基于轨道交通杂散电流防护系统的单向导通装置设计

黄　飞 张　磊

（湖南大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410012）

基于轨道交通杂散电流防护系统的单向导通装置设计

黄飞 张磊

（湖南大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410012）

轨道交通主体结构钢、附近的埋地金属管线、电气设备经常遭受轨道交通杂散电流的电化学腐蚀。这种杂散电流会破坏混凝土结构，腐蚀埋地金属管线，干扰通讯设备甚至会危及人体安全造成灾难性的事故。该单向导通装置主要有控制器模块、二极管支路、消弧支路、隔离开关、过电压保护支路、温湿度控制、浪涌保护及电源模块组成。其内部还设置了数据采集、数据处理及远程通信系统，可实时检测主回路的运行状态。

轨道交通；杂散电流；单向导通装置

随着国内工业现代化、城镇化持续推进，我国资源环境压力日益加大，促进节能环保的“绿色轨道交通”提高城镇承载力是缓解资源环境压力提高经济社会发展质量和效率的新方向。中国城市轨道交通已进入快速发展的新时期，同时轨道交通杂散电流防护问题越来越引起社会各界的重视。在轨道交通系统中，牵引供电系统一般采用直流方式，会产生杂散电流。地铁中，很多铁路采用走行轨、走行轨连接件以及电缆组成回流系统。走行轨与地之间并非绝对绝缘，存在多个电流泄漏点，流经走行轨的电流不能全部经由走行轨流回牵引变电所的负极，有一部分电流会泄漏进入大地，然后再流回变电所，这部分泄漏到大地中去的电流就是杂散电流也称作迷流。

1.总体性能

1.1功能介绍

单向导通装置通过电缆与绝缘结两端回流轨相连，使回流轨中电流仅能单方向流通，以利于杂散电流防护，减少杂散电流影响。其内部除设置二极管支路外，还设有隔离开关和消弧支路，隔离开关用于特殊运行方式下，将绝缘结两端回流轨直接电气连接；消弧支路用于车辆再生制动导致单向导通装置附近回流轨电位升高时，该支路电气导通，降低走行轨电位，限制绝缘结两端放电和保证回流轨附近人员的安全。

1.2单向导通装置电气原理图

单向导通装置电气原理图如图1所示。

图1　单向导通装置电气原理图

2.系统组成

2.1控制单元模块

单向导通装置控制单元分为以下几个部分：CPU模块、开入量输入模块（DI）、开出量输出模块（DO）、模拟量输入模块（AI）、PWM驱动模块、HMI人机接口模块以及通讯模块等。包括16路开入量输入，其中14路共用公共端，另外2路为互相独立的开入量输入；每路开入量输入采用光耦隔离，支持DC+24V输入；6路开出量输出，每路开出最大支持5A、220VAC或5A、30VDC；12路模拟量输入，每路模拟量最大支持±5V输入；支持2路可控硅驱动；1路RS-485，1路CAN以及7个LED指示各二极管支路及可控硅支路故障状态。

2.2二极管支路

每个二极管支路均由二极管、快速熔断器、霍尔电流传感器等组成。该装置采用了永济机电的ZP4400-30二极管，额定电压3000V，额定电流是4400A。首先要满足额定电流3000A设计要求并且预留一定裕量来保证系统的稳定性。按额定容量的1.5倍来设计，则主回路实际额定电流容量为ITa=1.5×3000A=4500A。均流系数Kp取0.90，主回路实际电流为IT=ITa/Kp=4500A/0.90=5000A。按自然冷却条件下电流取风冷条件下的25%，ZP4400-30二极管实际可通电流为：IP=4400A×25%=1100A。则需并联元件数为：Np=IT/IP=5000A/1100A≈5（取整），故设置5路二极管并联，由于已考虑到1.5倍冗余度要求，且当一支二极管损坏造成断路时，单向导通装置仍可满足3000A的额定电流。

