地铁列车通过绝缘结消弧方法的研究.pdf

第3 3 卷第1 期 2 0 0 4 年1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 3N O ．1 J a n ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 01 9 6 4 2 0 0 4 o l0 0 8 60 4 地铁列车通过绝缘结消弧方法的研究 李威1 ，赵 煜2 1 ．中国矿业大学机电与材料工程学院．江苏徐州2 2 1 0 0 8 2 ．广州地铁总公司建设总部，广东广州5 1 0 0 3 0 摘要列车通过安装有单向导通装置绝缘结处可能会产生电弧而烧损轨道．通过现场观察及试 验记录分析，电弧产生的原因是由于列车离开绝缘结瞬间电流突然减少而形成过电压，使得列车 后轮和绝缘结的一端满足了电弧产生的条件．针对这一情况，提出了带消弧功能的单向导通装 置消弧部分的设计思路，并制作样机在广州地铁使用，解决了列车通过绝缘结产生电弧烧损轨道 的问题． 关键词杂散电流；单向导通装置；电弧；消弧 中图分类号U2 3 1 ．8文献标识码A M e t h o do fE l i m i n a t i n gE l e c t r i c A r cT r a i nP a s s i n gT h r o u g hI n s u l t e dJ o i n t L IW e i l ．Z H A OY u 2 1 ．S c h o o lo fM e c h a t r o n i ea n dM a t e r i a lE n g i n e e r i n g ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a 2 ．G u a n g z h o uM e t r oC o r p o r a t i o n ，G u a n g z h o u ，G u a n g d o n g5 1 0 0 3 0 ，C h i n a A b s t r a c t A tt h et r a i np a s s i n gt h r o u g ht h ei n s u l t e dj o i n tw i t ht h eu n i l a t e r a lc o n n e c t i n gd e v i c e ，t h e e l e c t r i ca r cc a nb ec o m ei n t oe x i s t e n c et ob u r nt h er a i l ．A c c o r d i n gt Oo b s e r v a t i o nt e s ta n da n a l y s i si n l o c a l e ，t h er e a s o no fp r o d u c i n gt h ee l e c t r i ca r Ci st h a ta tt h et r a i nl e a v i n gt h ei n s u l t e dj o i n tt h eo v e r v o l t a g ei sp r o d u c e db e c a u s eo ft h ec u r r e n tr e d u c e da b r u p t l y ．T h e r e f o r et h ec o n d i t i o n so fp r o d u c i n g t h ee l e c t r i ca r ca r es a t i s f i e di nt h eb a c kw h e e lo ft h et r a i na n do n et e r m i n a lo ft h ei n s u l t e di o i n t ． A i m e dt Ot h i ss i t u a t i o n ，t h et h o u g h to fd e s i g n i n gt h eu n i l a t e r a lc o n n e c t i n gd e v m ew i t ht h ea r c s u p p r e s s i o nc i r c u i th a sb e e np u tf o r w a r d ，a n dt h ep r o t o t y p eh a sb e e na