南京宁和城际轨道交通大胜关桥感应电压吸收装置设计

林晓伟 丰瀚麟

(1.国电南瑞科技股份有限公司，210061，南京;2.南京麦格安倍电气科技有限公司，211100，南京 ∥ 第一作者，高级工程师)

南京宁和城际轨道交通一期工程大胜关桥区段与沪汉蓉铁路(设计速度为250 km/h)和京沪高铁(设计速度为380 km/h)同桥并行3.674 km。这种特殊情况在国内外尚属首例。宁和城际轨道交通上、下行线路分别位于沪汉蓉铁路和京沪高铁外侧，与两线的线间距分别约为8.2 m和8.4 m，如图1所示。

图1 大胜关桥区段各线路接触网位置示意图

京沪高铁及沪汉蓉铁路均为国家铁路大动脉，且均采用AT(自藕变压器)供电方式，牵引供电为交流27.5 kV，牵引电流每线约为1 000～1 200 A；而宁和城际轨道交通采用直流1 500 V电压供电。两者在供电制式及电压等级上存在很大差异。高铁接触网在电磁影响下，作为干扰源通过感性和容性耦合，会在线间距不超过9 m的城际轨道交通接触网、钢轨等与其平行敷设的导体上产生电磁和静电感应，其产生的感应电压会对维护人员的人身安全产生严重危害；同时城际轨道交通通信、信号等系统也易受高铁接触网电磁感应和电磁干扰的影响，甚至会严重危害设备运行安全，造成不可挽回的损失。因此，研究高铁与城际轨道交通同桥并行情况下，高铁对城际轨道交通所产生的电磁影响，并设计相应的感应电压吸收装置，是解决上述难题的有效途径。

1 静电感应电压计算

南京宁和城际轨道交通一期工程在大胜关桥上采用架空柔性接触网DC 1 500 V供电，钢轨回流。直流牵引供电系统的电压及其波动范围应符合如下规定：在任何运行方式下，接触网最高电压不得高于最高值1 800 V；高峰小时负荷时，全线任一点的电压不得低于最低值1 000 V。

并行区段接触网于大胜关桥主桥两侧分别设置绝缘锚段关节，由区间牵引变电所1、2组成双边供电回路，如图2所示。

图2 大胜关桥区段各线路示意图

本文对高铁停运后，接触网带电AC 2×27.5 kV的场景进行分析。此场景下，高铁接触网正常送电，对城际轨道交通接触网主要产生静电感应电压。根据电场效应，建立如下静电感应电压计算模型，如图3所示。

图3 静电感应电压计算模型

高铁接触网正常通电时对城际轨道交通接触网产生的感应电压ΔUg为：

ΔUg=KjUjbc/(a2+b2+c2)

(1)

式中：

Kj——感应系数，京沪高铁与沪汉蓉铁路均为复线，取0.6；

Uj——高铁接触网或正馈线电压。

将京沪高铁、沪汉蓉铁路接触网及正馈线相关数据代入式(1)，分别计算高铁接触网对城际轨道交通接触网的感应电压值后再进行叠加，从而得到相应的感应电压值。在不考虑京沪高铁与沪汉蓉铁路上、下行相位差的情况下，通过计算得出高铁接触网对城际轨道交通接触网产生的静电感应电压约为373.8 V。

2 感应电压吸收装置设计

2.1 设计方案

感应电压吸收装置系统采用电感与电容串联的电路进行稳压滤波。高铁线路正常运行时，会引起城际轨道交通接触网感应电压瞬间升高，其最大值可能达到400 V左右，感应电流最大值为100 A。GB 50157—2013《地铁设计规范》规定：电压的允许值范围为1 000～1 800 V，因此只要将该瞬间升高或者降低的电压通过LC(电感电容)串联谐振电路的方式进行滤波，实现削峰填谷，将接触网供电电压稳定在标准范围内，实现其对感应电压的吸收作用，就可以保证在出现极端感应电压的情况下城际轨道交通供电系统正常运行。

感应电压吸收装置系统逻辑如图4所示。该装置主要包括配电系统、吸收电路及保护控制系统等3个部分。配电系统包括隔离开关K1、接触器K2、放电接触器K3、熔断器F1以及控制这些部件的配电继电器等；吸收电路包括投切晶闸管Q、电感L、电容C、阻尼电阻R1和放电电阻R2；保护控制系统包括保护测控单元、隔离放大单元、电压转换单元、辅助电源及其配套传感器等。

图4 感应电压吸收装置系统逻辑图

2.2 装置功能

感应电压吸收装置可实现对接触网工频感应电压的吸收，保证接触网工作电压在1 000～1 800 V额定范围内；该装置也可以通过最大过流保护或电流增量保护等实现故障录波功能，采样率不小于10 kHz，可提供波形查看窗口，并实现录波文件的远传。

