摘 要：在香港地铁直流牵引供电系统中，钢轨对地绝缘安装，被用作直流牵引电流的负极回流通路。为了保障乘客的安全，在钢轨和地之间安装了钢轨电位限制装置，当钢轨电位超过预定的值时，钢轨电位限制装置将钢轨电位钳制到地电位。本文根据作者在香港地铁直流牵引供电系统设计中的实际经验，对钢轨电位限制装置的系统结构和设计原理进行介绍。
关键词：钢轨电位限制装置、晶闸管
一、前言
在香港地铁直流牵引供电系统中，钢轨对地绝缘安装，被用作直流牵引电流的负极回流通路。因此，钢轨对地有时存在高电位，而列车与钢轨之间是等电位的，当乘客站在站台时，有可能通过列车车体接触到这一高电位。特别是在站台上安装了站台屏蔽门之后，由于站台屏蔽门直接与钢轨连接，更增加了乘客接触钢轨高电位的机会。为了保障乘客的安全，在钢轨或负母排和地之间安装了钢轨电位限制装置。
二、系统构成及装置特性
钢轨电位限制装置安装在牵引变电所和车站内，用来将钢轨的电位限制在预定的范围内。同时，在接触导线对故障电流回流线或地短路时，钢轨电位限制装置还可提供故障电流的回流通路，使得相应的直流馈线断路器可以识别故障并快速分断以清除故障。系统构成如图一所示。
钢轨电位限制装置监视钢轨与地之间的电压，如果该电压超过预定的值，钢轨电位限制装置动作，将钢轨通过钢轨电位限制装置接地，同时，钢轨电位限制装置监视钢轨与地之间的电流，当该电流低于预定的值时，钢轨电位限制装置将自动复位，断开钢轨对地的连接。
在香港地铁工程中，钢轨电位限制装置的设计主要采用了晶闸管加接触器的技术，如图一所示。在钢轨对地方向和地对钢轨方向设置两组晶闸管，利用电压检测电路和触发脉冲电路来产生触发脉冲和控制信号去触发两组晶闸管的导通以及控制接触器的闭合。通过控制电路来调节预定的电压值和相应的延时时间。通过电流检测电路，当电流低于预定值时使钢轨电位限制装置自动复位，电流值也可以在一定范围内进行设置。此外，该装置还提供了工作状态、报警信号、操作次数等信号用来完成当地指示和远方显示功能。
三、设计原理分析
由于采用了晶闸管技术，确保了当钢轨上出现高电位时，晶闸管可在极短的时间内被触发导通并能承受很大的初始故障电流，使得整个系统更加安全、可靠。接触器在设计上主要考虑能承受长时间的电流而不发生过热并能确保晶闸管可靠地断开。
因为当直流牵引供电系统中接触导线对钢轨或地短路时，会有很大的初始故障电流流过钢轨电位限制装置，而此时晶闸管首先被触发导通来承受该电流，如何考虑晶闸管的额定值就成为钢轨电位限制装置设计中的关键问题。
考虑钢轨电位限制装置中地对钢轨方向这一组晶闸管。首先根据直流牵引供电系统参数，计算出接触导线对地短路时通过钢轨电位限制装置的故障电流，如图二所示。注意到同一供电区间有相邻两个牵引变电所供电，曲线C1为近端牵引变电所贡献的故障电流，曲线C2为远端牵引变电所贡献的故障电流，曲线S为通过钢轨电位限制装置的故障电流总和。
图一 系统构成
再考虑工程中所用直流断路器分断特性，如图三所示曲线。当发生接触导线对地短路时，近端直流断路器中通过较大的短路电流，使得该断路器首先跳闸，将再Tm时间内机械分断，并在Ttot时间内完全熄弧从而电气分断。故障电流由于直流断路器的分断而被限制为Ttot时间内峰值为id的馒头波，而不再如图二中C1曲线所示情况。因此，在Ttot时间内流过晶闸管回路的电流可近似为峰值id的半正弦波。
考虑最坏情况，即近端断路器分断后发出联跳信号使得远端断路器跳闸，此时由近端牵引变电所贡献的故障电流已被清除，只有远端牵引变电所贡献的故障电流流过晶闸管回路。近似认为端断路器将在随后的另外Ttot时间内远分断，则该组引变电所贡献的故障电流稳态值的半正弦波。
因此，对于钢轨电位限制装置中地对钢轨方向这一组晶闸管而言，它实际承受的故障电流近似为Ttot时间内峰值id的半正弦波加上随后的另外Ttot时间内峰值为远端牵引变电所贡献的故障电流稳态值的半正弦波。
图二：接触导线对地短路时通过钢轨电位限制装置的故障电流
对于钢轨电位限制装置中钢轨对地方向这一组晶闸管，同样可根据直流牵引供电系统参数，计算出接触导线对钢轨短路时流过钢轨电位限制装置的故障电流值。由计算结果得知，此时故障电流将主要以钢轨作为回流通路流回牵引变电所，钢轨电位限制装置分流的故障电流很小。考虑到在2倍Ttot时间内近、远端的直流断路器全部分断清除故障电流，则该组晶闸管的额定值可按承受2倍Ttot时间内峰值为故障电流峰值的半正弦波近似考虑。
由于晶闸管导通后承受通过钢轨电位限制装置中的故障电流，近、远端的直流断路器将在几十毫秒内分断并清除故障电流，而接触器的接点机械动作时间远远大于晶闸管的导通时间和断路器的动作时间，故接触器的接点容量设计不需要考虑承受故障电流。当接触器接点闭合后，钢轨与地之间的电流将主要通过接触器，直到该电流降至预设电流值以下时钢轨电位限制装置复位，接触器接点才打开。接触器的选择应考虑接点长时间承受通过电流的能力及接点的机械动作次数，可通过进行列车运行模拟计算，根据钢轨电位水平模拟计算结果决定接触器接点动作次数的要求。
图三：直流断路器分断特性曲线
四、结论
按照该原理设计的钢轨电位限制装置已成功地在钢轨电位相对较高的香港机场铁路试运行，并取得了令人 满意的结果。
文章出处：中国交通运输协会城市轨道交通专业委员会首届中青年专家论文集
