【文章內(nèi)容簡介】 ：（/軌道；量測值）/10(km)/2（主線2軌道并聯(lián)）=（Ω）。：（Ω/km/軌條；規(guī)范值）2（km）/80（機修廠80軌并聯(lián)）=875（μΩ）。：（mH/km/軌道；推倒值）2（km）/40（機修廠40軌道并聯(lián)）=（μH）。：（Ω；量測值）。上列數(shù)值代入圖32之電路模型中，可得如圖35。圖35（a） 回流軌IRJ的軌道電位差模擬結(jié)果圖35（b） 回流軌IRJ的軌道電位差模擬結(jié)果局部放大圖圖35(c) 回流軌IRJ的跨接電流模擬結(jié)果圖35(d) 回流軌IRJ的跨接電流模擬結(jié)果局部放大圖圖35 以實際測量的軌道對地泄漏電阻模擬回流軌IRJ的軌道電位差及跨接電流模擬結(jié)果下列為推導的鋼軌電阻、鋼軌電感及實際量測所得的軌道對地泄露電阻，所組成的導電軌軌道參數(shù)，在主線并不區(qū)分導電軌或回流軌，故導電軌于主線的軌道參數(shù)同回流軌相關(guān)參數(shù)。二極管正向電壓：。平面段軌道長度：10km。機修廠導電軌軌道長度：2km。：（Ω/km/軌條；規(guī)范值）10（km）/4（主線4軌并聯(lián)）=（mΩ）：（mH/km/軌道；推導值）10（km）/2（主線2軌道并聯(lián)）=（mH）。：（/軌道；量測值）/10(km)/2（主線2軌道并聯(lián)）=（Ω）。：（Ω/km/軌條；規(guī)范值）（km）=7（mΩ）。：（mH/km/軌道；推倒值）（km）=（μH）。：215（/軌道；規(guī)范值）/(km)=150(Ω)。上列數(shù)值代入圖32之電路模型中，可得如圖36。圖36（a） 導電軌IRJ的軌道電位差模擬結(jié)果圖36（b） 導電軌IRJ的軌道電位差模擬結(jié)果局部放大圖圖36（c） 導電軌IRJ的跨接電流模擬結(jié)果圖36（d） 導電軌IRJ的跨接電流模擬結(jié)果電流局部放大圖圖36以實際測量的軌道對地泄漏電阻模擬導電軌IRJ的軌道電位差及跨接電流模擬結(jié)果由模擬回流軌IRJ跨接電流的結(jié)果（圖33）可知，當斷路器投入瞬間，模擬所得的跨接電流的上升時間約為100ms，實際測量時間約為500ms。在此模擬結(jié)果中，當斷路器投入后，回流軌IRJ跨接電流僅約280A，而實際測量結(jié)果約為600—800A。當模擬斷路器打開瞬間，回流軌軌道突波電壓約為700V，且呈現(xiàn)出電感性電路斷流的突波電壓反應(yīng)，現(xiàn)場量測量的軌道突波電壓約為800—1000V。在以上兩個模擬量測試中，我們可獲得約同于現(xiàn)場的實際波形，但在軌道突波電壓、IRJ跨接電流及其上升時間與實際測量結(jié)果有些不同，我們的推論應(yīng)為現(xiàn)場的軌道對地泄漏電阻與先前推導所得之理論值差距所導致。接著我們以實際所測量的軌道對地泄漏電阻來模擬，以證明我們的推論。我們可由圖35得知，當以實際量測之軌道對地泄漏電阻代入此模型時，當斷路器投入后，回流軌IRJ跨接電流約630A，與實際量測結(jié)果（600—800A）較為近似。當模擬斷路器打開瞬間，回流軌軌道突波電壓約為1000V，呈現(xiàn)電感性電路斷流的突波電壓反應(yīng)，現(xiàn)場量測之軌道突波電壓約為800~1000V。在這次的模擬中我們可以發(fā)現(xiàn)，當斷路器于DC 100V時投入瞬間，模擬所得跨接電流的上升時間約為100ms，與圖33的結(jié)果一樣，而實際量測結(jié)果約為500ms；由此我們可以得知軌道對地泄露電阻差異不大，故不會影響跨接電流的上升時間，其主要應(yīng)與鋼軌電感有關(guān)。在圖3圖35的結(jié)果中，跨接電流的上升時間100ms皆低于實際量測結(jié)果之500ms，顯示仿真之鋼軌電感低于實際之電感值，我們推論應(yīng)為模擬中沒有計算大地對鋼軌、示波器量測線之電感效應(yīng)及列車馬達之電感值，故導致模擬結(jié)果出現(xiàn)電感性不足之現(xiàn)象。