自动排流柜的设计

图 1 固定限流电阻排流示意图
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城市轨道交通研 究
2008年
二极管保证单向导通 ,使杂散电流只能从排流 网流进钢轨 ,不允许从钢轨中流出 ,否则车站上的轨 道电路信号将发生错乱而造成重大事故 。
固定限流电阻的作用是控制特殊情况下在排流 网中出现的特大杂散电流 。例如 :轨道接缝电阻增 大 、轨道与结构钢筋间的电位差超过 92 V 时 ,轨道 限位装置的接触器就发生动作 ,使轨道与主体结构 钢筋联接在一起 ,而主体结构钢筋与排流网结构钢 筋之间的过渡电阻很小 ,因此排流网与轨道并联在 一起 。如果某地铁排流网的截面为 1 600 mm2 ,则 该排流网的电阻为 0. 16 Ω / km; 60 kg /m 钢轨的电 阻为 0. 026 Ω / km , 故 两 根 钢 轨 的 并 联 电 阻 值 为 0. 013Ω / km。假如轨道中通过的负荷电流为 2 000 A ,这时排流网中流过的电流为 260 A ,这样大的电 流有可能烧坏排流柜 ,因此需要设置固定式限流电 阻来限制电流 。固定式限流电阻的电阻值可选在 2 ～10Ω范围内 。
1 杂散电流防护的两种方法
1. 1 加强轨道与轨枕间的绝缘 在轨道与混凝土轨枕之间 、扣件与混凝土轨枕
之间采取绝缘措施 ,以减少钢轨的漏泄电流 。这样 做可使单根钢轨支撑处的绝缘电阻达到 106 Ω 以 上 ,轨道对道床的过渡电阻值可达到行业标准要求 的 15Ω ·km 以上 。如上海轨道交通 1号线在 1995 年 6 月测试的轨道对排流网的过渡电阻值为 50Ω ·km。可见这项措施的效果是非常明显的 。 1. 2 道床内铺设排流网
2 两种排流方法
2. 1 固定限流电阻排流方法 地铁中使用的排流方法如图 1:经过二极管 D
及固定限流电阻 R ,把排流网与轨道连接在一起 ,使 排流网中的杂散电流流回牵引变电所的负母线 。
杂散电流对地铁隧道结构钢筋及地下金属设施 会产生严重的腐蚀 。由于这种腐蚀的隐蔽性和突发 性 ,一旦发生事故 ,往往会出现灾难性的后果 [ 1] 。因 此对于杂散电流危害的防护是一个十分重要的问题 。 对地铁中杂散电流的危害及其防护 ,文献 [ 1 - 5 ]已进 行了较充分的分析研究。本文主要介绍排流方法 ,分 析排流的工作状态 ,并设计了一种处于理想排流状态 的自动排流柜 ,使杂散电流防护达到最佳效果 。
用 IGBT与固定限流电阻并联 ,组成可调的限 流电阻 ;根据 IGBT不同的占空比 ,产生不同的限流 电阻值 。
占空比 α = t1 / T 其中 : T = t1 + t2
则回路的等效电流 Idx = ( I1 t1 + I2 t2 ) / T 式中 :
T——— IGB T的工作周期 ; t1 ——— IGBT在工作周期导通时间 ; I1 ——— IGB T导 通 时 回 路 中 的 杂 散 电 流 , I1 = 2ΔV /Rg ;
图 3 理想排流示意图
3 自动排流的工作原理
所谓自动排流 ,是指排流柜上的限流电阻根据 排流网上结构钢筋极化电位瞬时值的大小能自动进 行调节 。排流系统中的等值电路如图 4。图中 : 2ΔV 为轨道通过负荷电流时产生的电压降 ; Rg 为供电区 间的过渡电阻 ; R 为排流柜内的限流电阻 ; IGBT为 绝缘栅双极晶体管 ; I为杂散电流 。
地铁隧道内的道床一般为整体固定道床 。整体 道床每个结构段大约长 50 m。新建地铁大都将各 段道床内的结构钢筋焊成一电气整体 ,称之为道床 排流网 ,并将各段道床排流网通过电缆相连 ,使道床 内形成低电阻杂散电流通道 ,引至变电所的负极 。
根据 EN 50162标准的要求 ,各牵引区段在排流 网上的纵向电压降应小于 0. 1 V。用排流网上纵向 电压降的允许值及各区段的杂散电流值 ,计算出排 流网截面积都在 1 000 mm2 以上 。
图 2 固定限流电阻排流电位分析图
2. 2 可变限流电阻排流方法 如上所述 ,经固定限流电阻排流法排流以后 ,
ΔVwk.baidu.com″仍可能超过 0. 5 V。这种排流状态称为“欠排 流 ”。因此可减小限流电阻值 ,或使其为零 。这样 , 可使回流点附近排流网结构钢筋的极化电位小于
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图 4 排流系统中的等值电路
