分级式钢轨电位限制装置的研究
2017-10-11于志永
于志永
分级式钢轨电位限制装置的研究
于志永
(青岛地铁集团有限公司,266011,青岛//高级工程师)
目前,国内城市轨道交通针对钢轨电位过高的问题,多采用钢轨电位限制装置来抑制钢轨电位。当钢轨电位超过规定值时,钢轨电位限制装置会动作,将钢轨与大地直接短接。但这一保护动作造成杂散电流的泄露量明显增加。为此提出了一种新型的分级式钢轨电位限制装置。该装置在钢轨与大地之间增设了大功率小阻值电阻,不仅可抑制钢轨电位,还能有效减少杂散电流的泄漏。
城市轨道交通;钢轨电位限制装置;杂散电流;分级控制
AbstractCurrently,rail potential is usually too high in urban rail transit.In order to ensure the safety of passengers,rail potential limiting device is widely used to suppress the rail potential.When rail potential exceeds a predetermined value,the rail potential limiting device will be activated,which directly connects the rail with earth but often results in significant increase of stray current leakage.Therefore,it is necessary to optimize the rail potential limiting device to reduce the stray current impact.In this paper,a novel hierarchical rail potential limiting device is proposed,it can not only suppress rail potential,but also reduce the stray current leakage effectively.
Key wordsurban rail transit;over-voltage protection device(OVPD); stray current; hierarchical control
Author′s addressQingdao Metro Group Co.,Ltd.,266011,Qingdao,China
在城市轨道交通中,由于钢轨本身阻抗及杂散电流的影响,钢轨和大地之间会存在电位差。这个电位差称为钢轨电位[1]。目前,在国内已运营的城市轨道交通中,普遍存在钢轨电位异常升高的问题,这会威胁乘客的人身安全[2-4]。为了抑制钢轨电位,现在普遍的做法就是在钢轨与地母排之间装设钢轨电位限制装置(OVPD)。当测得的钢轨电位超过规定值时,OVPD就会动作,将钢轨与大地直接连接,将钢轨电位控制在安全电位以下[5-7]。虽然OVPD可以抑制钢轨电位过高的情况,但是OVPD动作时会将钢轨与地母排短接,从而使大量的钢轨电流通过OVPD流入地网,形成杂散电流。这样不仅对隧道、道床的结构钢筋以及附近金属管线造成危害,还会影响地铁中的电气设备、设施的正常运行,影响车站的使用寿命[8-9]。因此,为了能够更有效地抑制钢轨电位,降低杂散电流的影响,研究一种新型分级式OVPD是十分有必要的。
1 OVPD工作原理
OVPD安装在钢轨和变电所接地网之间。为保护乘客及工作人员的人身安全,实时监测钢轨电位,如果电位超过设定值,则OVPD动作,将钢轨与大地短接,达到降低钢轨电位的目的,从而保护乘客以及工作人员的安全。OVPD包含电流检测、电压检测和合闸回路等3个部分[10],如图1所示。
图1 OVPD原理图
根据IEC 62128-1—2013《铁路应用设施-固定装置 第1部分:防电击的保护性措施》,OVPD技术参数应满足以下要求:
(1)钢轨电位保护措施应优先于设备保护和杂散电流防护措施。
(2)OVPD动作时,接触器可以多次动作,但应尽可能限制其每次短接时间在10 s以内。
(3)短路接触器额定电流需大于故障状态时产生的最大电流。
(4)限制钢轨电位在人体耐压允许值之下,确保乘客和工作人员的人身安全。
(5)OVPD的动作电压值必须与框架保护配合。
OVPD的电压存在反时限的特性。根据人体耐受电压-时间特性标准,将OVPD的电压控制分为3个电压动作等级[11]:
(1)第一电压动作等级:如测得的电压值大于或等于U1的阈值(90 V),则经过1 s延时后,直流接触器闭合,将钢轨与大地有效短接。直流接触器闭合10 s后自动断开。如果在一段时间内,接触器连续动作3次,则接触器将处于闭锁状态。
(2)第二电压动作等级:如测得的电压值大于或等于U2的阈值(150 V),直流接触器基本无延时动作(动作反应时间0.1 s),将钢轨与大地短接,并且接触器将处于闭锁状态。
(3)第三电压动作等级:当测得的电压超过U3的阈值(600 V)时,为抵消直流接触器机械动作延时的20 ms,晶闸管元件立刻启动,加速将钢轨电位钳制到零值。当接触器动作后,晶闸管自动退出,而且接触器处于闭锁状态。
OVPD还具有故障报警功能。如测得的电位差小于设定电压(5 V)且保持24 h,则OVPD控制器将判断装置控制回路出现故障,从而使合闸线圈失电,接触器闭合且闭锁,面板上的故障指示灯以及闭锁指示灯亮起。当排查故障后,可通过面板的复位按钮来恢复OVPD的运行。
2 OVPD对杂散电流的影响
当城市轨道交通供电区间有车辆行驶或接触网发生短路故障时,会出现钢轨电位升高现象。这会引起OVPD动作来降低钢轨电位,保护乘客人身安全。当OVPD动作时,会对杂散电流造成一定的影响,下面通过MATLAB/SIMULINK软件进行仿真分析。