在以上兩個代入實際量測軌道對地泄露電阻之模擬測試中，我們可得知軌道突波電壓、IRJ跨接電流與軌道對地泄露電阻有關(guān)，當軌道對地泄漏電阻越高，可得較低軌道突波電壓與IRJ跨接電流，即提高軌道對地泄漏電阻，可降低機修廠邊界軌道電蝕的危害；反之，當軌道對地泄漏電阻越低，將會產(chǎn)生較高的IRJ跨接電流與軌道突波電壓。本章通過實例計算了軌道與第三軌之間鋼軌電感的計算，通過MATLAB對軌道電位差及跨接電流進行模擬分析，并且對機修廠邊界與主線界接絕緣結(jié)（IRJ）的軌道電位差及跨接電流的模擬。得知軌道突波電壓、IRJ跨接電流與軌道對地泄露電阻有關(guān)。當軌道對地泄漏電阻越高，可得較低軌道突波電壓與IRJ跨接電流，即提高軌道對地泄漏電阻，可降低機修廠邊界軌道電蝕的危害，當軌道對地泄漏電阻越低，將會產(chǎn)生較高的IRJ跨接電流與軌道突波電壓。4 絕緣結(jié)起弧情況分析 列車離開軌道絕緣結(jié)瞬間，絕緣結(jié)與車輪之間的電流和電壓很容易超過電弧產(chǎn)生的條件，尤其是列車運行時的電流很大，所以產(chǎn)生電弧而燒損道軌。而這部分電流和電壓主要是有再生制動所產(chǎn)生。當列車處于下坡時,由于牽引電機的速度超過同步速度,所以牽引電動機電勢高于牽引電壓的端電壓，在此情況下，向電壓反饋電流。 當電壓反饋電流時會產(chǎn)生以下兩個變化：（1）負荷電流方向發(fā)生改變；（2）雜散電流方向發(fā)生改變。 列車處于再生制動條件下的反饋電流的大小為：E：牽引電機電動勢V：牽引電網(wǎng)端電壓R：牽引電機的動態(tài)負載電阻。（下坡時）當列車處于下坡時,由于牽引電機的速度超過同步速度,所以牽引電動機電勢高于牽引電壓的端電壓，在此情況下，向電壓反饋電流。反饋電流大小為： （注：通過絕緣節(jié)將外軌與內(nèi)軌隔開。）當電壓反饋電流時會產(chǎn)生以下兩個變化：（1）負荷電流方向發(fā)生改變；（2）雜散電流方向發(fā)生改變。 發(fā)電反饋：電動機→發(fā)電機。向變電所反饋電流，發(fā)生再生制動，電流改變方向。 自感電勢 外軌道中，后車輪離開絕緣節(jié)后，I突降至0，產(chǎn)生電弧，自感電勢能放出，消耗于空氣。 方向：與再生制動電流方向相同（向上）。當列車通過絕緣節(jié)時，沒有電流流過，即：。而列車牽引電機電動勢為E，列車牽引電網(wǎng)端電壓為V，所以絕緣節(jié)兩端的電壓差為：所以制動力為0。自感電勢：方向：與再生制動電流相反，向下。存儲于電機。通過對安裝有單向?qū)ㄑb置的絕緣結(jié)處進行實際觀察，發(fā)現(xiàn)一般都是列車車輪離開絕緣結(jié)時，產(chǎn)生強烈的電弧而燒損軌道（如圖）。正常的絕緣結(jié)（IRJ）鋼軌離開絕緣結(jié)之前所產(chǎn)生的火花電蝕后的絕緣結(jié)（IRJ）圖4—1 絕緣結(jié)現(xiàn)場圖片 地鐵列車電流的流動路徑是變電所—接觸網(wǎng)—列車受電弓—列車—列車車輪—軌道—變電所，列車車輪與軌道的接觸是機械接觸，在通過絕緣結(jié)時，由于絕緣結(jié)在電氣上是斷開的，而單向?qū)ㄑb置的反向是截止的，有可能出電流斷流或突然減少等現(xiàn)象，因此分析其產(chǎn)生電弧的原因可以按電路中開關(guān)打開（或斷線）產(chǎn)生的電弧理論來分析。根據(jù)實驗可知，如果電路中電壓大于10—12V，且電流大于80—100mA，分開的觸頭之間就可能會產(chǎn)生電弧。該電壓和電流小于極限起弧的電壓和電流值，不會產(chǎn)生電弧。圖4—2為列車通過安裝有單向?qū)ㄑb置的絕緣結(jié)AB的示意圖。由于二極管的單向?qū)ㄌ匦?