p p l i e di nG u a n g z h o um e t r o ． I th a ss o l v e dt h ep r o b l e mt h a tt h ee l e c t r i ca r cp r o d u c e da tt h et r a i np a s s i n gt h r o u g ht h ei n s u l t e d j o i n tt ob u r nt h er a i l ． K e yw o r d s s t r a yc u r r e n t ；u n i l a t e r a lc o n n e c t i n gd e v i c e ；e l e c t r i ca r c ；a r c s u p p r e s s i o nc i r c u i t 我国的地下铁道和轨道交通，基本上都采用走 行轨回流的直流牵引供电方式，由于走行轨不可能 达到完全对地绝缘，总有一部分电流漏人大地而形 成杂散电流．这种杂散电流的作用会对地铁周围土 壤中埋设的通信电缆、水管、煤气管道以及区间隧 道中的结构钢筋等金属管线产生腐蚀，破坏金属管 线的强度，降低其使用寿命．因此，有必要采取措施 降低杂散电流。减少其破坏作用．目前我国杂散电 流的防护一般都采取以“堵”为主、以“排”为辅，堵 排结合的原则，其宗旨是保证负排流的通畅．所谓 “堵”就是加强走行轨与道床结构及其他土建结构 的绝缘，“排”就是对泄漏的杂散电流进行收集和排 流．在一些特殊地段，如在车辆段的检修与停车库 中，过江隧道的进出口处等地方，在轨道上设置绝 缘结，并增加单向导通装置，对杂散电流进行防 护[ 1 。3 ] 。目前我国所有的地铁设计都采用此方案． 收稿日期2 0 0 3 0 5 1 2 作者简介z 李威 1 9 6 4 一 ，男，江苏省徐州市人，中国矿业大学副教授，工学硕士 博士研究生 ，从事智能仪表，机电控制方面的研究 万方数据 第l 期 李威等地铁列车通过绝缘结消弧方法的研究 但是，目前在使用传统的单向导通装置时，曾发现 在轨道的绝缘结处发生打火烧损轨道的现象“，从 另一个角度讲，对列车的运行安全是不利的，所以 应该采取措施解决这一问题．也就是说，应该研究 地铁列车通过绝缘结时产生电弧的原因，设计具有 消弧设施的单向导通装置。解决使用单向导通装置 时，解决轨道的绝缘结处打火烧损轨道的问题． 1绝缘结处电弧打火情况现场试验 在广州地铁一号线正线绝缘结处使用普通单 向导通装置曾发生电弧打火现象，从而停止使用了 单向导通装置，这对地铁的杂散电流腐蚀防护是极 其不利的．为了解决这一问题，需要对现场进行观 察试验．主要进行实时采集列车通过绝缘结时，绝 缘结处的瞬态电压和电流，并观察电弧打火情况． 所采用的试验方案和试验装置如图1 所示． 由于地铁结构的特殊性，在地铁运行过程中， 人员已经无法进入绝缘结附近的现场，所以在地铁 停运的时刻，安装具有远程通讯功能的电流电压数 据采集系统，试验人员在站台安全地方使用便携式 2 5 2 0 1 5 ≥1 0 5 0 5 扣 电弧较强 计算机采集记录数据，并根据所采集的数据进行分 析．以下是几组测量试验数据 一机车运行方向 标 H t s 4 8 5 通信 图1 现场试验方案示意图 F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g r a m Ⅱt e s ts c h e m ei nt h ef i e l d 1 列车通过绝缘结前的列车电流为9 2 0A 。 速度较快，列车离开绝缘结瞬问过电压已超过 2 5v ，产生比较强的电弧 图2 a ． 2 列车通过绝缘结前的列车电流为7 6 0A ， 速度较慢，列车离开绝缘结瞬问过电压已超过 1 5v ，产生的电弧较图2 a 弱 图2 b ． 3 列车通过绝缘结前的列车电流为5 7 0A ， 速度很慢，列车离开绝缘结瞬间过电压未超过 1 0V ，基本上没有电弧产生 图2 c ． b 电弧较弱 图2 绝缘结电压波形 F i g2 I n s u h e dJ o i n tv o l t a g eC U r v e s 2 使用单向导通装置在绝缘结处发生打火 的原因 通过对安装有单向导通装置的绝缘结处进行 实际观察，发现一般都是列车车轮离开绝缘结时， 产生强烈的电弧而烧损轨道．而一般在电路中产生 电弧，都是在电源电压足够高、电流足够大的情况 下，将电路中的开关打开 或断线 时，会产生电弧． 