(场)线电流可靠回流至正线牵引变电所，又能阻止正线电流流至车辆段(停车场)，从而降低杂散电流的泄漏[4-9]。

由于单向导通装置的反向截止功能，绝缘节两端钢轨电气上绝缘，有可能存在电压差，当列车驶入(出)绝缘节的瞬间，列车与钢轨接触处的电流和电压发生突变，容易产生电弧[10-11]；又或，因列车处于再生制动工况，由于单向导通装置反向截止，电流无法构成回路，受电弓电压和钢轨电压迅速抬高。一方面，从绝缘节一侧钢轨泄漏再返回至绝缘节另一侧钢轨，增加了杂散电流的泄漏；另一方面，极有可能导致绝缘节两端电压差升高产生电弧，造成钢轨的灼烧损害，甚至人员触电伤害。为了保证任何情况下绝缘节不产生电弧，则需要检测绝缘节两端钢轨电位差或列车行驶位置，适时反向导通单向导通装置，达到消弧的功效。

本文介绍了几种常规单向导通装置的消弧方式，并提出了一种可控关断GTO智能消弧型单向导通装置，可按既定的条件进行触发导通和反向关断。

2 常规单向导通装置消弧方式

为了消除列车驶入(出)绝缘节时的电弧现象，应该消除绝缘绝两端钢轨的电压差，使其低于起弧的电压。目前我国单向导通装置的消弧方式主要有如下2种。

2.1 采用放电间隙消弧

该方案工作原理：调节放电间隙，使得放电间隙满足一定电压时才能导通。如图1所示。

图1 采用放电间隙消弧

单向导通装置正常工作时，D0～D6二极管导通，放电间隙处于截止状态。列车通过绝缘节时两端电压高于起弧电压，或列车再生制动使得单向导通二极管承受一定的反向电压，使得绝缘节产生电弧时，放电间隙击穿放电，将绝缘节两端过电压消除。

该消弧方案原理结构简单，但是放电间隙受环境影响比较大，由于温度、湿度等环境的影响，往往导致间隙击穿电压波动范围比较大，无法满足单向导通装置消弧电压的精细度要求。

2.2 采用大功率GTO消弧

GTO消弧装置的主回路主要由可控硅组成，可控硅支路串有快速熔断器和分流器，整个消弧装置的主回路与单向导通装置的主回路并联在一起[12]。

其工作原理：通过智能控制器调节GTO触发电压，使得GTO满足一定电压时才能导通。单向导通装置正常工作时，D0～D6二极管导通，GTO处于截止状态；智能控制器检测检测到列车将要通过绝缘节或者列车绝缘节两端的反向电压达到设定值时，则触发GTO导通，将绝缘节两端电压差消除，达到消弧目的。如图2所示。

图2 采用GTO消弧

该方案可以较好地消除电弧，在国内较多工程中应用。但是，GTO触发导通后，需要施加反向电压和反向电流才能可靠关断，这个条件在现场实际运营中很难得到满足。因为绝缘节两端钢轨的电压差是一个浮动数值，在GTO触发导通后，绝缘节两端的电压若未出现反向的电压，那么GTO则长期处于导通状态，单向导通装置则失去它固有的单向导通功能，正线电流通过单向导通装置流入车辆段、停车场，并泄漏大地。

3 可控关断GTO智能消弧型单向导通装置

为了解决GTO导通后，绝缘节两端钢轨电压差不能提供准确的反向电压，造成GTO无法可靠关断的问题。现提出一种GTO可靠关断的解决方案，研发出了可控关断GTO智能消弧型单向导通装置。可控关断GTO智能消弧型单向导通装置在传统GTO电路基础上，增加了可控硅GTO关断电路，如图3所示。主要工作原理如下。

图3 采用可关断晶闸管智能消弧电路

3.1 GTO的触发导通

以绝缘节两端电压差或采用机车传感器检测机车过绝缘节信息为依据，为GTO触发提供触发信号，满足触发条件时控制器发出T1的触发导通信号，并产生一定的延时保持触发信号，使T1可靠触发导通。该延时要保证机车完全通过绝缘节。

