高速磁浮動(dòng)力軌供電系統(tǒng)框架保護(hù)動(dòng)作研究

何志 李建泉

摘? 要：高速磁浮動(dòng)力軌供電系統(tǒng)采用直流供電制式，為保障供電運(yùn)維人員安全，直流開(kāi)關(guān)柜內(nèi)設(shè)置框架保護(hù)。某高速磁浮調(diào)試線在磁浮列車受流過(guò)程中，發(fā)生框架電壓保護(hù)動(dòng)作，中斷了動(dòng)力軌供電，嚴(yán)重影響列車輔助供電的穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)地面動(dòng)力軌供電系統(tǒng)以及車載電氣系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析并采用matlab搭建電路模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，找出框架電壓保護(hù)動(dòng)作的原因，并提出整改方案，保障供電設(shè)備的安全和動(dòng)力軌給列車受流的穩(wěn)定性，對(duì)后續(xù)動(dòng)力軌供電系統(tǒng)保護(hù)配置提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：高速磁浮;動(dòng)力軌供電系統(tǒng);框架電壓保護(hù);車載電氣系統(tǒng)

高速磁浮列車因其速度高、安全、環(huán)保、節(jié)能、舒適等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的關(guān)注，上海龍陽(yáng)路站至浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)站的高速磁浮示范線，作為世界上第一條商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的高速磁浮線路，全長(zhǎng)31.17km，最高運(yùn)行速度為431km/h。各科研院校及軌道交通公司對(duì)高速磁浮交通也有很多研究，要保證磁浮列車良好穩(wěn)定的運(yùn)行，必須要有可靠的牽引供電系統(tǒng)，而動(dòng)力軌供電系統(tǒng)作為磁浮列車低速運(yùn)行時(shí)的供電電源，給列車可靠制動(dòng)和停車用電提供保障。目前動(dòng)力軌供電系統(tǒng)還是采用城軌牽引供電常用的框架保護(hù)，實(shí)際上高速磁浮動(dòng)力軌供電系統(tǒng)是不同于城軌的牽引供電系統(tǒng)的，為促進(jìn)我國(guó)高速磁浮交通的建設(shè)和發(fā)展，有必要對(duì)高速磁浮動(dòng)力軌供電系統(tǒng)進(jìn)行更深入的研究。

?高速磁浮動(dòng)力軌供電系統(tǒng)

由于常導(dǎo)長(zhǎng)定子磁浮列車在速度≤100km/h時(shí)，車載直線發(fā)電機(jī)提供的發(fā)電量不足以滿足列車用電需求;因此需要在列車啟動(dòng)、低速運(yùn)行以及停車維修時(shí)設(shè)置動(dòng)力軌，動(dòng)力軌作為提供電能的接觸軌，主要包括正極軌、負(fù)極軌和保護(hù)接地軌。當(dāng)列車經(jīng)過(guò)上述區(qū)段，列車受流靴會(huì)落下來(lái)與動(dòng)力軌接觸受流，滿足車內(nèi)的用電需求。動(dòng)力軌供電系統(tǒng)為動(dòng)力軌提供直流電源，主電路主要包括整流變壓器、整流器和直流開(kāi)關(guān)柜

整流變壓器采用D/y/d聯(lián)結(jié)形式，使兩個(gè)二次側(cè)電壓相角差30°;整流器由兩個(gè)二極管整流橋組成，其中一個(gè)橋接至整流變壓器二次側(cè)Y型繞組，另一整流橋接至整流變壓器二次側(cè)△型繞組，兩個(gè)整流橋并聯(lián)連接構(gòu)成十二脈波整流，直流輸出額定電壓DC330V，作為動(dòng)力軌的供電電源。