形成这种电弧的物理过程如下在打开开关的瞬 间，两触头之间产生3 种电离现象1 电弧间隙的 撞击电离；2 气体高温产生的电离；3 热电子放 射产生的电离． 3 种电离共同作用的综合结果是，在断开的两 触头之间形成密度很大的电子流和离子流，这就是 电弧．电弧的特点是1 电流密度大；2 单位长度 的电压降较低f 3 温度很高． 0 。烈⋯． 【L ■2 2 2 9 U H 5 c 无电弧 根据电弧理论可知，如果电路中电压大于1 0 ～1 2V ，且电流大于8 0 ～1 0 0m A ，分开的触头之 间就会产生电弧．该电压和电流值是两个重要的特 征参数．一般情况下，触头的电压和电流小于极限 发弧点的电压和电流值，不会产生电弧． 图3 为列车通过安装有单向导通装置的绝缘 结A B 的示意图．由于二极管的单向导通特性，只 有绝缘接头B 点的电位高于A 点的电位，轨道电 流从单向导通装置的二极管流过，如果绝缘结A 点的电位高于B 点的电位，轨道电流无法通过．如 果A 点电位高于B 点电位发生在列车通过绝缘接 头的瞬间，列车后车轮与绝缘接头A 点发生瞬间 断电或电流突然变小，此时会在A B 两点产生过电 压，在A B 绝缘结的间隙中满足了电弧产生的条 件，所以可以产生电弧而烧损轨道，此种情况发生 在列车通过绝缘结前已处于再生制动或者单向导 ．●h一 毒 0八．盲 √磁 万方数据 中国矿业大学学报 第3 3 卷 通装置的安装工艺有问题 如安装距离绝缘结过 远 所致．由于列车相当于电感与电阻的串联负载， 在电路中等效R L 串联负载，模拟等效电路图如图 4 所示 图3 列车通过安装有单向导通装置绝缘结示意图 F i g ．3S c h e m a t i cd i a g r a mo ft r a i ng o i n g8 c r o s s i n s u l t e dj o I n tw i t hu n h a t e r a lc o n n e c t i n gd e v i c e 图4 列车通过安装有单向导通装置绝缘结模拟等效电路图 F i g ．4S i m u l a t i n ge q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a m o ft r a i ng o i n ga c r o s si n s u l t e dj o i n tw i t h u n i l a t e r a lc o n n e c t i n gd e v i c e 图4 表示在列车进入绝缘结前已处于再生制 动工作状态，绝缘结相当于一个开关K ，当列车离 开时，开关K 断开，如图5 a 所示．电源开关K 断开 瞬间，在电感L 的两端产生感应电势e z ，图5 b 为 计算开关K 触头过电压等值电路图，其微分方程 为 诅 电野目巾 昔但电话 图5R L 串联电路切断电源等效图 F i g ．5 E q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a mo fR Ls e r i e sc i r c u i t 工d 出i 1 1 ．_ 尺∞ R 屯；0 ． 1 解微分方程得 泸蛔。 一掣t ， ㈣ 一凇。一蹦一- 一墨气笋t ’ ㈤ I L U 2 R U , ， 4 式中L 为线圈电感；R 为电路中的电阻，n ；R 。开 关打开后电路被切断，断路的等值电阻；o 。为开关 打开时刻加于开关两触头间的电压，v ；u 。为开关 打开时刻再生制动电压；u 。为开关打开时刻整流 电源电压；，。为切断电源时刻电感中的电流，A ． 列车离开轨道绝缘结瞬间，绝缘结与车轮之间 的电流和电压很容易超过电弧产生的条件，尤其是 列车运行时的电流很大，所以可以产生电弧而烧损 轨道． 3 具有消弧功能的单向导通装置 为了保证使用单向导通装置在任何情况下不 产生电弧而烧损轨道，需要研制具有消弧功能的单 向导通装置．一般情况下，R L 电路回路开关断开 时，根据公式 2 和公式 3 可知，若切断电源是发 生在i 0 的时刻，开关两触头的电压“。和电流i 。 均等于零．显然选在列车通过绝缘结时不可能满足 此条件．所以只有使列车通过绝缘结时，绝缘结处 不会出现电流断流的情况．具体来讲，在单向导通 装置的主回路上并联可以控制的大功率电子开关， 单向导通装置的控制装置始终监测绝缘结两端电 压u A B ，当u m 大于某一个数值时，大功率电子开关 短路，把绝缘结A B 两端短路，从而列车离开绝缘 结时，满足不了电弧产生的条件，不可能产生电弧 而烧损轨道．