2.3 部件选型与设计

2.3.1 隔离开关

隔离开关是一个应用于直流牵引变电站的无载开关，用于线路的接通和隔离，可有效隔断电网的正负线。作为DC 1 500 V接触网与感应电压吸收装置的隔离，隔离开关须在不带负载的情况下进行分断。图5为该型隔离开关的外观样式。其具体型号为赛雪龙双刀型SWS1820MA2ZB1，额定电压为DC 1 800 V，额定电流为2 000 A，采用人工方式操作。隔离开关使用机械钥匙锁锁定，具有结构紧凑、短时耐受电流能力强等特点。

图5 高压隔离开关

2.3.2 熔断器

熔断器用于开断感应电压吸收装置内部的短路故障。熔断器作为保护环节，其短路开断过程中的电弧能量值很高，并且由于直流系统燃弧电压无过零，使得安全熄灭直流电弧要比分断工业电气系统的交直流短路更为艰难。因此，所选择的熔断器必需具备优异的高分断能力、强大的限流能力、短暂的熄弧时间以及消除全部燃弧能量的可靠性；同时，熔断器还需具备正常运行20年不熔断的耐过载、抗老化等工作性能。

熔断器的额定电流INF是以电路中实际流过熔断器的电流有效值IF为基础进行计算，同时计算中应考虑环境温度、冷却条件、电流裕度等因素对其的影响。INF的计算公式为：

INF≥KIF

(2)

式中：

K——熔断器裕度系数，通常取1.5～2.0。

本文选取西安西联熔断器制造有限公司生产的DTR系列轨道机车专用型直流熔断器。考虑到开断感应电压吸收装置吸收的额定感应电流为100 A，结合熔断器应预留2倍电流裕量，因此，选择DTR-LZ3.17-200型熔断器。该型熔断器的额定工作电压为DC 1 800 V，额定电流为200 A，时间常数为10～20 ms。该型熔断器的外观尺寸如图6所示。

图6 DTR-LZ3.17-200型熔断器的外观尺寸图

2.3.3 直流接触器

直流接触器选用沈阳二一三控制电器制造有限公司生产的BC98-ZTB系列铁路专用高压直流接触器。该直流接触器型号为BC98-Z200/2022T1，额定工作电压为1 500 V，额定工作电流为200 A，控制线圈电压为直流24 V，带有2个常开主触点以及2个常开、2个常闭的辅助触点。直流接触器的主触点串联使用，其安装和外形尺寸如图7所示。直流接触器采用电磁合闸以降低保持功率，同时限制最大电弧电压，具有高可靠性机械性能和电气性能。直流接触器设计负荷满足IEC 60077-1/2—2017和GB 14048.1—2016《低压开关设备和控制设备总则》的要求。隔离开关的控制需外接控制继电器。继电器选用欧姆龙自动化(中国)有限公司生产的MY2N-DC 24 V继电器。该型继电器为直插型、带底座、双刀双掷，且两触点并用，最大可实现24 V/10 A的电流通断。控制继电器的外观尺寸如图8所示。

图7 主接触器外形尺寸图

图8 控制继电器的外观尺寸图

2.3.4 放电接触器

放电接触器需要装有放电通路，放电通路用于设备停止工作后或维护前完全释放柜内储能设备剩余电量。由于母线存储的电量较少，因此，可选择小容量的高压接触器作为放电通路的开关装置。本文选择美国GIGAVAC放电接触器，型号为G81A357，其额定电压达到10 kV，额定电流为20 A，控制电压为24 V。放电接触器的外观尺寸如图9所示。放电接触器通过控制继电器来实现连接/断开其控制的线圈电流。控制继电器选用常开触点的欧姆龙MY2N-DC 24 V继电器。该型继电器为直插型、带底座，可实现最大值为10 A的电流通断。

图9 放电接触器的外观尺寸图

2.3.5 放电电阻

放电电阻R主要根据电容大小和放电时间进行选择。设电网电压为1 500 V，吸收电容C为320 μF，设在10 s内需将电容放至原有电压的5%，即 75 V。则电阻值应满足：R≤10 kΩ。通过计算得到，充电初始瞬态电阻上消耗的功率为 225 W，平均放电功率为36 W。

考虑到电阻功率和耐压等因素，选择RX24-50 W型铝壳绕线电阻器。该电阻器电阻值为2 kΩ，质量为30 g，采用5个进行串联；标准散热板表面积为995 cm2,厚度为1 mm。电阻器外形尺寸如图10所示。

图10 RX24-50 W型铝壳绕线电阻器的外观尺寸图

2.3.6 吸收电感

吸收电感按照感应电流最大值100 A、直流母线电压1 500 V进行设计，LC在50 Hz处谐振，则L的容量为100 kVar。因此，采用LC吸收方案的参数选取为：L=31.7 mH,C=320 μF,f=50 Hz,Imax=141.4 A。吸收电感采用硅钢CD型磁心，线包环氧树脂浇注，电抗器额定电流为100 A。吸收电感铁心规格为XCD 40 mm×100 mm×100 mm，其尺寸如图11所示。设计最大磁通密度为1 T，实际磁心AeAw=2.4×10-5m4。