5 结语
在城市地铁建设中 ,对杂散电流进行防护非常 必要 ,因此要装设排流网及排流柜 。排流设备应能 实现自动排流 ,使排流柜处于最佳工作状态 ,避免因 列车负荷变化所出现的过排流和欠排流状态 。
自动排流柜可独立使用 ,也可与杂散电流自动 监测系统配套使用 ,通过实时监测杂散电流腐蚀与 防护的情况 ,为地铁的安全运行创造条件 。
D esign of the Automa tic D ra inage Cab inet Zhang D ong liang, L i Feng, L i B ao ’en, Zhang Yab in, D eng W ei, W ang Zh ihong Abstract The s tray cu rren t occu rs in the runn ing of m e tro trains, and often causes serious co rrosion of the s tructu ral s teel re info rcem en t of m e tro tunne l and the unde rg round m e tallic fa2 c ilities. In th is p ap e r, the haza rd of stray cu rren t and the w o rk2 ing p rincip le of the au tom a tic d ra inage m e thod a re in troduced. O n th is bas is, the des ign of an au tom a tic d ra inage cab ine t is d iscussed, w h ich cou ld be used indep enden tly o r toge ther w ith the au tom a tic m on ito ring sys tem fo r s tray cu rren t, aim ing at decreas ing its hazard to the low es t p oss ib le leve l. Key words ra il trans it; stray cu rren t; au tom a tic d ra inage; in2 ductive res istance F irst2author’s address S choo l of Info rm ation & E lectrical Eng ineering, C h ina U n ive rs ity of M in ing and Techno logy, 221008, X uzhou, C h ina
第 7 期
技术资料
t2 ——— IGBT在工作周期关断时间 ; I2 ——— IGB T关 断 时 回 路 中 的 杂 散 电 流 , I2 = 2ΔV / (Rg + R ) 。 回路中的等效电阻 Rdx = 2ΔV / Idx。 其限流电阻 Rx = Rdx - Rg。 通过以上分析可看出 ,改变 IGBT的占空比 ,就可以 改变限流电阻值。α =1时 , Rx =0;α =0时 , Rx =R。 轨道中的负荷电流大时 ,杂散电流较大 ,轨道上 产生的电压降较高 。提高 IGBT的占空比 ,减小可 变限流电阻值 ,可以控制排流网上回流点处的极化 电位不超过 0. 5 V ,避免欠排流 。同理 ,轨道中的负 荷电流小时 ,杂散电流较小 ,轨道上产生的电压降较 低 ,降低 IGBT的占空比 ,增大可变限流电阻值 ,可 以避免过排流 。
固定限流电阻排流方法的排流网结构钢筋的极 化电位图如图 2所示 。当列车在运行中负荷电流很 大时 ,在回流点附近 ,轨道与排流网间的电位差 ΔV 值很大 ,因此排流网结构钢筋与水泥基础间的电位 差 (极化电位 )ΔV ″也很高 (ΔV 与 ΔV ″成正比 ) ,很容 易超过 0. 5 V ,导致结构钢筋产生腐蚀 。这是固定 限流电阻排流方法的缺点 。
R1 ———电阻器 ,其阻值很高 ,与 IGBT并联 ,组 成可调的限流电阻 。
IGBT———绝缘栅 双 极 型 晶 体 管 , 与 电 阻 器 并 联 ,根据不同的占空比组成可调的限流电阻 。
参考文献
[ 1 ] 王志宏. 杂 散 电 流 及 其 防 治 [ M ]. 北 京 : 煤 炭 工 业 出 版 社. 1986.