，只有絕緣結(jié)B點的電位高于A點的電位，軌道電流從單向?qū)ㄑb置的二極管流過，如果絕緣結(jié)A點的電位高于B點的電位，軌道電流無法通過。如果絕緣結(jié)A點的電位高于B點的電位發(fā)生在列車通過絕緣接頭的瞬間，列車后輪與絕緣接頭A點發(fā)生瞬間斷電或電流突然變小，此時會在AB兩點產(chǎn)生過電壓，在AB絕緣結(jié)的間隙中滿足了電弧產(chǎn)生的條件，所以可以產(chǎn)生電弧而燒損軌道，此種情況發(fā)生在列車通過絕緣結(jié)前已處于再生制動或者單向?qū)ㄑb置的安裝工藝有問題（如安裝距離絕緣結(jié)過遠）所致。 圖4—2 列車通過安裝有單向?qū)ㄑb置絕緣結(jié)示意圖 由于列車相當于電感與電阻串聯(lián)負載，在電路中等效RL串聯(lián)負載，模擬等效電路圖如圖4—3所示。圖4—3 模擬等效電路圖 圖4—3表示在列車進入絕緣結(jié)前已經(jīng)處于再生制動工作狀態(tài)，相當于一個開關(guān)K，當列車離開時，開關(guān)K斷開，如圖4—4(a)所示。圖4—4 RL串聯(lián)電路切斷電源等效圖 電源開關(guān)K斷開瞬間，在電感L的兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢，圖4—4(b)為計算開關(guān)K觸頭過電壓等值電路圖，其微分方程為： (式41)微分方程得： {式42} {式43} 式中：L為線圈電感，H；R為電路中電阻，Ω；為開關(guān)打開后斷路的等值電阻，Ω；為開關(guān)打開時刻加于開關(guān)兩觸頭間的電壓，V；為切斷電源時刻電感中的電流，A。的大小取決于切斷電源的時刻。 當時刻切斷電源時，；當?shù)臅r刻切斷電源時。 根據(jù)式（4—2）和式（4—3）可以看出：（1）若切斷電源是發(fā)的時刻，開關(guān)兩觸頭的電壓和電流均等于零；（2）若切斷電源是發(fā)的時刻，開關(guān)兩觸頭的電壓和電流 分別為： (式44) (式45) 以上結(jié)論說明，在RL串聯(lián)電路中，為避免切斷電源時形成電弧，應(yīng)通過自動控制的方式在電流過零時刻打開開關(guān)。列車離開軌道絕緣結(jié)瞬間，絕緣結(jié)與車輪之間的電流和電壓很容易超過電弧產(chǎn)生的條件，尤其是列車運行時的電流很大，所以產(chǎn)生電弧而燒損道軌。如圖4—5（a）,（b）所示。鋼軌通過絕緣結(jié)前鋼軌離開絕緣結(jié)之前所產(chǎn)生的火花圖4—5道軌的產(chǎn)生現(xiàn)場圖片 消弧原理 為了保證使用單向?qū)ㄑb置在任何情況下不產(chǎn)生電弧而燒損道軌，只有使列車通過絕緣結(jié)時，絕緣結(jié)處不會出現(xiàn)電流斷流的情況。具體來講，在單向?qū)ㄑb置的主回路上并聯(lián)可以控制的大功率電力開關(guān)，自動消弧裝置始終監(jiān)測絕緣結(jié)兩端電壓，當大于某一個數(shù)值時，大功率電力開關(guān)短路，把絕緣結(jié)AB兩端短路，從而列車離開絕緣結(jié)時，滿足不了產(chǎn)生電弧的條件，不可能產(chǎn)生電弧而燒損軌道。具體實施如圖4—4所示。圖4—4帶消弧功能的單向?qū)ㄑb置原理示意圖 大功率電力開關(guān)可以選擇直流接觸器或可控硅。由于列車運行頻率較高，有可能開關(guān)頻率較高，影響器件的使用壽命，所以選用大功率可控硅。為了保證其可靠性，使用兩個可控硅并聯(lián)使用。絕緣結(jié)處單向?qū)ㄑb置的二極管在B點的電位高于A點時導通，當A點的電位高于B點時,列車通過絕緣結(jié)時形成電流斷路，所以形成了電弧。因此具有消弧功能的單向?qū)ㄑb置就是要確保大于某一值時，絕緣結(jié)具有電流通路，可控硅的工作特性滿足了這樣的要求。 