另外一个需要考虑的因素是如何保证很好的均流效果。理想条件下是5路二极管均分摊20%电流是最理想的，然而实际中并不可能那么理想，只能尽量使5路二极管分摊的电流大致相同，防止均流失败烧坏二极管。为此首先要对二极管进行严格筛选，进行导通压降测试必须确保相同规格的两只二极管导通压降偏差不超过0.2V，其次要保证5路二极管布局合理尽可能对称。

同时每个二极管支路都应串联一个快速熔断器，当二极管发生反向击穿或流过电流超过系统额定电流使快速熔断器熔断时，检测系统检测到故障后，向主监测系统发出报警信号，以便及时检修。

2.3消弧支路

消弧支路由可控硅、霍尔电压传感器、快速熔断器、霍尔电流传感器组成。霍尔传感器采用霍尔器件，能避免常规分流器的发热问题，同时由于霍尔元件输出的是0～4V的电压信号，很好地解决了分流器的mV级小电压放大成大信号电压时的信号延迟及误差问题。

消弧支能熄灭列车在制动情况下产生的电弧，当列车通过绝缘结后，检测轨道绝缘结的反向电压，当反向电压达到起弧电压（可手动设置）时，触发可控硅使之导通，熄灭电弧，以保证单向导通装置正常工作，电压降低后，自动关断。可控硅回路同时还需串联快速熔断器，以保护可控硅。

2.4隔离开关

隔离开关采用宁波耀华G N 2 2-1.5kV/3150A-50（D）开关，额定电压DC1800V，额定电流3150A，工频耐压5.5kV，主要由旋转隔离开关、操动机构和操作面板组成。该隔离开关可以方便的装入开关柜内，方便安装，整体性好。电动隔离开关的操动机构采用电动操动机构，具备电动、手动两种操作方式，电动操作时能实现远动控制。

2.5过电压保护支路

二极管与可控硅在开通与关断瞬间的尖峰脉冲其主要为奇数倍高次谐波，R、C分压，频率越高，电容容抗越小，电容电压就越低，大部分降落到R上了，RC低通滤波的H（w）=1/（1+jwRC），故直接并联RC阻容吸收回路，R取5～10Ω，功率取5～20W，C取0.05～1μF即可。同时为防止过电压，在RC支路上还需并联一个压敏电阻，当二极管两端电压超过其阀值时，压敏电阻将二极管自动旁路以防止二极管损坏，当电压恢复时，压敏电阻恢复正常。

2.6温湿度控制

为控制单向导通装置内温湿度，可以选用WSK-HS（TH）系列智能温度控制器，其带有一路温湿度传感器，能随时监测柜体内的温湿度变化并通过自动调节柜体内部安装的加热装置的工作状态及时改善柜体内部的温湿度环境。

2.7浪涌保护

为抑制线路上的浪涌和瞬时过电压、泄放线路上的过电流，二次回路应安装浪涌保护器浪涌保护器（SPD），可采用科安达SSLP-385V浪涌保护器有效保护二次设备。

3.安装防护

安装时二极管、可控硅、隔离开关、过电压过电流保护装置应安装在单向导通装置正面，在布置上应考虑通风散热、接线方便。单向导通装置为户外安装的独立式金属柜，柜体防护等级为应达到IP45，考虑到热辐射和雨水的浸渍，整个柜体设计需有防雨的散热通道，柜顶应装有防止雨水的顶盖，既保证有良好的防雨作用，又保证有良好的散热效果。

结语

实际生产中经模拟负载测试，该单向导通装置二极管支路均流系数大于0.9，过载能力强，可达150%，具有故障自动报警功能，方便维护。采用可控硅自动消弧技术，可避免电弧烧损钢轨，隔离开关采用手动电动两种操作方式，方便远程控制。该装置可以有效缩小杂散电流影响的范围，从而减少杂散电流对结构钢筋的腐蚀，具有广泛的应用前景。

［1］ GB50157-2013，地铁设计规范［S］.

［2］ CJJ49-1992，铁杂散电流腐蚀防护技术规程［S］.

［3］ JB/T8949.2-2013，普通整流管第2部分：平板形器件［S］.

［4］ GB/T3859.1-2013，半导体变流器通用要求和电网换相变流器［S］.

［5］ GB4208-2008，外壳防护等级（IP代码）［S］.

U284

A