4 自动排流柜
根据自动排流的工作原理 ,研制了自动排流柜 。 其主回路图和控制回路方框图如图 5所示 。
B ———电流霍尔传感器 ,用来测试排流电流 。 T———快速熔断器 ,用来做过流保护 。 排流时 ,杂散电流经二极管 、固定限流电阻 、可 变限流电阻 、电流霍尔传感器 、快速熔断器流回牵引 变电所的负母线 。 本装置的限流电阻由两部分组成 :一为固定限 流电阻 ;二为 IGBT与电阻器并联 ,为限流电阻的可 调部分 。 IGBT为斩波调阻单元 ,根据驱动模块发出 的信号可靠地进行开 、断 ;电阻器自动进行调节 。 本装置的控制原则是 :采用排流网结构钢筋极 化电位 0. 5 V 作为自动排流的设定量 ,通过参比电 极测出排流网结构钢筋与水泥基础间的电位差 ,作 为反馈信号与设定量进行比较 ;然后送至单片机 ,控 制驱动模块 ,向 IGBT发出闭合 、开通信号 ,进行斩 波调阻来改变可调限流电阻的阻值 ,使排流柜工作 在理想状态下 。 本装置在地铁现场实际应用中 ,可根据地铁的 实际参数和状态 ,对排流柜进行相关的设定和调节 , 使地铁排流网结构钢筋 、隧道结构钢筋和其它埋地 金属受到较好的保护 。
0. 5 V ,或接近零 。这种排流状态叫做“过排流 ”。 在过排流状态下 ,杂散电流对结构钢筋的腐蚀危害 较小 ,但在列车负荷端 ,ΔV 增加 ,钢轨限位装置有发 生动作的可能 。
过排流、欠排流都不是理想的排流状态 。限流电 阻应是可变的 ,并使 ΔV ″保持 0. 5V。用 ΔV ″自动控制 限流电阻 R才可能实现理想排流 (如图 3所示 ) 。
图 5 自动排流柜主回路和控制回路方框图
主回路由以下元件组成 : D ———大功率二极管 ,用来保证极性排流 ,只允
许杂散电流流回电源负极 ,不允许流出 (电机车发 电反馈时有流出的可能 ) 。
R2 ———固定限流电阻 ,阻值很小 。当发生排流 网与轨道短路故障时 , IGBT也导通 ,杂散电流将很 大 ,会烧坏二极管 D,因此用固定限流电阻来限制 电流 。
第 7 期
技术资料
自动排流柜的设计
张栋梁 1 李 锋 2 李宝恩 2 张亚斌 2 邓 薇 1 王志宏 1
(1. 中国矿业大学信息与电气工程学院 , 221008,徐州 ; 2. 中国北车集团永济电机厂 , 710016,西安 ∥第一作者 ,讲师 ,博士研究生 )
摘 要 杂散电流对地铁隧道结构钢筋及地下金属设施产 生严重的腐蚀 ,为此需装设排流网及排流柜 。分析了排流法 的工作原理 ,讨论排流的不同工作状态及其对杂散电流腐蚀 和轨道交通安全的影响 。在阐述自动排流基本原理的基础 上 ,设计了一种能自动实现合理排流的排流柜 。该装置可独 立使用 ,也可与杂散电流自动监测系统配套使用 ,把杂散电 流的危害降至最低 。 关键词 轨道交通 ; 杂散电流 ; 自动排流 ; 限流电阻 中图分类号 U 284. 26 + 1
[ 2 ] 李 威. 地铁杂散电流的监测与防护 [ J ]. 城市轨道交通研究 ,
2003 ( 4) : 48. [ 3 ] 郝卫国. 城市轨道交通杂散电流的防护 [ J ]. 城市轨道交通研