西安市地下鐵道有限責(zé)任公司 路春蓮

1.雜散電流的概念

在世界各地的地鐵中，普遍采用直流電作為地鐵車輛的電源，且大多數(shù)采用走行鋼軌作為牽引電流的回流通道。隨著地鐵運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，車輛與鋼軌之間摩擦產(chǎn)生的金屬粉塵在地下潮濕環(huán)境的作用下，使鋼軌與大地之間的絕緣電阻不斷減小，致使一部分牽引回流電流流向大地形成雜散電流（也稱“迷流”）。雜散電流在流經(jīng)地下金屬結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，尤其對(duì)地鐵沿線的輸油管道、煤氣管道、自來(lái)水管道及沿線建筑物結(jié)構(gòu)鋼等危害極大。[1]

目前對(duì)雜散電流的防護(hù)一般采取“以防為主、以排為輔”的防護(hù)措施?！耙苑罏橹鳌?，即首先應(yīng)從源頭著手，盡量減少雜散電流泄露，這要求設(shè)置合理的牽引供電系統(tǒng)并加強(qiáng)走行軌對(duì)地絕緣，在軌道與軌枕之間進(jìn)行絕緣，即在軌道與混凝土之間、扣件與混凝土軌枕之間采取絕緣措施，以減少鋼軌的泄漏電流；同時(shí)要加強(qiáng)可能被腐蝕的管道、結(jié)構(gòu)鋼筋等的腐蝕防護(hù)，這樣做在地鐵運(yùn)行初期可收到良好的效果。所謂“排”即是排流法，在道床內(nèi)鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)并進(jìn)行電氣連接，使之構(gòu)成道床鋼筋收集網(wǎng)。新建地鐵大都將各段道床的結(jié)構(gòu)鋼筋焊成一個(gè)電氣整體，稱之為道床排流網(wǎng)（主排流網(wǎng)），把隧道壁的結(jié)構(gòu)鋼筋焊結(jié)成電氣整體，稱側(cè)壁排流網(wǎng)（輔助排流網(wǎng)），并將各段排流網(wǎng)通過(guò)電纜相連，使道床和側(cè)壁內(nèi)形成低電阻雜散電流通道，[2]使該電流通過(guò)排流柜裝置回流至牽引變電所整流器負(fù)極，避免泄漏到地下造成危害。

2.地鐵排流柜簡(jiǎn)介

排流柜是組成地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)系統(tǒng)的一個(gè)重要的設(shè)備，通常安裝在牽引變電所內(nèi)，電氣連接于排流網(wǎng)與負(fù)極柜之間。排流網(wǎng)收集的雜散電流通過(guò)排流柜的極性排流，使其回到整流器負(fù)極，防止從鋼軌泄露到排流網(wǎng)的雜散電流進(jìn)一步擴(kuò)散，造成更大范圍的危害。將泄露的雜散電流通過(guò)二極管單向回流至直流供電系統(tǒng)的整流器負(fù)極。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵本身以及沿線建筑物、管道等金屬結(jié)構(gòu)的有效保護(hù)。該設(shè)備也可應(yīng)用于其他直流供電領(lǐng)域，可有效防止直流電流外泄造成的電化學(xué)腐蝕的危害。

一般地下牽引變電所設(shè)置的排流柜包括四個(gè)排流支路和一個(gè)接地支路，四個(gè)排流支路包括上、下行道床排流支路和上、下行側(cè)壁排流支路。四個(gè)排流支路的輸入端分別與上、下行道床排流網(wǎng)引出端子和上、下行側(cè)壁排流網(wǎng)引出端子連接，接地支路輸入端與變電所綜合接地端子連接，各支路雜散電流通過(guò)各支路設(shè)置的整流二極管進(jìn)行極性排流，在排流柜內(nèi)各支路雜散電流匯集到一個(gè)匯流母排上，再通過(guò)電纜將匯流母排與負(fù)極柜連接，使雜散電流最終回到整流器負(fù)極。除整流二極管外，排流柜內(nèi)主回路一般還包括直流快速熔斷器、支路投切開關(guān)、限流電阻箱、壓敏電阻，二次回路一般包括檢測(cè)電流用到的霍爾電流傳感器或分流器，檢測(cè)電壓用到的電壓傳感器或電壓變送器，具有數(shù)據(jù)處理、故障診斷和通信功能的智能控制器及面板表計(jì)、指示燈和控制按鈕等。

