林曉偉 豐瀚麟

(1.國電南瑞科技股份有限公司，210061，南京;2.南京麥格安倍電氣科技有限公司，211100，南京 ∥ 第一作者，高級工程師)

南京寧和城際軌道交通一期工程大勝關橋區(qū)段與滬漢蓉鐵路(設計速度為250 km/h)和京滬高鐵(設計速度為380 km/h)同橋并行3.674 km。這種特殊情況在國內外尚屬首例。寧和城際軌道交通上、下行線路分別位于滬漢蓉鐵路和京滬高鐵外側，與兩線的線間距分別約為8.2 m和8.4 m，如圖1所示。

圖1 大勝關橋區(qū)段各線路接觸網位置示意圖

京滬高鐵及滬漢蓉鐵路均為國家鐵路大動脈，且均采用AT(自藕變壓器)供電方式，牽引供電為交流27.5 kV，牽引電流每線約為1 000～1 200 A；而寧和城際軌道交通采用直流1 500 V電壓供電。兩者在供電制式及電壓等級上存在很大差異。高鐵接觸網在電磁影響下，作為干擾源通過感性和容性耦合，會在線間距不超過9 m的城際軌道交通接觸網、鋼軌等與其平行敷設的導體上產生電磁和靜電感應，其產生的感應電壓會對維護人員的人身安全產生嚴重危害；同時城際軌道交通通信、信號等系統(tǒng)也易受高鐵接觸網電磁感應和電磁干擾的影響，甚至會嚴重危害設備運行安全，造成不可挽回的損失。因此，研究高鐵與城際軌道交通同橋并行情況下，高鐵對城際軌道交通所產生的電磁影響，并設計相應的感應電壓吸收裝置，是解決上述難題的有效途徑。

1 靜電感應電壓計算

南京寧和城際軌道交通一期工程在大勝關橋上采用架空柔性接觸網DC 1 500 V供電，鋼軌回流。直流牽引供電系統(tǒng)的電壓及其波動范圍應符合如下規(guī)定：在任何運行方式下，接觸網最高電壓不得高于最高值1 800 V；高峰小時負荷時，全線任一點的電壓不得低于最低值1 000 V。

并行區(qū)段接觸網于大勝關橋主橋兩側分別設置絕緣錨段關節(jié)，由區(qū)間牽引變電所1、2組成雙邊供電回路，如圖2所示。

圖2 大勝關橋區(qū)段各線路示意圖

本文對高鐵停運后，接觸網帶電AC 2×27.5 kV的場景進行分析。此場景下，高鐵接觸網正常送電，對城際軌道交通接觸網主要產生靜電感應電壓。根據電場效應，建立如下靜電感應電壓計算模型，如圖3所示。

圖3 靜電感應電壓計算模型

高鐵接觸網正常通電時對城際軌道交通接觸網產生的感應電壓ΔUg為：

ΔUg=KjUjbc/(a2+b2+c2)

(1)

式中：

Kj——感應系數，京滬高鐵與滬漢蓉鐵路均為復線，取0.6；

Uj——高鐵接觸網或正饋線電壓。

將京滬高鐵、滬漢蓉鐵路接觸網及正饋線相關數據代入式(1)，分別計算高鐵接觸網對城際軌道交通接觸網的感應電壓值后再進行疊加，從而得到相應的感應電壓值。在不考慮京滬高鐵與滬漢蓉鐵路上、下行相位差的情況下，通過計算得出高鐵接觸網對城際軌道交通接觸網產生的靜電感應電壓約為373.8 V。

2 感應電壓吸收裝置設計

2.1 設計方案

感應電壓吸收裝置系統(tǒng)采用電感與電容串聯(lián)的電路進行穩(wěn)壓濾波。高鐵線路正常運行時，會引起城際軌道交通接觸網感應電壓瞬間升高，其最大值可能達到400 V左右，感應電流最大值為100 A。GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》規(guī)定：電壓的允許值范圍為1 000～1 800 V，因此只要將該瞬間升高或者降低的電壓通過LC(電感電容)串聯(lián)諧振電路的方式進行濾波，實現(xiàn)削峰填谷，將接觸網供電電壓穩(wěn)定在標準范圍內，實現(xiàn)其對感應電壓的吸收作用，就可以保證在出現(xiàn)極端感應電壓的情況下城際軌道交通供電系統(tǒng)正常運行。