T1触发可靠导通后，防止了绝缘节两端起弧打火。

3.2 GTO的关断

正常运行时，电容C1由柜体电源AC 220V交流电压进行充电。由于二极管Dc作用，在晶闸管T2触发导通前，C1两端电压Vc1始终保持为0.4 kV；T2触发导通后，电容C1经T2、T1、电感L1进行放电。根据LC振荡电路原理，在C1第一个周期放电完成后，将对C1进行反向充电，C1反向充电完成后，又一次经电感L1、T1、T2进行反方向放电，该放电过程将在T1、T2晶闸管内流过反向电流，只要合理计算L、C元件的参数，就能实现对T1、T2晶闸管的可靠关断。

3.3 关断过渡过程及等效电路分析

上述电路可简化等效为如图4所示。为电容C充电的电源等效为电压源UC，二极管正向导通等效为电阻Rd和理想二极管D。根据二阶电路全响应，可有基尔霍夫KCL，KVL定律方程如下。

由KVL定律：得有Vc1组成的方程如下

(1)

解上述二阶电路方程，得：

特征方程

(2)

特征根

(3)

式中，R为电路等效电阻，由线路阻抗和晶闸管正向导通阻抗组成，在T1，T2正向导通时，等效电阻R很小，可认为R=0。

在T1、T2反向截止时，该电阻值较大，为非线性变化，在电路分析时，可假定为Rt2=10 Ω(即，使T2截止，电流通过Ct2，Rt2元件放电)；L为电感，10 mH；C为电容，1 mF。

3.3.1 正向放电过程分析

(4)

(5)

从式(4)、式(5)可看出，在第一个半周期内，电容C1经过T2，T1，等效电阻R，电感L进行放电，并对电容进行反向充电的方程式。待电容C1反向充电电压达到最大时，此时线路中电流iL1=0，其等效电路见图4。由于等效电阻R可忽略不计，该过程等效为震荡放电过程。

图4 断晶闸关断电路起始放电等效电路

3.3.2 反向放电(晶闸管关断)过程分析

电容C1反向电压充到最大值时，开始反向放电，最开始反向放电电流经过T1，T2反向流通，使T1，T2迅速关断。T1关断后电流将通过等效二极管D继续反向放电，使T1继续保持反向电压，保持T1可靠关断；T2关断后，反向放电电流通过T2的阻容回路流通，使T2保持反向电压，可靠关断。图5、图6等效电路图表示晶闸管T1关断过程中，电路参数和放电电流路径的变化示意。

图5 晶闸管关断电路反向放电电路(虚线表示晶闸管关断前反向放电电流路径)

图6 晶闸管关断电路反向放电电路(虚线表示晶闸管关断后反向放电电流路径)

其解答形式为UC=A1eP1t+A2eP2t

计算出P1=-112.5，P2=-887.5，A1=355，A2=-45

(6)

(7)

由上述放电过程方程式(式(6)、式(7))可看出，t=0时，i=0；t=∞时，i=0，i始终为正，即始终保持T1，T2晶闸管反向截止，保持可靠关断，只要能保证过阻尼衰减放电时间大于T1，T2两个最大的要求可靠关断时间，就能保证T1，T2的可靠关断。

因此，当PLC检测到结缘节两端电压达到一定值时，输出触发信号，使得T1导通。当晶闸管回路电流值降到一定值时，输出T2触发导通信号，关断T1。

4 结论

本文介绍了3种单向导通装置的消弧方式，重点对可控关断GTO智能消弧型单向导通装置的触发和关断原理和过程进行了分析，通过计算证明其GTO可靠关断可行。该方案既可避免因绝缘节两端钢轨电压差导致的电弧现象，又能可靠反向关断，实现单向导通功能。

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Research of Intelligent Arc-suppression of Urban Transit Unilateral Connecting Device

ZHOU Wei-zhi

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

This paper introduces two kinds of arc suppression methods used in track unilateral connecting device: the discharge gap and GTO. The discharge gap arc suppression is influenced by the environment and cannot be controlled precisely， while GTO arc suppression can control breakover， but cannot control shutdown， which results in permanent reverse connection of unilateral connecting device and in poor protection of stray current. By analyzing process and equivalent circuit， a new intelligent arc-suppression device is proposed to fulfill shutdown control of unilateral connecting device and prevention of permanent reverse connection.

Track transit; Unilateral connecting device; Electric arc suppression; Stray current

2015-03-03；

2015-03-26

周伟志(1979—)，男，高级工程师，2004年毕业于西南交通大学电力系统及其自动化专业，工学硕士，E-mail：1059647244@qq.com。

1004-2954(2015)09-0149-03

U231+.8

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.09.033