3.排流柜的分類

3.1 手動(dòng)型排流柜

采用負(fù)荷開關(guān)作為投切排流回路的開關(guān)，在需要投切回路時(shí)需人為現(xiàn)場(chǎng)操作，不具備排流電流進(jìn)行實(shí)時(shí)控制功能。

3.2 電動(dòng)型排流柜

采用接觸器或帶電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)的斷路器作為控制部件，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制操作，與手動(dòng)負(fù)荷開關(guān)型相比，減少了人為現(xiàn)場(chǎng)的操作，但同樣不具備排流電流的實(shí)時(shí)控制功能。

3.3 IGBT開關(guān)量控制型排流柜

采用新型電力電子器件IGBT(絕緣柵雙極晶體管)作為排流柜投切的開關(guān)，達(dá)到了快速的投切的效果，也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)動(dòng)控制，但控制方式只局限在簡(jiǎn)單的分合，與電動(dòng)型排流柜在控制方式上沒有本質(zhì)的區(qū)別。

3.4 IGBT斬波調(diào)阻型排流柜

以上三種型式的排流柜中一般都設(shè)置一套或兩套可變限流電阻，該電阻串聯(lián)在排流回路中，根據(jù)回路中電流的大小人為換擋，調(diào)整得到不同的回路電阻值，從而達(dá)到控制排流電流的目的，其缺陷是：該可調(diào)限流電阻阻值的改變是依靠手動(dòng)進(jìn)行的，即在地鐵運(yùn)行中，根據(jù)雜散電流的泄露程度，手動(dòng)改變可變限流電阻接入排流網(wǎng)的阻值，因該可變限流電阻接入排流網(wǎng)阻值的改變并非自動(dòng)進(jìn)行，其排流達(dá)不到理想的效果。

為了徹底解決現(xiàn)有的地鐵雜散電流排流裝置不能及時(shí)、有效地排流，缺乏實(shí)時(shí)性的缺陷，筆者設(shè)計(jì)了一款基于IGBT斬波調(diào)阻型的新型排流柜，將IGBT與一個(gè)固定的限流電阻進(jìn)行并聯(lián)，通過(guò)控制IGBT的導(dǎo)通占空比，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)等效電阻從0至全電阻投入，從而實(shí)現(xiàn)回路排流電流控制的目的，再結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用合理的控制方式，使排流柜實(shí)現(xiàn)回路電阻的無(wú)級(jí)控制，達(dá)到理想的排流效果。

IGBT斬波型排流柜與IGBT開關(guān)量控制型排流柜從主回路構(gòu)成上與IGBT開關(guān)量控制性排流柜差別不大，主要區(qū)別在于開關(guān)量控制型只有兩個(gè)狀態(tài)，投入或不投入，而斬波型的控制方式是一個(gè)閉環(huán)控制，根據(jù)雜散電流的腐蝕情況自動(dòng)控制，根據(jù)檢測(cè)到腐蝕的程度，實(shí)時(shí)控制排流回路的回路電阻，從而使排流效果達(dá)到一個(gè)比較理想的狀態(tài)。

4.新型排流柜的設(shè)計(jì)

4.1 智能控制器的設(shè)計(jì)

圖1 排流回路電氣原理圖

智能控制器作為新型排流柜的大腦，主要完成各種電參數(shù)的信號(hào)采集、控制脈沖生成、脈沖信號(hào)的驅(qū)動(dòng)放大等主要功能。控制器運(yùn)用多種電子器件完成數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算及控制，實(shí)現(xiàn)排流的閉環(huán)控制。控制器選用16位單片機(jī)Intel80C196KC，該器件自帶10位A/D轉(zhuǎn)換電路，和兩路PWM脈沖發(fā)生器，對(duì)于本裝置來(lái)說(shuō)，既可以減少外擴(kuò)A/D轉(zhuǎn)換電路帶來(lái)硬件成本投入，又提高了控制裝置的可靠性。

如圖1所示，控制器根據(jù)電壓傳感器SV采集的排流網(wǎng)對(duì)整流器負(fù)極的電壓，編程實(shí)現(xiàn)PWM控制脈沖的生成。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，該運(yùn)行方式中的參考電壓差與國(guó)標(biāo)規(guī)定的“結(jié)構(gòu)鋼極化電位大于0.5V即造成腐蝕”[3]存在約10倍的關(guān)系，即當(dāng)排流網(wǎng)與整流器負(fù)極電壓差大于5伏時(shí)即造成腐蝕。微控制器CPU根據(jù)該電壓值與預(yù)先設(shè)定參考電壓5V之間的大小關(guān)系，計(jì)算出所IGBT的占空比，并根據(jù)微控制器CPU內(nèi)的脈沖生成程序發(fā)出控制脈沖，通過(guò)專用IGBT功率驅(qū)動(dòng)器件厚膜驅(qū)動(dòng)模塊M57962L進(jìn)行脈沖放大，[5]驅(qū)動(dòng)IGBT進(jìn)行高速導(dǎo)通或關(guān)斷，使IGBT作為進(jìn)行高速直流斬波，從而改變限流電阻R2的阻值，繼而改變回路的電阻值。

