高速磁浮动力轨供电系统框架保护动作研究

何志 李建泉

摘  要：高速磁浮动力轨供电系统采用直流供电制式，为保障供电运维人员安全，直流开关柜内设置框架保护。某高速磁浮调试线在磁浮列车受流过程中，发生框架电压保护动作，中断了动力轨供电，严重影响列车辅助供电的稳定性。通过对地面动力轨供电系统以及车载电气系统进行详细分析并采用matlab搭建电路模型进行仿真验证，找出框架电压保护动作的原因，并提出整改方案，保障供电设备的安全和动力轨给列车受流的稳定性，对后续动力轨供电系统保护配置提供理论基础。

关键词：高速磁浮;动力轨供电系统;框架电压保护;车载电气系统

高速磁浮列车因其速度高、安全、环保、节能、舒适等优点，越来越受到人们的关注，上海龙阳路站至浦东国际机场站的高速磁浮示范線，作为世界上第一条商业化运营的高速磁浮线路，全长31.17km，最高运行速度为431km/h。各科研院校及轨道交通公司对高速磁浮交通也有很多研究，要保证磁浮列车良好稳定的运行，必须要有可靠的牵引供电系统，而动力轨供电系统作为磁浮列车低速运行时的供电电源，给列车可靠制动和停车用电提供保障。目前动力轨供电系统还是采用城轨牵引供电常用的框架保护，实际上高速磁浮动力轨供电系统是不同于城轨的牵引供电系统的，为促进我国高速磁浮交通的建设和发展，有必要对高速磁浮动力轨供电系统进行更深入的研究。

 高速磁浮动力轨供电系统

由于常导长定子磁浮列车在速度≤100km/h时，车载直线发电机提供的发电量不足以满足列车用电需求;因此需要在列车启动、低速运行以及停车维修时设置动力轨，动力轨作为提供电能的接触轨，主要包括正极轨、负极轨和保护接地轨。当列车经过上述区段，列车受流靴会落下来与动力轨接触受流，满足车内的用电需求。动力轨供电系统为动力轨提供直流电源，主电路主要包括整流变压器、整流器和直流开关柜

整流变压器采用D/y/d联结形式，使两个二次侧电压相角差30°;整流器由两个二极管整流桥组成，其中一个桥接至整流变压器二次侧Y型绕组，另一整流桥接至整流变压器二次侧△型绕组，两个整流桥并联连接构成十二脉波整流，直流输出额定电压DC330V，作为动力轨的供电电源。

 直流框架保护动作分析

2.1  原理

目前调试线动力轨供电系统采用了直流框架保护，包括框架电压保护和框架电流保护;主要用于系统绝缘监测以及框架电压过高，直流开关柜采取绝缘安装，框架单点接地;通过电压变送器监测直流开关柜外壳与负极母排之间的框架电压，通过分流器以及电流变送器监测直流开关柜外壳与地排之间的框架电流，当直流开关柜正极母排绝缘破损触碰外壳时，会导致外壳存在非安全电压，可通过框架保护实现开关柜报警或跳闸。

2.2  故障分析

调试线现场中压开关柜、整流机组、直流开关柜空载上电正常，当磁浮列车落下受流靴并开始受流时，直流开关柜报框架电压动作，直流开关柜跳闸并连跳中压开关柜，导致动力轨失电。对动力轨供电系统各设备进行停电检修排查，未发现任何异常，复位继电保护装置故障信号，退出框架电压保护，整流机组再次上电，整流机组空载时，负极对框架电压接近0V;列车落受流靴，直流开关柜无故障报出，受流成功。测量直流开关柜负极对框架电压为-260V左右，超过了框架电压动作门槛值而发生跳闸。

高速磁浮动力轨供电系统为独立轨回流系统，车壳与负极轨绝缘，整个系统为浮地系统，受流时车壳与PE轨接触，保证车壳的地电位。列车受流后经升压斩波器将电压转换为DC500V给列车提供辅助电源，升压斩波器（HS）内配有正对地和负对地的二极管钳位电路，如图2所示。

变电所大地和PE轨是通过接地电缆连接在一起的，即直流开关柜和HS是共同一个大地的;故整个系统电路可做如下简化，如图3所示;

图中、为整个线路的正对地绝缘电阻、负对地绝缘电阻，为直流开关柜负极对地电压，为线路电阻，为二极管反向电阻;从图中容易看出

从上式中容易看出，与整个系统正对地绝缘电阻、负对地绝缘电阻强相关;如=，则有=-250-△;因整个线路很短，压降很小，所以实际运行时负对地电压就超过了框架电压动作值。

 仿真验证

为了验证上述结论，利用matlab中simulink工具箱搭建高速磁浮动力轨供电系统仿真模型， 主要仿真参数如表1所示;

车载电网电压仿真结果如图5所示，车载电网正对负电压500V，纹波因数为2.9%，与现场实测情况是吻合的;正对地电压为+250V，负对地电压为-250V，与之前分析的二极管钳位电路结果是一样的。

直流开关柜处电压仿真结果如图6所示，整流机组输出电压（正对负）340V，纹波因数为1.9%，负对地电压为-261V，在负极轨和回流电缆上的压降为11V左右，与现场实测情况是吻合的;根据上述仿真结果分析可知，系统正常运行时，负极对地电压就超过了框架电压门槛值，所以通过框架保护已经无法监测系统绝缘情况，需对此保护装置做改进。

 整改方案

当直流开关柜正、负极母排绝缘破损并触碰外壳，以及沿线正极轨或负极轨绝缘破损并触碰PE轨时，系统还是能正常工作;但是这种故障会造成直流开关柜外壳以及车壳存在非安全电压，有触电风险。为保证人员安全，直流开关柜取消绝缘安装，其外壳与变电所大地直接连接，同时对现有保护装置加入正对地

及负对地的电压检测，从而实现绝缘监测测功能。

4.1  正极母排对设备框架绝缘监测

在直流进线柜利用电压变送器采集正极母排与框架间的电压，并送入继电保护装置中进行逻辑判断;因考虑列车调试不允许随意断开动力轨电源，故只设置报警档;详细逻辑如图7所示。为防止直流开关柜不工作时误报警，逻辑中加入“中压已带电且进线柜合位”。

4.2  负极母排对设备框架绝缘监测

在直流负极柜中利用电压变送器采集负极母排与框架间的电压，并送入继电保护装置中进行逻辑判断，详细逻辑如图8所示。因整流机组空载时，负极对地电压为0，容易引起误报警，故逻辑中加入负极回流电流用于躲过空载工况。

经过上述整改后，直流开关柜能很好的发现正、负极接地故障;车辆正常受流时，负极对地电压-250V也不会导致开关柜跳闸，保障了动力轨供电的安全可靠。

5  结论

总结分析了高速磁浮动力轨供电系统的电气特性，并对直流框架保护原理以及框架保护动作故障

了分析，得出直流框架保护不适用于高速磁浮动力轨供电系统的接地保护，取消直流开关柜的绝缘安装并增加正极对地和负极对地电压监测，进行软件逻辑判断可实现整个系统的绝缘监测。提高了動力轨供电的可靠性及安全性，为后续高速磁浮动力轨供电系统工程设计奠定了基础。

参考文献

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作者简介：

何志（1987-），男，湖南省株洲市人，研究生，工程师，主要从事高速磁浮牵引供电系统研究工作。

先进轨道交通重点专项 牵引供电与控制系统工程化关键技术研究与实施 2016YFB1200602