南京寧和城際軌道交通大勝關(guān)橋感應(yīng)電壓吸收裝置設(shè)計(jì)

林曉偉 豐瀚麟

(1.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，210061，南京;2.南京麥格安倍電氣科技有限公司，211100，南京 ∥ 第一作者，高級(jí)工程師)

南京寧和城際軌道交通一期工程大勝關(guān)橋區(qū)段與滬漢蓉鐵路(設(shè)計(jì)速度為250 km/h)和京滬高鐵(設(shè)計(jì)速度為380 km/h)同橋并行3.674 km。這種特殊情況在國(guó)內(nèi)外尚屬首例。寧和城際軌道交通上、下行線路分別位于滬漢蓉鐵路和京滬高鐵外側(cè)，與兩線的線間距分別約為8.2 m和8.4 m，如圖1所示。

圖1 大勝關(guān)橋區(qū)段各線路接觸網(wǎng)位置示意圖

京滬高鐵及滬漢蓉鐵路均為國(guó)家鐵路大動(dòng)脈，且均采用AT(自藕變壓器)供電方式，牽引供電為交流27.5 kV，牽引電流每線約為1 000～1 200 A；而寧和城際軌道交通采用直流1 500 V電壓供電。兩者在供電制式及電壓等級(jí)上存在很大差異。高鐵接觸網(wǎng)在電磁影響下，作為干擾源通過(guò)感性和容性耦合，會(huì)在線間距不超過(guò)9 m的城際軌道交通接觸網(wǎng)、鋼軌等與其平行敷設(shè)的導(dǎo)體上產(chǎn)生電磁和靜電感應(yīng)，其產(chǎn)生的感應(yīng)電壓會(huì)對(duì)維護(hù)人員的人身安全產(chǎn)生嚴(yán)重危害；同時(shí)城際軌道交通通信、信號(hào)等系統(tǒng)也易受高鐵接觸網(wǎng)電磁感應(yīng)和電磁干擾的影響，甚至?xí)?yán)重危害設(shè)備運(yùn)行安全，造成不可挽回的損失。因此，研究高鐵與城際軌道交通同橋并行情況下，高鐵對(duì)城際軌道交通所產(chǎn)生的電磁影響，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的感應(yīng)電壓吸收裝置，是解決上述難題的有效途徑。

1 靜電感應(yīng)電壓計(jì)算

南京寧和城際軌道交通一期工程在大勝關(guān)橋上采用架空柔性接觸網(wǎng)DC 1 500 V供電，鋼軌回流。直流牽引供電系統(tǒng)的電壓及其波動(dòng)范圍應(yīng)符合如下規(guī)定：在任何運(yùn)行方式下，接觸網(wǎng)最高電壓不得高于最高值1 800 V；高峰小時(shí)負(fù)荷時(shí)，全線任一點(diǎn)的電壓不得低于最低值1 000 V。

并行區(qū)段接觸網(wǎng)于大勝關(guān)橋主橋兩側(cè)分別設(shè)置絕緣錨段關(guān)節(jié)，由區(qū)間牽引變電所1、2組成雙邊供電回路，如圖2所示。

圖2 大勝關(guān)橋區(qū)段各線路示意圖

本文對(duì)高鐵停運(yùn)后，接觸網(wǎng)帶電AC 2×27.5 kV的場(chǎng)景進(jìn)行分析。此場(chǎng)景下，高鐵接觸網(wǎng)正常送電，對(duì)城際軌道交通接觸網(wǎng)主要產(chǎn)生靜電感應(yīng)電壓。根據(jù)電場(chǎng)效應(yīng)，建立如下靜電感應(yīng)電壓計(jì)算模型，如圖3所示。

圖3 靜電感應(yīng)電壓計(jì)算模型

高鐵接觸網(wǎng)正常通電時(shí)對(duì)城際軌道交通接觸網(wǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓ΔUg為：

ΔUg=KjUjbc/(a2+b2+c2)

(1)

