地铁接触网短路状态下钢轨电位和限压保护装置研究

发布时间：2022-01-15

　　摘要：文章根据地铁供电网络的运行特点，创建其电路模型，以接触网短路为基本仿真分析条件，探讨钢轨电位及装置保护点晶闸管的电流，可为相关研究提供参考。

　　关键词：接触网;短路电流;钢轨电位

　　1、工程概况

　　深圳地铁 5 号线工程总长 40.001km，包含高架线 3.424km、地下线路 35.801km、过渡段 0.776km，沿线共设站 27 座，平均站间距 1.454km，采用集中供电的模式。接触网地下段为 1500V 架空刚性悬挂，高架、地面及停车场采用 1500V 架空柔性悬挂。

　　2 直流牵引供电网络模型创建

　　2.1　直流牵引供电网络

　　供电臂的运行为双边供电模式，配置在两端的整流器协同运行，向供电臂同步供电。整流器电源模块中采取正极接接触网、负极接钢轨的方式。于轨枕下方设置排流网，主要功能为汇聚杂散电流，正常运行状态下杂散电流极为微弱，因此该排流网几乎处于闲置状态，此时其与整流器负极保持彼此错开的关系。

　　2.2　供电网络模型及参数

　　在整个供电网络的组成中，如接触网、排流网及钢轨均有特定的电阻值，同时钢轨与排流网间形成某特定的过渡电阻，根据该关系在供电臂双边供电原理图的基础上优化，得到简化的供电网络，如图 1 所示。

　　2.3　集中参数单元电路模型

　　以图 2 为依据展开分析，假定图中各电阻参数均具有线性特征，在此条件下按 100m 的长度标准可形成多个集中参数单元电路。由于供电臂的总长 2km，数量共计 20 个，彼此间具有串联的关系。

　　2.4　整流器电源模型

　　根据图 1，两个整流器可被视为实际电源 1 和 2，其具有共同供电的工作关系。同时两个实际电源等效的理想电压源与内阻 R0 在经过串联处理后可组成整流器的电源模型。

　　2.5　单个供电臂供电网络模型

　　单个供电臂长 2km，按照 100m 的标准划分形成 20 个单元电路。在整流器 1 中，该处的正极与负极跨接至单元 1 中(具体接入电阻 R4 和 R1 的两端);在整理器 2 中，两个电极跨接在单元 20 中(具体接入电阻 R4 和 R1 的两端)。在采取该连接方式后等同于整流器的正极经由馈电线实现与接触网的连接，其负极经由回流线实现与钢轨的连接。

　　3 短路状态下 OVPD 保护装置处钢轨对地电位和电流

　　3.1　工作原理

　　OVPD 保护装置能够全面监测钢轨和排流网间点位，及时采集钢轨对地点位，在该值超出许可范围后装置做出动作，将监测点钢轨与地短接，经此操作后迫使钢轨电位维持在零电位的状态。 OVPD 保护装置存在一套特定的保护动作逻辑顺序，如表 1 所示。

　　结合表 1 可知，若 A、B 两点间的电压绝对幅值异常增加(超过 600V 的情况)将及时触发 OVPD 保护装置，向晶闸管发送触发脉冲，此后根据两点电位展开判断，若 A 点电位高于 B 点，晶闸管 T1 处于导通的状态，反之具有晶闸管 T2 导通的情况。依托于晶闸管的快速导通特性，能够在较短的时间内使A、B两点短路，期间接触器触点闭合，进一步改变晶闸管的特性，使其维持截止状态，保证电气装置的安全性。

　　3.2　供电网络短路时 OVPD 装置处电位

　　在与整流器相距 150m 的区域布设 A 点作为重点探讨对象。供电网络短路状态示意图如图 3 所示，可知 A、B 两点的电压可反映钢轨对地电位。在两个整流器中可能出现正极对负极短路、正极对排流网短路的情况，对应至图中指的是 C 对 D 和 E 短路，G 对 H 和 J 短路。从接触网运行状态的角度来看可能出现对钢轨短路的情况，即图中 F 点对 A 点出现短路。

　　在整个 1km 的接触网中，任何点均有可能对钢轨短路，表明其不具备极值特性，但此处暂不对该问题展开探讨。依托于 multism 软件展开模拟仿真操作，考虑到多种短路条件分别确定 OVPD 装置的电位情况，所得结果如表 2 所示。

　　3.3　供电网络短路时流经 OVPD 装置处短路电流

　　结合表 1 和表 2，通过分析可知无论何种形式的短路，相比于 OVPD 装置动作限值，A 点电位均偏高，具体的动作类型表 3 所示。从 OVPD 接触器运行状态的角度切入，若其常开触点闭合或晶体闸管 T2 处于导通的状态，均存在 A 和 B 点被短路的情况。去除电阻 R3 用短接线代替，短路电流将经过 OVPD 装置，具体用 Ik 表示。

　　取上述所提的各类短路类型分别展开模拟仿真分析，探讨短路电流 Ik，结果如表 4 所示。

　　根据表 4 可知：C 点对 D 点短路，短路电流流经接触器常开触点，方向向下，此现象在 F 点对 A 点短路中亦是如此;在 G 点对 H 点短路时，短路电流依然与之具有相同的流动路径，但不同的是方向向上。

　　4 OPVD 装置中晶闸管参数选择

　　在 C 点对 E 点短路的条件下，表现出 A 点对 B 点电位最高的特点，可得到如图 4 所示的结果。

　　图 4 中，t1 为晶闸管 T2 触发导通时刻，取 0.005ms;t2 为接触器常开触点动作闭合时刻，取 10.000ms;ton 为晶闸管 T2 正向导通时间，取 9.995ms。

　　根据图 4 分析，在短路的条件下若发生 0.005ms 的延时，晶闸管 T2 在触发下发生转变，即正向导通，该状态持续至接触器常开触点闭合时便不再显现，整个过程中导通时间约 10.000ms。

　　5 OVPD 保护装置在接触网中的主要作用

　　供电臂接触网运行期间，若处于短路的状态均会随即触发 OVPD 保护装置，使其发出特定的动作，由此发挥出短接保护点对地电位的作用，以达到抑制钢轨对地电位的效果。但无论如何，一旦出现接触网短路现象均伴有较大的安全隐患，设备及人员均会受到其影响。

　　主触点和晶闸管为 OVPD 保护装置中的重要装置，可实现短接。从成本的角度来看，大功率的晶闸管所需的采购成本较高，为兼顾技术可行性和经济效益性的双重要求，采取电路模拟仿真的方法，对晶闸管两端的工作状态展开分析，包含反向不重复峰值电压、浪涌电压等，以便给晶闸管的选择提供可行的参考。

　　6 结语

　　接触网短路的故障覆盖范围较广，影响其短路电流的原因包含但不局限于钢轨或接触网的纵向电阻、钢轨对地过渡电阻，但在正极对地短路的条件下可削弱该类因素对短路电流所造成的不良影响，并触发 OVPD 保护装置，使其发生动作。运维人员在日常工作中应按照规范加强对接触网整流器的检查，确保接触网维持正常运行的状态。——论文作者：潘卫波

　　参考文献 [1] 唐靖坤，刘炜 . 单向导通装置和钢轨电位限制装置对钢轨电位影响的仿真研究[J].城市轨道交通研究，2020(1)： 87-91，95.