感應電壓吸收裝置系統(tǒng)邏輯如圖4所示。該裝置主要包括配電系統(tǒng)、吸收電路及保護控制系統(tǒng)等3個部分。配電系統(tǒng)包括隔離開關K1、接觸器K2、放電接觸器K3、熔斷器F1以及控制這些部件的配電繼電器等；吸收電路包括投切晶閘管Q、電感L、電容C、阻尼電阻R1和放電電阻R2；保護控制系統(tǒng)包括保護測控單元、隔離放大單元、電壓轉換單元、輔助電源及其配套傳感器等。

圖4 感應電壓吸收裝置系統(tǒng)邏輯圖

2.2 裝置功能

感應電壓吸收裝置可實現(xiàn)對接觸網工頻感應電壓的吸收，保證接觸網工作電壓在1 000～1 800 V額定范圍內；該裝置也可以通過最大過流保護或電流增量保護等實現(xiàn)故障錄波功能，采樣率不小于10 kHz，可提供波形查看窗口，并實現(xiàn)錄波文件的遠傳。

2.3 部件選型與設計

2.3.1 隔離開關

隔離開關是一個應用于直流牽引變電站的無載開關，用于線路的接通和隔離，可有效隔斷電網的正負線。作為DC 1 500 V接觸網與感應電壓吸收裝置的隔離，隔離開關須在不帶負載的情況下進行分斷。圖5為該型隔離開關的外觀樣式。其具體型號為賽雪龍雙刀型SWS1820MA2ZB1，額定電壓為DC 1 800 V，額定電流為2 000 A，采用人工方式操作。隔離開關使用機械鑰匙鎖鎖定，具有結構緊湊、短時耐受電流能力強等特點。

圖5 高壓隔離開關

2.3.2 熔斷器

熔斷器用于開斷感應電壓吸收裝置內部的短路故障。熔斷器作為保護環(huán)節(jié)，其短路開斷過程中的電弧能量值很高，并且由于直流系統(tǒng)燃弧電壓無過零，使得安全熄滅直流電弧要比分斷工業(yè)電氣系統(tǒng)的交直流短路更為艱難。因此，所選擇的熔斷器必需具備優(yōu)異的高分斷能力、強大的限流能力、短暫的熄弧時間以及消除全部燃弧能量的可靠性；同時，熔斷器還需具備正常運行20年不熔斷的耐過載、抗老化等工作性能。

熔斷器的額定電流INF是以電路中實際流過熔斷器的電流有效值IF為基礎進行計算，同時計算中應考慮環(huán)境溫度、冷卻條件、電流裕度等因素對其的影響。INF的計算公式為：

INF≥KIF

(2)

式中：

K——熔斷器裕度系數，通常取1.5～2.0。

本文選取西安西聯(lián)熔斷器制造有限公司生產的DTR系列軌道機車專用型直流熔斷器?？紤]到開斷感應電壓吸收裝置吸收的額定感應電流為100 A，結合熔斷器應預留2倍電流裕量，因此，選擇DTR-LZ3.17-200型熔斷器。該型熔斷器的額定工作電壓為DC 1 800 V，額定電流為200 A，時間常數為10～20 ms。該型熔斷器的外觀尺寸如圖6所示。