式中：

Kj——感應(yīng)系數(shù)，京滬高鐵與滬漢蓉鐵路均為復(fù)線，取0.6；

Uj——高鐵接觸網(wǎng)或正饋線電壓。

將京滬高鐵、滬漢蓉鐵路接觸網(wǎng)及正饋線相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1)，分別計(jì)算高鐵接觸網(wǎng)對(duì)城際軌道交通接觸網(wǎng)的感應(yīng)電壓值后再進(jìn)行疊加，從而得到相應(yīng)的感應(yīng)電壓值。在不考慮京滬高鐵與滬漢蓉鐵路上、下行相位差的情況下，通過(guò)計(jì)算得出高鐵接觸網(wǎng)對(duì)城際軌道交通接觸網(wǎng)產(chǎn)生的靜電感應(yīng)電壓約為373.8 V。

2 感應(yīng)電壓吸收裝置設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案

感應(yīng)電壓吸收裝置系統(tǒng)采用電感與電容串聯(lián)的電路進(jìn)行穩(wěn)壓濾波。高鐵線路正常運(yùn)行時(shí)，會(huì)引起城際軌道交通接觸網(wǎng)感應(yīng)電壓瞬間升高，其最大值可能達(dá)到400 V左右，感應(yīng)電流最大值為100 A。GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：電壓的允許值范圍為1 000～1 800 V，因此只要將該瞬間升高或者降低的電壓通過(guò)LC(電感電容)串聯(lián)諧振電路的方式進(jìn)行濾波，實(shí)現(xiàn)削峰填谷，將接觸網(wǎng)供電電壓穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)其對(duì)感應(yīng)電壓的吸收作用，就可以保證在出現(xiàn)極端感應(yīng)電壓的情況下城際軌道交通供電系統(tǒng)正常運(yùn)行。

感應(yīng)電壓吸收裝置系統(tǒng)邏輯如圖4所示。該裝置主要包括配電系統(tǒng)、吸收電路及保護(hù)控制系統(tǒng)等3個(gè)部分。配電系統(tǒng)包括隔離開(kāi)關(guān)K1、接觸器K2、放電接觸器K3、熔斷器F1以及控制這些部件的配電繼電器等；吸收電路包括投切晶閘管Q、電感L、電容C、阻尼電阻R1和放電電阻R2；保護(hù)控制系統(tǒng)包括保護(hù)測(cè)控單元、隔離放大單元、電壓轉(zhuǎn)換單元、輔助電源及其配套傳感器等。

圖4 感應(yīng)電壓吸收裝置系統(tǒng)邏輯圖

2.2 裝置功能

感應(yīng)電壓吸收裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)工頻感應(yīng)電壓的吸收，保證接觸網(wǎng)工作電壓在1 000～1 800 V額定范圍內(nèi)；該裝置也可以通過(guò)最大過(guò)流保護(hù)或電流增量保護(hù)等實(shí)現(xiàn)故障錄波功能，采樣率不小于10 kHz，可提供波形查看窗口，并實(shí)現(xiàn)錄波文件的遠(yuǎn)傳。

2.3 部件選型與設(shè)計(jì)

2.3.1 隔離開(kāi)關(guān)

隔離開(kāi)關(guān)是一個(gè)應(yīng)用于直流牽引變電站的無(wú)載開(kāi)關(guān)，用于線路的接通和隔離，可有效隔斷電網(wǎng)的正負(fù)線。作為DC 1 500 V接觸網(wǎng)與感應(yīng)電壓吸收裝置的隔離，隔離開(kāi)關(guān)須在不帶負(fù)載的情況下進(jìn)行分?jǐn)唷D5為該型隔離開(kāi)關(guān)的外觀樣式。其具體型號(hào)為賽雪龍雙刀型SWS1820MA2ZB1，額定電壓為DC 1 800 V，額定電流為2 000 A，采用人工方式操作。隔離開(kāi)關(guān)使用機(jī)械鑰匙鎖鎖定，具有結(jié)構(gòu)緊湊、短時(shí)耐受電流能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

圖5 高壓隔離開(kāi)關(guān)