該裝置還通過(guò)微控制器CPU中的通信程序，利用RS-485通訊電路可將各支路電流、電壓、排流支路絕緣柵雙極型晶體管IGBT觸發(fā)脈沖的占空比、匯流母線上的總電流，快速熔斷器的熔斷信息等各類數(shù)據(jù)信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸給上位機(jī)系統(tǒng)，如雜散電流監(jiān)測(cè)裝置或電力監(jiān)控系統(tǒng)，原理圖如圖1所示。

4.2 主電路的設(shè)計(jì)

如圖1所示，排流回路主電路沿電流回流方向依次為整流二極管VD、固定阻值限流電阻R1、斬波電阻R2、絕緣柵雙極晶體管IGBT、電流傳感器SC、直流快速熔斷器FU和負(fù)荷開關(guān)QL，在回路兩端設(shè)置壓敏電阻RV和電壓傳感器SV。整流二極管VD保證雜散電流單方向流動(dòng)，即雜散電流只能由排流網(wǎng)流向變電所整流器負(fù)極；固定限流電阻R1用于IGBT全導(dǎo)通時(shí)回路電流的限制；IGBT與R2組成斬波調(diào)阻單元，在驅(qū)動(dòng)觸發(fā)脈沖占空比在0-1之間改變時(shí)，對(duì)應(yīng)的整個(gè)排流回路限流電阻在(R1+R2)－R1之間變化，從而實(shí)現(xiàn)回路電流的調(diào)節(jié)；電壓傳感器SV實(shí)時(shí)檢測(cè)回路兩端電壓值，向CPU提供控制電壓信號(hào)；電流傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)回路中電流值，一方面用于對(duì)上位機(jī)系統(tǒng)上傳電流，另一方面用于回路的過(guò)電流保護(hù)，當(dāng)電流值超過(guò)預(yù)先設(shè)定的最大限值時(shí)，適當(dāng)降低IGBT導(dǎo)通占空比，使回路電阻增加，從而限值電流。這種電子式限流方式與直流快速熔斷器配合應(yīng)用，適用于不同的運(yùn)行工況。負(fù)荷開關(guān)QL用于回路投入或切除；壓敏電阻RV用于回路過(guò)電壓保護(hù)。

排流支路的整流二極管采用ZP800-3000型平板二極管，該二極管正向平均電流為800A，反向重復(fù)峰值電壓為3000V，能確保在裝置自冷散熱條件下額定200A的通流容量，同時(shí)該二極管能夠承受反向3000V的電壓。負(fù)荷開關(guān)選用額定電流為200A的負(fù)荷開關(guān)，可帶負(fù)荷操作，IGBT斬波電阻模塊由額定電流為400A的單管IGBT與電阻值為1K歐的固定電阻組成。限流電阻R1是一固定阻值的大功率限流電阻，阻值較低，一般在1歐以下。

5.結(jié)語(yǔ)

新型排流裝置采用新型電力電子器件IGBT作為裝置的執(zhí)行部件，采用嵌入式16為Intel196KC單片機(jī)作為控制核心，其優(yōu)良的響應(yīng)速度比傳統(tǒng)的開關(guān)量控制排流更趨合理。能避免開關(guān)量控制排流的過(guò)排流和欠排流對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)鋼筋造成的影響，是目前技術(shù)水平最為先進(jìn)的排流方式。

采用該技術(shù)方案設(shè)計(jì)生產(chǎn)的新型排流柜裝置已在北京地鐵1、2號(hào)線消隱改造工程中、大連輕軌三號(hào)線工程項(xiàng)目中成功應(yīng)用，設(shè)備排流效果良好。

[1]于松偉,楊興山,韓連祥.城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用[M].西南交通大學(xué)出版社,2008.

[2]地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程(CJJ49-92)[M].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,1993.

[3]Intel 16位單片機(jī)[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2002,7(第2版).