圖6 DTR-LZ3.17-200型熔斷器的外觀尺寸圖

2.3.3 直流接觸器

直流接觸器選用沈陽二一三控制電器制造有限公司生產的BC98-ZTB系列鐵路專用高壓直流接觸器。該直流接觸器型號為BC98-Z200/2022T1，額定工作電壓為1 500 V，額定工作電流為200 A，控制線圈電壓為直流24 V，帶有2個常開主觸點以及2個常開、2個常閉的輔助觸點。直流接觸器的主觸點串聯(lián)使用，其安裝和外形尺寸如圖7所示。直流接觸器采用電磁合閘以降低保持功率，同時限制最大電弧電壓，具有高可靠性機械性能和電氣性能。直流接觸器設計負荷滿足IEC 60077-1/2—2017和GB 14048.1—2016《低壓開關設備和控制設備總則》的要求。隔離開關的控制需外接控制繼電器。繼電器選用歐姆龍自動化(中國)有限公司生產的MY2N-DC 24 V繼電器。該型繼電器為直插型、帶底座、雙刀雙擲，且兩觸點并用，最大可實現(xiàn)24 V/10 A的電流通斷。控制繼電器的外觀尺寸如圖8所示。

圖7 主接觸器外形尺寸圖

圖8 控制繼電器的外觀尺寸圖

2.3.4 放電接觸器

放電接觸器需要裝有放電通路，放電通路用于設備停止工作后或維護前完全釋放柜內儲能設備剩余電量。由于母線存儲的電量較少，因此，可選擇小容量的高壓接觸器作為放電通路的開關裝置。本文選擇美國GIGAVAC放電接觸器，型號為G81A357，其額定電壓達到10 kV，額定電流為20 A，控制電壓為24 V。放電接觸器的外觀尺寸如圖9所示。放電接觸器通過控制繼電器來實現(xiàn)連接/斷開其控制的線圈電流?？刂评^電器選用常開觸點的歐姆龍MY2N-DC 24 V繼電器。該型繼電器為直插型、帶底座，可實現(xiàn)最大值為10 A的電流通斷。

圖9 放電接觸器的外觀尺寸圖

2.3.5 放電電阻

放電電阻R主要根據電容大小和放電時間進行選擇。設電網電壓為1 500 V，吸收電容C為320 μF，設在10 s內需將電容放至原有電壓的5%，即 75 V。則電阻值應滿足：R≤10 kΩ。通過計算得到，充電初始瞬態(tài)電阻上消耗的功率為 225 W，平均放電功率為36 W。

考慮到電阻功率和耐壓等因素，選擇RX24-50 W型鋁殼繞線電阻器。該電阻器電阻值為2 kΩ，質量為30 g，采用5個進行串聯(lián)；標準散熱板表面積為995 cm2,厚度為1 mm。電阻器外形尺寸如圖10所示。

圖10 RX24-50 W型鋁殼繞線電阻器的外觀尺寸圖

2.3.6 吸收電感

吸收電感按照感應電流最大值100 A、直流母線電壓1 500 V進行設計，LC在50 Hz處諧振，則L的容量為100 kVar。因此，采用LC吸收方案的參數選取為：L=31.7 mH,C=320 μF,f=50 Hz,Imax=141.4 A。吸收電感采用硅鋼CD型磁心，線包環(huán)氧樹脂澆注，電抗器額定電流為100 A。吸收電感鐵心規(guī)格為XCD 40 mm×100 mm×100 mm，其尺寸如圖11所示。設計最大磁通密度為1 T，實際磁心AeAw=2.4×10-5m4。

圖11 吸收電感鐵心的外形尺寸圖

根據PQ法估算所需串聯(lián)的電感個數為：

PQ=LILImax/(BmKμj)

(3)

式中：

j——電流密度。

根據式(3)可知，采用12個電感串聯(lián)時，可以達到需要的電感值，即單個電感值為2.642 mH。則電感匝數N為：

N=LfImax/(BmAe)

(4)

最大磁感應強度為：

Bm=LfImax/(NAe)

(5)

氣隙為：

(6)

導線選擇玻璃絲包扁銅線，其截面尺寸為2 mm×6 mm，有效截面積為11.79 mm2。通過計算可得，j為805 A/mm2，窗口系數Kμ為0.184。根據式(3)—式(6)，得到PQ=3.2×10-4m4,N=78，Bm=0.998 T,δ=30.2 mm。