2.3.2 熔斷器

熔斷器用于開(kāi)斷感應(yīng)電壓吸收裝置內(nèi)部的短路故障。熔斷器作為保護(hù)環(huán)節(jié)，其短路開(kāi)斷過(guò)程中的電弧能量值很高，并且由于直流系統(tǒng)燃弧電壓無(wú)過(guò)零，使得安全熄滅直流電弧要比分?jǐn)喙I(yè)電氣系統(tǒng)的交直流短路更為艱難。因此，所選擇的熔斷器必需具備優(yōu)異的高分?jǐn)嗄芰?、?qiáng)大的限流能力、短暫的熄弧時(shí)間以及消除全部燃弧能量的可靠性；同時(shí)，熔斷器還需具備正常運(yùn)行20年不熔斷的耐過(guò)載、抗老化等工作性能。

熔斷器的額定電流INF是以電路中實(shí)際流過(guò)熔斷器的電流有效值IF為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)計(jì)算中應(yīng)考慮環(huán)境溫度、冷卻條件、電流裕度等因素對(duì)其的影響。INF的計(jì)算公式為：

INF≥KIF

(2)

式中：

K——熔斷器裕度系數(shù)，通常取1.5～2.0。

本文選取西安西聯(lián)熔斷器制造有限公司生產(chǎn)的DTR系列軌道機(jī)車(chē)專(zhuān)用型直流熔斷器?？紤]到開(kāi)斷感應(yīng)電壓吸收裝置吸收的額定感應(yīng)電流為100 A，結(jié)合熔斷器應(yīng)預(yù)留2倍電流裕量，因此，選擇DTR-LZ3.17-200型熔斷器。該型熔斷器的額定工作電壓為DC 1 800 V，額定電流為200 A，時(shí)間常數(shù)為10～20 ms。該型熔斷器的外觀尺寸如圖6所示。

圖6 DTR-LZ3.17-200型熔斷器的外觀尺寸圖

2.3.3 直流接觸器

直流接觸器選用沈陽(yáng)二一三控制電器制造有限公司生產(chǎn)的BC98-ZTB系列鐵路專(zhuān)用高壓直流接觸器。該直流接觸器型號(hào)為BC98-Z200/2022T1，額定工作電壓為1 500 V，額定工作電流為200 A，控制線圈電壓為直流24 V，帶有2個(gè)常開(kāi)主觸點(diǎn)以及2個(gè)常開(kāi)、2個(gè)常閉的輔助觸點(diǎn)。直流接觸器的主觸點(diǎn)串聯(lián)使用，其安裝和外形尺寸如圖7所示。直流接觸器采用電磁合閘以降低保持功率，同時(shí)限制最大電弧電壓，具有高可靠性機(jī)械性能和電氣性能。直流接觸器設(shè)計(jì)負(fù)荷滿足IEC 60077-1/2—2017和GB 14048.1—2016《低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備總則》的要求。隔離開(kāi)關(guān)的控制需外接控制繼電器。繼電器選用歐姆龍自動(dòng)化(中國(guó))有限公司生產(chǎn)的MY2N-DC 24 V繼電器。該型繼電器為直插型、帶底座、雙刀雙擲，且兩觸點(diǎn)并用，最大可實(shí)現(xiàn)24 V/10 A的電流通斷。控制繼電器的外觀尺寸如圖8所示。

圖7 主接觸器外形尺寸圖

圖8 控制繼電器的外觀尺寸圖

2.3.4 放電接觸器

放電接觸器需要裝有放電通路，放電通路用于設(shè)備停止工作后或維護(hù)前完全釋放柜內(nèi)儲(chǔ)能設(shè)備剩余電量。由于母線存儲(chǔ)的電量較少，因此，可選擇小容量的高壓接觸器作為放電通路的開(kāi)關(guān)裝置。本文選擇美國(guó)GIGAVAC放電接觸器，型號(hào)為G81A357，其額定電壓達(dá)到10 kV，額定電流為20 A，控制電壓為24 V。放電接觸器的外觀尺寸如圖9所示。放電接觸器通過(guò)控制繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)連接/斷開(kāi)其控制的線圈電流?？刂评^電器選用常開(kāi)觸點(diǎn)的歐姆龍MY2N-DC 24 V繼電器。該型繼電器為直插型、帶底座，可實(shí)現(xiàn)最大值為10 A的電流通斷。