2.1 模型建立
对于城市轨道交通来说,轨道可认为是1个纯电阻性集中参数线,轨道和大地之间只有纯阻性的电气连接,其表征为过渡电阻,单位是赘/km;大地也可认为是1个纯阻性的参数线。所以,可将城市轨道交通回流系统分成一些有限单元,建立离散模型[12]。加入OVPD的回流系统模型如图2所示。
图2 加入OVPD的回流系统模型
2.2 钢轨电位装置投入的仿真分析
如图2所示,当列车运行在区间2时,取,I=3 000 A,L=2 km,Rg=0.03 赘/km,Rp=0.01 赘/km,Rd=0.01赘/km,R1=15赘/km,R2=3赘/km,进行仿真计算。当OVPD处的钢轨电位大于0时,OVPD动作。经仿真计算可得出钢轨电位、杂散电流Is的分布曲线,分别如图3和图4所示。
图3 列车在区间2时的钢轨电位分布图
图4 列车在区间2时的杂散电流分布图
由图3可见,当列车在区间2运行时,区间2沿线的钢轨电位均为正,最大值约为49 V,DC 2处与DC 3处钢轨电位接近,约为5 V;而当OVPD 2与OVPD 3动作后,沿线钢轨电位均下降,且降低的幅值大致相同。
由图4可见,当OVPD未动作时,区间1内的杂散电流最大值仅约为0.8 A,而区间3内的杂散电流最大值约为3.0 A。当OVPD 2动作时,杂散电流急剧增大,最大值约为4.3 A。当OVPD 3动作时,杂散电流也急剧增大,且在OVPD 3处杂散电流最大,约为4.2 A。OVPD 3动作时的杂散电流变化趋势与OVPD 2动作时基本一致。
可见,当OVPD动作时,钢轨电位会降低,而杂散电流会增大。故需优化OVPD以降低OPVD动作时所产生的杂散电流。
3 分级式OVPD
为了更有效地抑制钢轨电位以及杂散电流,本文提出新的分级式OVPD。
3.1 分级式OVPD的工作原理
分级式OVPD在钢轨与大地之间增设大功率小阻值电阻。当钢轨电位超过规定值时,传统OVPD通过直流接触器直接将钢轨与大地短接。而分级式OVPD通过小阻值电阻来降低钢轨对大地之间的电位,可有效减少从OVPD中泄漏的杂散电流。分级式OVPD工作原理图如图5所示。
图5 分级式OVPD原理图
在城市轨道交通系统中,列车从起动、加速运行、匀速运行、制动直至停止,其牵引电流都是逐步变化的,一般情况下不会发生突变,除非出现接触网直接搭接钢轨等事故。在列车运行中,钢轨电位也随着牵引电流逐步变化;因此,可通过分级式OVPD来逐步控制,其控制流程如图6所示。
图6 分级控制OVPD的控制流程图
分级式OVPD实时监测钢轨电位,如钢轨电位超过U1,则直流接触器1动作,将电阻R1投入。由于R1比该点的过渡电阻小,故可降低此处的钢轨电位。此时,如钢轨电位仍超过规定U1,则立刻启动双向晶闸管1,将电阻R2投入。这相当于采用并联降低阻值的方法,进一步降低该处的电压值。电阻R3的投入与电阻R2一致;如此时的电压仍很大,则启动直流接触器2,将钢轨与大地直接短接。当钢轨电位突然过高,超过U2时,直流接触器2还能直接闭合,起到保护作用。在闭合一定时间后,直流接触器即可自动断开。
3.2 仿真分析
分级式OVPD控制流程图,在MATLAB/SIMULINK软件中搭建分级钢轨电位的模型,进行仿真。假设I=4 000 A,R1=5Ω,R2=4Ω,R3=2 Ω。将分级OVPD的U1设为0 V。这样可直接仿真电阻分别投入及接触器2闭锁的情况。仿真时间为5 s,分级式OVPD在1 s时投入。仿真结果如图7、图8所示。
图7 分级式OVPD动作的钢轨电位变化图
图8 分级式OVPD动作泄漏的杂散电流变化图
如图7所示,分级式OVPD未投入时,钢轨电位约为34.5 V;在1 s时,投入分级式OVPD;在1.0—1.1 s段,分级式OVPD检测到钢轨电位大于U1,进而闭合接触器1,投入电阻R1,钢轨电位降至26 V;在1.1—1.2 s段,分级式OVPD检测到钢轨电位仍大于U1,则启动晶闸管1,投入电阻R2,钢轨电位降至19.8 V;在1.2—1.3 s段,分级式OVPD检测到钢轨电位大于U1,启动晶闸管2,投入电阻R3,钢轨电位降至13 V;此时钢轨电位仍然大于U1,则启动接触器2,将钢轨电位与大地直接短接,将钢轨电位降至0。
如图8所示,在不同阶段OVPD泄漏的杂散电流不同,R1投入时,Is约为 5.5 A;R2投入时,Is约为8.8 A;R3投入,Is约为 12.5 A;接触器 2 闭合,Is约为19 A。
根据上述分析,当U1设定较高时,电阻不需要全部投入就能降到设定值一下。这样既可保证钢轨电位降到人体安全电压以下,又可保证OVPD泄漏的杂散电流比直接接地小很多,从而有效减少杂散电流对周围埋地金属的腐蚀。同理,分级的电阻设置得越多,就越能在有效控制钢轨电位的同时限制杂散电流的泄漏。
4 结语
本文首先对OVPD的工作原理进行分析,在此基础上,建立了OVPD投入时回流系统的离散模型,利用MATLAB/SIMULINK软件进行仿真分析,得到OVPD合闸时的钢轨电位分布以及杂散电流分布。
仿真结果表明,当OVPD动作时,泄漏的杂散电流会明显增加。针对这种情况提出分级式OVPD,该装置是在原来装置的基础上增加大功率的小阻值电阻,并通过这种小阻值电阻来降低钢轨对大地之间的电位以保证人身安全。该分级式OVPD还能有效减少从OVPD中泄漏的电流,降低杂散电流的影响。
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Research on Hierarchical Rail Potential Limiting Device
YU Zhiyong
U224.4
10.16037/j.1007-869x.2017.09.028
2016-01-08)