2.3.7 吸收電容

吸收電容C取320 μF，則電容電壓最大值VC,max為3 207 V。設定電網電壓最大值為1 800 V，電流為100 A/50 Hz。選用DAWNCAP的4 000 V無感薄膜電容，型號為DHE4000K33和DHE4000K47各4個并聯(lián)，組成320 μF的吸收電容。其外形尺寸如圖12所示，參數如表1所示。

圖12 吸收電容外形尺寸圖

表1 吸收電容參數

2.3.8 阻尼電阻

阻尼電阻用于抑制感應電壓吸收裝置內部的LC諧振。阻尼電阻太大會影響吸收效果，阻尼電阻太小，會使得振蕩時間太長，影響吸收的響應時間。根據相關仿真計算，得到阻尼電阻R為0.7 Ω。選擇ZB-2型板型電阻器，具體型號為ZB2-0.7 Ω。經試驗驗證，其擁有良好的散熱效果，且具有短時的抗過電流能力。電阻器的外形如圖13所示。

圖13 阻尼電阻外形圖

2.3.9 投切晶閘管

投切晶閘管用于對LC濾波回路的快速投切。由于感應電流為雙向，因此采用兩個晶閘管模塊進行反向并聯(lián)。選用中車株洲電力機車研究所有限公司設計的KP8300-65型模塊，其通態(tài)平均電流為300 A，反向重復峰值電壓為6 500 V。

2.3.10 壓敏電阻

壓敏電阻用于在接觸器切合時保護感應電壓吸收裝置的內部器件。其設計在接觸器后級，選用Littelfus公司生產的BB系列壓敏電阻，型號為V172BB60。該型壓敏電阻的正常工作電壓為2 150 V，瞬態(tài)吸收能量達到6 kJ/2 ms。

2.3.11 輔助電源

輔助電源為整個控制系統(tǒng)和控制繼電器提供能量。輔助電源系統(tǒng)采用DC 24 V低壓供電，設計功率為48 W。設計1個200 W變壓整流器，將輔助供電的220 V交流市電轉換為所需的電壓。輔助電源電路原理圖如圖14所示。

圖14 輔助電源電路原理圖

設額定輸入電壓Vp為220 V，頻率f為50 Hz，變壓器效率η為0.95，不考慮整流橋效率。則輸出電壓Vo=24 V，輸出電流Io為2 A，繞組電流密度J為6 A/mm2。因此，變壓整流器繞組額定，原邊參數為：Vp=220 V,Ip=0.23 A,Sp=0.038 mm2；副邊參數為：Vs=20 V,Is=2.4 A,Ss=0.4 mm2。

選擇變壓器XCD 16 mm×32 mm×40 mm，設定最大磁通密度Bm為0.8 T，磁心AeAw=3.148 8×10-3m3。其尺寸如圖15所示。其原邊繞組匝數、副邊繞組匝數、窗口系數核算如下：Np=2 518，Ns=229，Kμ=0.294。

圖15 輔助電源變壓器尺寸

3 感應電壓吸收裝置的安裝

由于高鐵與城際軌道交通并行區(qū)段屬于寧和城際軌道交通的高架區(qū)間結構，土建結構施工時未考慮感應電壓吸收裝置安裝空間，因此寧和城際鐵路工程在該區(qū)間1、2變電所內的直流牽引母線上各設置1臺感應電壓吸收裝置，共2套。感應電壓吸收裝置安裝示意圖如圖16所示。

圖16 感應電壓吸收裝置安裝示意圖

4 結語

本文對高鐵與城際軌道交通同橋并行情況下，高鐵對城際軌道交通所產生的電磁影響進行了定量分析與計算，并在此基礎上給出了感應電壓吸收裝置的設計方案，詳細闡述了該裝置的功能及其部件選型。2017年12月6日，該裝置與寧和城際軌道交通一期工程同步投入使用，且首次在高鐵、城際軌道交通并線運行的過江大橋上得到應用。項目的成功實施，填補了國內高鐵、城際軌道交通并線跨江運行時電磁感應干擾消除難題的技術空白，保障了城際軌道交通列車的行車安全，具有強大的技術示范效應，同時也為后續(xù)類似項目的實施提供了有益的借鑒和參考。