自動消弧裝置實時檢測絕緣結(jié)兩端的電壓，當檢測到時，自動消弧控制裝置的觸發(fā)電路給可控硅輸出觸發(fā)脈沖，可控硅導通，防止機車離開絕緣結(jié)時，出現(xiàn)電流突變情況，從而避免電弧的產(chǎn)生。當列車離開絕緣結(jié)后，關(guān)斷可控硅，保證單向?qū)ㄑb置正常工作。列車是否通過絕緣結(jié)，可以通過安裝在絕緣結(jié)旁邊的測距傳感器進行測量，測量的原理是利用列車反射紅外線的原理，當沒有列車通過絕緣結(jié)時，測距傳感器輸出接點斷開，當有列車通過絕緣結(jié)時，測距傳感器輸出接點閉合，此接點信號接入自動消弧裝置，用于控制可控硅消弧回路的閉合與斷開。本章主要介紹列車通過絕緣結(jié)時產(chǎn)生電弧的原因分析及電機車再生制動絕緣結(jié)時的四種運行狀態(tài)，以及消弧原理的介紹，其主體是帶消弧功能的單向?qū)ㄑb置及工作原理。5可滅弧的單向?qū)ㄑb置整體設(shè)計 單向?qū)ㄑb置 單向?qū)ㄑb置的主要器件為整流二極管，作用是使鋼軌中電流只流向一個方向，而在另一個方向截止。當整流管發(fā)生反向擊穿流過反向電流時，串接在該支路上的電流傳感器可以檢測到該電流，經(jīng)監(jiān)測單元處理后，報上位控制系統(tǒng)。圖5—1為單向?qū)ㄑb置原理及與軌道絕緣結(jié)的安裝示意圖，圖5—2單向?qū)ㄑb置系統(tǒng)組成框圖。圖5—1　單向?qū)ㄑb置原理及與軌道絕緣結(jié)安裝示意圖圖5—2　單向?qū)ㄑb置系統(tǒng)組成框圖　單向?qū)ㄑb置的安裝形式 以廣州地鐵一號線珠江隧道沉管區(qū)段及上海地鐵四號線黃浦江隧道沉管區(qū)段過江隧道處單向?qū)ㄑb置的安裝為例，對于處在水下的隧道，相對其他隧道區(qū)間的雜散電流防護應(yīng)采取更加積極的措施，為此采用了圖5—3所示的道鋼軌隔離防護措施。圖5—3　水下隧道鋼軌隔離 其基本原理是將水下隧道鋼軌與其它正線鋼軌隔離，在絕緣結(jié)上加單向?qū)ㄑb置，這樣，當列車在水下隧道沉管區(qū)段運行時，列車電流通過單向?qū)ㄑb置回流至牽引所，而當列車在水下隧道沉管以外區(qū)段運行時，列車電流通過與鋼軌平行的回流電纜。其效果是水下隧道沉管區(qū)段內(nèi)的鋼軌電流將減少，鋼軌電位低，從而使該段鋼軌泄漏的雜散電流減少，對該段的鋼軌及隧道鋼筋防腐蝕有利。 單向?qū)ㄑb置主回路構(gòu)成 單向?qū)ㄑb置主回路由整流二極管、隔離開關(guān)、保護單元及自動消弧裝置等組成。其中整流二極管為6個二極管支路并聯(lián)，在每個支路均串有一個快速熔斷器和一個電流傳感器，以組成信號采集、分析和輸出系統(tǒng)。主回路原理圖如圖5—4所示。QS1—手動隔離開關(guān) R1,R2—吸收電阻 VD1—VD6 二極管FU1—FU6 快速熔斷器 RV1—RV6 壓敏電阻 SC1—SC6 電流傳感器C1—吸收電容圖5—4 單向?qū)ㄑb置主回路原理圖 單向?qū)ㄑb置的保護 單向?qū)ㄑb置的保護分為逆流保護、短路保護及過壓保護。 逆流保護由電流傳感器來完成，電流傳感器串接在每個二極管支路上，其方向與支路電流方向一致。正常情況下電流傳感器流過的是正向電流，當設(shè)備在關(guān)斷情況下其反向電壓超過二極管所能承受的最大反向電壓值時，某個支路的二極管可能發(fā)生擊穿，使其失去單向?qū)üδ芏鬟^反向電流，該支路上的電流傳感器即時檢測到該反向電流，經(jīng)由檢測系統(tǒng)處理后，向上位監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出二極管故障報警信號。 本系統(tǒng)正常情況下，流過電流傳感器的最大正向電流為直流750A，當一支二極管發(fā)生短路擊穿時，流過傳感器的最大反向電流不會超過1000A，考慮到出現(xiàn)大電流時傳感器要能正常檢測，不至于傳感器飽和，所以選取LEM公司的BLFK1500S3型