?直流框架保護(hù)動(dòng)作分析

2.1? 原理

目前調(diào)試線動(dòng)力軌供電系統(tǒng)采用了直流框架保護(hù)，包括框架電壓保護(hù)和框架電流保護(hù);主要用于系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)以及框架電壓過(guò)高，直流開(kāi)關(guān)柜采取絕緣安裝，框架單點(diǎn)接地;通過(guò)電壓變送器監(jiān)測(cè)直流開(kāi)關(guān)柜外殼與負(fù)極母排之間的框架電壓，通過(guò)分流器以及電流變送器監(jiān)測(cè)直流開(kāi)關(guān)柜外殼與地排之間的框架電流，當(dāng)直流開(kāi)關(guān)柜正極母排絕緣破損觸碰外殼時(shí)，會(huì)導(dǎo)致外殼存在非安全電壓，可通過(guò)框架保護(hù)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜報(bào)警或跳閘。

2.2? 故障分析

調(diào)試線現(xiàn)場(chǎng)中壓開(kāi)關(guān)柜、整流機(jī)組、直流開(kāi)關(guān)柜空載上電正常，當(dāng)磁浮列車落下受流靴并開(kāi)始受流時(shí)，直流開(kāi)關(guān)柜報(bào)框架電壓動(dòng)作，直流開(kāi)關(guān)柜跳閘并連跳中壓開(kāi)關(guān)柜，導(dǎo)致動(dòng)力軌失電。對(duì)動(dòng)力軌供電系統(tǒng)各設(shè)備進(jìn)行停電檢修排查，未發(fā)現(xiàn)任何異常，復(fù)位繼電保護(hù)裝置故障信號(hào)，退出框架電壓保護(hù)，整流機(jī)組再次上電，整流機(jī)組空載時(shí)，負(fù)極對(duì)框架電壓接近0V;列車落受流靴，直流開(kāi)關(guān)柜無(wú)故障報(bào)出，受流成功。測(cè)量直流開(kāi)關(guān)柜負(fù)極對(duì)框架電壓為-260V左右，超過(guò)了框架電壓動(dòng)作門檻值而發(fā)生跳閘。

高速磁浮動(dòng)力軌供電系統(tǒng)為獨(dú)立軌回流系統(tǒng)，車殼與負(fù)極軌絕緣，整個(gè)系統(tǒng)為浮地系統(tǒng)，受流時(shí)車殼與PE軌接觸，保證車殼的地電位。列車受流后經(jīng)升壓斬波器將電壓轉(zhuǎn)換為DC500V給列車提供輔助電源，升壓斬波器（HS）內(nèi)配有正對(duì)地和負(fù)對(duì)地的二極管鉗位電路，如圖2所示。

變電所大地和PE軌是通過(guò)接地電纜連接在一起的，即直流開(kāi)關(guān)柜和HS是共同一個(gè)大地的;故整個(gè)系統(tǒng)電路可做如下簡(jiǎn)化，如圖3所示;

圖中、為整個(gè)線路的正對(duì)地絕緣電阻、負(fù)對(duì)地絕緣電阻，為直流開(kāi)關(guān)柜負(fù)極對(duì)地電壓，為線路電阻，為二極管反向電阻;從圖中容易看出

從上式中容易看出，與整個(gè)系統(tǒng)正對(duì)地絕緣電阻、負(fù)對(duì)地絕緣電阻強(qiáng)相關(guān);如=，則有=-250-△;因整個(gè)線路很短，壓降很小，所以實(shí)際運(yùn)行時(shí)負(fù)對(duì)地電壓就超過(guò)了框架電壓動(dòng)作值。

?仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述結(jié)論，利用matlab中simulink工具箱搭建高速磁浮動(dòng)力軌供電系統(tǒng)仿真模型， 主要仿真參數(shù)如表1所示;

車載電網(wǎng)電壓仿真結(jié)果如圖5所示，車載電網(wǎng)正對(duì)負(fù)電壓500V，紋波因數(shù)為2.9%，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況是吻合的;正對(duì)地電壓為+250V，負(fù)對(duì)地電壓為-250V，與之前分析的二極管鉗位電路結(jié)果是一樣的。