图11 吸收电感铁心的外形尺寸图

根据PQ法估算所需串联的电感个数为：

PQ=LILImax/(BmKμj)

(3)

式中：

j——电流密度。

根据式(3)可知，采用12个电感串联时，可以达到需要的电感值，即单个电感值为2.642 mH。则电感匝数N为：

N=LfImax/(BmAe)

(4)

最大磁感应强度为：

Bm=LfImax/(NAe)

(5)

气隙为：

(6)

导线选择玻璃丝包扁铜线，其截面尺寸为2 mm×6 mm，有效截面积为11.79 mm2。通过计算可得，j为805 A/mm2，窗口系数Kμ为0.184。根据式(3)—式(6)，得到PQ=3.2×10-4m4,N=78，Bm=0.998 T,δ=30.2 mm。

2.3.7 吸收电容

吸收电容C取320 μF，则电容电压最大值VC,max为3 207 V。设定电网电压最大值为1 800 V，电流为100 A/50 Hz。选用DAWNCAP的4 000 V无感薄膜电容，型号为DHE4000K33和DHE4000K47各4个并联，组成320 μF的吸收电容。其外形尺寸如图12所示，参数如表1所示。

图12 吸收电容外形尺寸图

表1 吸收电容参数

2.3.8 阻尼电阻

阻尼电阻用于抑制感应电压吸收装置内部的LC谐振。阻尼电阻太大会影响吸收效果，阻尼电阻太小，会使得振荡时间太长，影响吸收的响应时间。根据相关仿真计算，得到阻尼电阻R为0.7 Ω。选择ZB-2型板型电阻器，具体型号为ZB2-0.7 Ω。经试验验证，其拥有良好的散热效果，且具有短时的抗过电流能力。电阻器的外形如图13所示。

图13 阻尼电阻外形图

2.3.9 投切晶闸管

投切晶闸管用于对LC滤波回路的快速投切。由于感应电流为双向，因此采用两个晶闸管模块进行反向并联。选用中车株洲电力机车研究所有限公司设计的KP8300-65型模块，其通态平均电流为300 A，反向重复峰值电压为6 500 V。

2.3.10 压敏电阻

压敏电阻用于在接触器切合时保护感应电压吸收装置的内部器件。其设计在接触器后级，选用Littelfus公司生产的BB系列压敏电阻，型号为V172BB60。该型压敏电阻的正常工作电压为2 150 V，瞬态吸收能量达到6 kJ/2 ms。

2.3.11 辅助电源

辅助电源为整个控制系统和控制继电器提供能量。辅助电源系统采用DC 24 V低压供电，设计功率为48 W。设计1个200 W变压整流器，将辅助供电的220 V交流市电转换为所需的电压。辅助电源电路原理图如图14所示。

图14 辅助电源电路原理图

设额定输入电压Vp为220 V，频率f为50 Hz，变压器效率η为0.95，不考虑整流桥效率。则输出电压Vo=24 V，输出电流Io为2 A，绕组电流密度J为6 A/mm2。因此，变压整流器绕组额定，原边参数为：Vp=220 V,Ip=0.23 A,Sp=0.038 mm2；副边参数为：Vs=20 V,Is=2.4 A,Ss=0.4 mm2。

选择变压器XCD 16 mm×32 mm×40 mm，设定最大磁通密度Bm为0.8 T，磁心AeAw=3.148 8×10-3m3。其尺寸如图15所示。其原边绕组匝数、副边绕组匝数、窗口系数核算如下：Np=2 518，Ns=229，Kμ=0.294。

图15 辅助电源变压器尺寸

3 感应电压吸收装置的安装

由于高铁与城际轨道交通并行区段属于宁和城际轨道交通的高架区间结构，土建结构施工时未考虑感应电压吸收装置安装空间，因此宁和城际铁路工程在该区间1、2变电所内的直流牵引母线上各设置1台感应电压吸收装置，共2套。感应电压吸收装置安装示意图如图16所示。

图16 感应电压吸收装置安装示意图

4 结语

本文对高铁与城际轨道交通同桥并行情况下，高铁对城际轨道交通所产生的电磁影响进行了定量分析与计算，并在此基础上给出了感应电压吸收装置的设计方案，详细阐述了该装置的功能及其部件选型。2017年12月6日，该装置与宁和城际轨道交通一期工程同步投入使用，且首次在高铁、城际轨道交通并线运行的过江大桥上得到应用。项目的成功实施，填补了国内高铁、城际轨道交通并线跨江运行时电磁感应干扰消除难题的技术空白，保障了城际轨道交通列车的行车安全，具有强大的技术示范效应，同时也为后续类似项目的实施提供了有益的借鉴和参考。