圖9 放電接觸器的外觀尺寸圖

2.3.5 放電電阻

放電電阻R主要根據(jù)電容大小和放電時(shí)間進(jìn)行選擇。設(shè)電網(wǎng)電壓為1 500 V，吸收電容C為320 μF，設(shè)在10 s內(nèi)需將電容放至原有電壓的5%，即 75 V。則電阻值應(yīng)滿足：R≤10 kΩ。通過(guò)計(jì)算得到，充電初始瞬態(tài)電阻上消耗的功率為 225 W，平均放電功率為36 W。

考慮到電阻功率和耐壓等因素，選擇RX24-50 W型鋁殼繞線電阻器。該電阻器電阻值為2 kΩ，質(zhì)量為30 g，采用5個(gè)進(jìn)行串聯(lián)；標(biāo)準(zhǔn)散熱板表面積為995 cm2,厚度為1 mm。電阻器外形尺寸如圖10所示。

圖10 RX24-50 W型鋁殼繞線電阻器的外觀尺寸圖

2.3.6 吸收電感

吸收電感按照感應(yīng)電流最大值100 A、直流母線電壓1 500 V進(jìn)行設(shè)計(jì)，LC在50 Hz處諧振，則L的容量為100 kVar。因此，采用LC吸收方案的參數(shù)選取為：L=31.7 mH,C=320 μF,f=50 Hz,Imax=141.4 A。吸收電感采用硅鋼CD型磁心，線包環(huán)氧樹(shù)脂澆注，電抗器額定電流為100 A。吸收電感鐵心規(guī)格為XCD 40 mm×100 mm×100 mm，其尺寸如圖11所示。設(shè)計(jì)最大磁通密度為1 T，實(shí)際磁心AeAw=2.4×10-5m4。

圖11 吸收電感鐵心的外形尺寸圖

根據(jù)PQ法估算所需串聯(lián)的電感個(gè)數(shù)為：

PQ=LILImax/(BmKμj)

(3)

式中：

j——電流密度。

根據(jù)式(3)可知，采用12個(gè)電感串聯(lián)時(shí)，可以達(dá)到需要的電感值，即單個(gè)電感值為2.642 mH。則電感匝數(shù)N為：

N=LfImax/(BmAe)

(4)

最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

Bm=LfImax/(NAe)

(5)

氣隙為：

(6)

導(dǎo)線選擇玻璃絲包扁銅線，其截面尺寸為2 mm×6 mm，有效截面積為11.79 mm2。通過(guò)計(jì)算可得，j為805 A/mm2，窗口系數(shù)Kμ為0.184。根據(jù)式(3)—式(6)，得到PQ=3.2×10-4m4,N=78，Bm=0.998 T,δ=30.2 mm。

2.3.7 吸收電容

吸收電容C取320 μF，則電容電壓最大值VC,max為3 207 V。設(shè)定電網(wǎng)電壓最大值為1 800 V，電流為100 A/50 Hz。選用DAWNCAP的4 000 V無(wú)感薄膜電容，型號(hào)為DHE4000K33和DHE4000K47各4個(gè)并聯(lián)，組成320 μF的吸收電容。其外形尺寸如圖12所示，參數(shù)如表1所示。

圖12 吸收電容外形尺寸圖

表1 吸收電容參數(shù)

2.3.8 阻尼電阻

阻尼電阻用于抑制感應(yīng)電壓吸收裝置內(nèi)部的LC諧振。阻尼電阻太大會(huì)影響吸收效果，阻尼電阻太小，會(huì)使得振蕩時(shí)間太長(zhǎng)，影響吸收的響應(yīng)時(shí)間。根據(jù)相關(guān)仿真計(jì)算，得到阻尼電阻R為0.7 Ω。選擇ZB-2型板型電阻器，具體型號(hào)為ZB2-0.7 Ω。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，其擁有良好的散熱效果，且具有短時(shí)的抗過(guò)電流能力。電阻器的外形如圖13所示。