具体实施如图6 所示． 图6 带消弧功能单向导通装置原理示意图 F i g ．6 S c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ep r i n c i p l eo fu n i l a t e r a l c o n d u c t i n gd e v i c ew i t ha r c s u p p r e s s i o nc i r c u i t 大功率电子开关可以选择直流接触器或可控 硅．由于列车运行频率较高，所以有可能开关频率 较高，影响器件的使用寿命，最好选用大功率可控 硅．可控硅的耐压等级应高于牵引直流电源最高电 压的2 倍，额定电流与牵引直流电源的额定电流相 等，为保证其可靠性，最好使用多个可控硅并联使 用． 绝缘结处单向导通装置的二极管在占点的电 位高于A 点时导通，当A 点电位高于B 点时，列车 通过绝缘结时形成了电流断路，所以形成了电弧． 因此具有消弧功能的单向导通装置就是要确保 u m 大于某一值u 。时，绝缘结具有电流通路，可控 万方数据 第1 期 李威等地铁列车通过绝缘结消弧方法的研究 硅的工作特性满足了这一要求．单片机系统实时检 测绝缘结两端的电压u m ，当检测到U A 8 ≥U 。时， 单片机系统的触发电路给可控硅输出触发脉冲，可 控硅导通，防止机车离开绝缘结时，出现电流突变 的情况，从而避免了电弧的产生．单片机系统检测 U 。，控制可控硅触发应保证快速性和同步性，A D 转换器应选用转换时问小于6p s 的A D 转换器 件，单片机选用1 6 位8 0 C 1 9 6 系列单片机，保证采 样运算的快速性．另外由于地铁运营的特殊性，列 车运行时，人员无法到达现场，使得系统的现场调 试很困难．远程控制器[ 5 ] 可以监测绝缘结处带消弧 功能的单向导通装置的运行情况，可以实时测量到 绝缘结两端的电压u ”，并可以设置阀值电压u 。， 因此带消弧功能的单向导通装置的现场调试就可 以在远离绝缘结的安全地点使用远程控制器进行 调试，根据列车的运行情况设置阀值电压砜，保证 列车通过绝缘结时，不会产生电弧而烧损轨道． 4 结论 在轨道的特殊地段设置绝缘结并安装单向导 通装置是防止杂散电流的有效手段之一．但安装普 通形式的单向导通装置，有可能在列车通过绝缘结 时产生电弧而烧损轨道，这对列车的安全运行是不 利的，经过试验研究和理论分析，并制做带消弧功 能的单向导通装置在现场使用，可以得出以下结 论 1 电弧的产生是在列车离开绝缘结时，列车 后轮与绝缘结一端产生电弧，由于列车电流很大， 所以其电弧能量足以烧损轨道； z 列车离开绝缘结产生电弧的机理如同开关 开断电感、电阻负载的机理一样，由于断路过程中 产生过电压，使得断路触点的电压和电流很容易满 足产生电弧的条件； 3 列车通过安装有单向导通装置的绝缘结 时，之所以产生电流突然减少或断流的情况，是因 为在列车通过绝缘结之前已处于再生制动状态或 者单向导通装置的安装工艺不合理造成的； 4 避免列车通过安装有单向导通装置的绝缘 结产生电弧，可采用具有消弧功能的单向导通装 置，利用大功率可控硅的开关特性，在列车通过绝 缘结时，触发可控硅，避免相对于单向导通装置二 极管反向电压的出现，从而满足不了电弧产生的条 件； 5 所开发的带消弧功能的单向导通装置已在 广州地铁一号线的花地湾芳村站之间的隧道 口绝缘结处使用，原先没有采取消弧措施时，绝缘 结出有明显的轨道烧损痕迹，使用了带消弧功能的 单向导通装置后，彻底解决了列车通过绝缘结产生 电弧的问题，取得了较好的效果． 参考文献 [ 1 ] 张洪儒，张佩春。包国兴．地铁杂散电流腐蚀防护技 术规程 C J J 4 9 9 2 [ M ] ．北京t 中国计划出版社， 1 9 9 3 ．7l O ． [ 2 ] 柯切里尼柯夫AB ．纳乌莫夫AB ．接地设备对轨道 电路的影响[ M ] ．林培聪．译．北京。中国铁道出版 社，1 9 8 6 ．5 7 6 1 ． [ 3 ] 黄德亮．关于地铁杂散电流的防护[ J ] ．电气化铁道， 2 0 0 0 3 5 2 5 4 ． [ 4 ] 汪圆圆．杂散电流分区域防护的研究口] ．铁道标准设 计．2 0 0 2 6 ，8 4 8 5 ． [ 5 3 李朝青．单片机原理及接口技术[ M ] ．北京，北京航空 航天大学出版社，1 9 9 9 ．2 1 0 2 1 6 ． 责任编辑陈其泰 万方数据