直流開(kāi)關(guān)柜處電壓仿真結(jié)果如圖6所示，整流機(jī)組輸出電壓（正對(duì)負(fù)）340V，紋波因數(shù)為1.9%，負(fù)對(duì)地電壓為-261V，在負(fù)極軌和回流電纜上的壓降為11V左右，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況是吻合的;根據(jù)上述仿真結(jié)果分析可知，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)極對(duì)地電壓就超過(guò)了框架電壓門檻值，所以通過(guò)框架保護(hù)已經(jīng)無(wú)法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)絕緣情況，需對(duì)此保護(hù)裝置做改進(jìn)。

?整改方案

當(dāng)直流開(kāi)關(guān)柜正、負(fù)極母排絕緣破損并觸碰外殼，以及沿線正極軌或負(fù)極軌絕緣破損并觸碰PE軌時(shí)，系統(tǒng)還是能正常工作;但是這種故障會(huì)造成直流開(kāi)關(guān)柜外殼以及車殼存在非安全電壓，有觸電風(fēng)險(xiǎn)。為保證人員安全，直流開(kāi)關(guān)柜取消絕緣安裝，其外殼與變電所大地直接連接，同時(shí)對(duì)現(xiàn)有保護(hù)裝置加入正對(duì)地

及負(fù)對(duì)地的電壓檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)絕緣監(jiān)測(cè)測(cè)功能。

4.1? 正極母排對(duì)設(shè)備框架絕緣監(jiān)測(cè)

在直流進(jìn)線柜利用電壓變送器采集正極母排與框架間的電壓，并送入繼電保護(hù)裝置中進(jìn)行邏輯判斷;因考慮列車調(diào)試不允許隨意斷開(kāi)動(dòng)力軌電源，故只設(shè)置報(bào)警檔;詳細(xì)邏輯如圖7所示。為防止直流開(kāi)關(guān)柜不工作時(shí)誤報(bào)警，邏輯中加入“中壓已帶電且進(jìn)線柜合位”。

4.2? 負(fù)極母排對(duì)設(shè)備框架絕緣監(jiān)測(cè)

在直流負(fù)極柜中利用電壓變送器采集負(fù)極母排與框架間的電壓，并送入繼電保護(hù)裝置中進(jìn)行邏輯判斷，詳細(xì)邏輯如圖8所示。因整流機(jī)組空載時(shí)，負(fù)極對(duì)地電壓為0，容易引起誤報(bào)警，故邏輯中加入負(fù)極回流電流用于躲過(guò)空載工況。

經(jīng)過(guò)上述整改后，直流開(kāi)關(guān)柜能很好的發(fā)現(xiàn)正、負(fù)極接地故障;車輛正常受流時(shí)，負(fù)極對(duì)地電壓-250V也不會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)柜跳閘，保障了動(dòng)力軌供電的安全可靠。

5 ?結(jié)論

總結(jié)分析了高速磁浮動(dòng)力軌供電系統(tǒng)的電氣特性，并對(duì)直流框架保護(hù)原理以及框架保護(hù)動(dòng)作故障

了分析，得出直流框架保護(hù)不適用于高速磁浮動(dòng)力軌供電系統(tǒng)的接地保護(hù)，取消直流開(kāi)關(guān)柜的絕緣安裝并增加正極對(duì)地和負(fù)極對(duì)地電壓監(jiān)測(cè)，進(jìn)行軟件邏輯判斷可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)。提高了動(dòng)力軌供電的可靠性及安全性，為后續(xù)高速磁浮動(dòng)力軌供電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：

何志（1987-），男，湖南省株洲市人，研究生，工程師，主要從事高速磁浮牽引供電系統(tǒng)研究工作。

先進(jìn)軌道交通重點(diǎn)專項(xiàng) 牽引供電與控制系統(tǒng)工程化關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)施 2016YFB1200602