圖13 阻尼電阻外形圖

2.3.9 投切晶閘管

投切晶閘管用于對(duì)LC濾波回路的快速投切。由于感應(yīng)電流為雙向，因此采用兩個(gè)晶閘管模塊進(jìn)行反向并聯(lián)。選用中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)研究所有限公司設(shè)計(jì)的KP8300-65型模塊，其通態(tài)平均電流為300 A，反向重復(fù)峰值電壓為6 500 V。

2.3.10 壓敏電阻

壓敏電阻用于在接觸器切合時(shí)保護(hù)感應(yīng)電壓吸收裝置的內(nèi)部器件。其設(shè)計(jì)在接觸器后級(jí)，選用Littelfus公司生產(chǎn)的BB系列壓敏電阻，型號(hào)為V172BB60。該型壓敏電阻的正常工作電壓為2 150 V，瞬態(tài)吸收能量達(dá)到6 kJ/2 ms。

2.3.11 輔助電源

輔助電源為整個(gè)控制系統(tǒng)和控制繼電器提供能量。輔助電源系統(tǒng)采用DC 24 V低壓供電，設(shè)計(jì)功率為48 W。設(shè)計(jì)1個(gè)200 W變壓整流器，將輔助供電的220 V交流市電轉(zhuǎn)換為所需的電壓。輔助電源電路原理圖如圖14所示。

圖14 輔助電源電路原理圖

設(shè)額定輸入電壓Vp為220 V，頻率f為50 Hz，變壓器效率η為0.95，不考慮整流橋效率。則輸出電壓Vo=24 V，輸出電流Io為2 A，繞組電流密度J為6 A/mm2。因此，變壓整流器繞組額定，原邊參數(shù)為：Vp=220 V,Ip=0.23 A,Sp=0.038 mm2；副邊參數(shù)為：Vs=20 V,Is=2.4 A,Ss=0.4 mm2。

選擇變壓器XCD 16 mm×32 mm×40 mm，設(shè)定最大磁通密度Bm為0.8 T，磁心AeAw=3.148 8×10-3m3。其尺寸如圖15所示。其原邊繞組匝數(shù)、副邊繞組匝數(shù)、窗口系數(shù)核算如下：Np=2 518，Ns=229，Kμ=0.294。

圖15 輔助電源變壓器尺寸

3 感應(yīng)電壓吸收裝置的安裝

由于高鐵與城際軌道交通并行區(qū)段屬于寧和城際軌道交通的高架區(qū)間結(jié)構(gòu)，土建結(jié)構(gòu)施工時(shí)未考慮感應(yīng)電壓吸收裝置安裝空間，因此寧和城際鐵路工程在該區(qū)間1、2變電所內(nèi)的直流牽引母線上各設(shè)置1臺(tái)感應(yīng)電壓吸收裝置，共2套。感應(yīng)電壓吸收裝置安裝示意圖如圖16所示。

圖16 感應(yīng)電壓吸收裝置安裝示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)高鐵與城際軌道交通同橋并行情況下，高鐵對(duì)城際軌道交通所產(chǎn)生的電磁影響進(jìn)行了定量分析與計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上給出了感應(yīng)電壓吸收裝置的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了該裝置的功能及其部件選型。2017年12月6日，該裝置與寧和城際軌道交通一期工程同步投入使用，且首次在高鐵、城際軌道交通并線運(yùn)行的過(guò)江大橋上得到應(yīng)用。項(xiàng)目的成功實(shí)施，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)高鐵、城際軌道交通并線跨江運(yùn)行時(shí)電磁感應(yīng)干擾消除難題的技術(shù)空白，保障了城際軌道交通列車(chē)的行車(chē)安全，具有強(qiáng)大的技術(shù)示范效應(yīng)，同時(shí)也為后續(xù)類(lèi)似項(xiàng)目的實(shí)施提供了有益的借鑒和參考。