镇江大全赛雪龙牵引电气有限公司江苏扬中212200
摘要：在城市轨道交通设施的直流牵引供电系统中，由于操作电流与短路电流的存在，可能会引起回流回路(回流轨)与大地之间产生超出人身安全许可的接触电压。需要使用回流轨电位限制装置限制回流回路(回流轨)与大地之间的过电压的产生。本文从实现可关断晶闸管控制、减少一次设备震动的影响、完善判断电流电压方向性和记录相关数据以及延长主回路使用寿命等方面来进行概述，很好的解决了现有的回流轨电位限制装置的不足，并满足牵引供电系统设计需求和终端用户的使用要求。
关键词：回流轨电位；可关断晶闸管；轨道交通；GTO；
引言
在轨道交通行业，线路故障、车辆启停时产生的大电流等，始终是威胁安全运营的重要因素。因此，在直流牵引系统中，为保证直流牵引系统和接触网的安全运行，采用多种直流保护，快速有效切除供电系统各种故障。为了保护直流设备的安全，及时切除直流设备内的各种短路故障，直流设备在正极单元设置了大电流脱扣保护、过流保护、逆流保护、电流变化率及增量保护，热过负荷保护，低电压保护等，一旦发生故障立即跳闸断路器；负极单元设置了框架保护，一旦发生直流开关带电设备对直流柜柜体发生泄漏或绝缘损坏，框架保护动作，使相关断路器跳闸断电，有效切断故障，从而保护设备的安全。同时为了乘客的人身安全考虑采用回流轨电位限制装置来快速检测轨道和大地之间的电压，一旦发生超过人体承受的电压时，回流轨电位限制装置主开关闭合（第三段电压保护动作晶闸管导通），将轨道上的电压泄入大地，保证乘客人身安全。
1可关断晶闸管控制
普通晶闸管是一种开关元件，能在高电压、大电流条件下工作，导通条件为：加正向电压且门极有触发电流，它是由一个P-N-P-N四层半导体构成的，中间形成了三个PN结。
可关断晶闸管(GTO)的主要特点是门极加正脉冲信号触发管子导通，门极加负脉冲信号触发管子关断，因而属于全控型器件。可关断晶闸管既保留了普通单向晶闸管耐压高、电流大的特性，又具备了自关断能力，且关断时间短，不需要复杂的换向电路，工作频率高，使用方便，但对关断脉冲信号的脉冲功率和门极负向电流的上升率要求较高。
传统的回流轨电位限制装置采用普通晶闸管来实现第三段电压保护的功能，普通晶闸管可以通过在门极施加正向的触发电压来控制其导通，而只有在主回路电压（或电流）减小到接近于零时，才会关断，所以无法实现控制晶闸管的关断。为此我们采用GTO替代普通晶闸管从而实现第三段电压保护晶闸管全控方案。
采用GTO具有自断能力的晶闸管，处于断开状态时，如果有阳极正向电压，在其门极加上正向触发脉冲电流，可将其触发导通；处于导通状态时，在其门极加上反向脉冲电流，可将其关断，从而实现控制三段电压保护晶闸管回路导通和关断的全控方案。
电路中假定GTO1导通，GTO2关断。则电源通过负载R1和R2对电容C2充电，电压极性如图所示。当按下AT2时，C2对GTO2的门极放电，GTO2导通。同时C2的放电电流反向通过GTO1的门极，使GTO1关断。此C1充电，电压极性如图。当AT1闭合时，C1对GTO1的门极故电，于是GTO1导通，GTO2关断。
2一次阻尼功能
不管是交流还是直流，低压还是高压，成套设备内的一次载流量的媒介都是硬铜排，主要是因为铜排是一种大电流导电产品，导电性能好，因此得到广泛的应用。
由于回流轨电位限制装置在现场实际运用过程中频繁动作，主开关动作产生的机械应力较大，通过硬铜排的带动会对与其相连接的电流继电器产生较强的震动。为了预防这样的情况发生可以采用铜丝编织软铜排代替原有硬质铜排来连接主开关上桩头与电流继电器，当由于装配等因素产生偶发性震动时，可以降低震动力对电流继电器影响，避免电流继电器触点异常变位的可能性，同时软铜排的载流量和导电性均不低于原有硬铜排的方案，确保既有轨电位设备的性能正常。
3测量和保护方案
一般的方案为测量与保护相分开，电流电压的测量采用测量放大器，电流采集从分流器传输过来的信号，电压采集负极（轨）与大地之间的电位。设置3台电压继电器，作为一段电压保护、二段电压保护和低电压保护，并将反馈信号接入PLC控制器。
新方案将测量与保护二者相结合，采用测量放大器测量并由PLC实现保护判断的方案，替代原有设置3台电压继电器的方案，既解决了电压继电器只能判断负——地方向电压，无法判断反向电压的问题，同时将测量和保护回路进行有效结合，避免因两路回路误差导致测量的负地电压和保护判断的负地电压显示存在不一致的情况。
电路中测量放大器U9F1、U10D1采用响应时间更快的元件，同时配合响应速度更高的PLC，实时采集电流和电压值，以主开关接触器位置信号变换为触发条件，程序内部采用堆栈形式记录主开关接触器位置信号变换前后一定时间内的电流和电压值并存储，并通过通信传输将PLC的存储内容传输给显示屏，再利用显示屏曲线绘制功能，实现动作曲线的本地查看功能，同时PLC的存储内容也可以拷贝到个人电脑或远方上传控制中心，并进行离线查看分析。
4延长主回路动作寿命
钢轨对地电位的大小主要与牵引供电电压等级、列车参数、牵引负荷电流、牵引所间距、走行轨对地过渡电阻的均衡程度等因素相关。当发生某些故障时，可能会引起走行轨对地电位的陡升，如接触轨与走行轨发生金属接触短路、直流设备发生框架泄露故障等。当列车停靠站台，乘客进出车厢时会触摸金属车体，且当人多拥挤时乘客身体接触车体的时间还会较长。此时，如果走行轨上出现过高电位，乘客就有可能遭遇电击的危险。
实际运营过程中回流轨电位限制装置的的主开关频繁动作，多的可能达到每天近千次，极大的降低了主回路元器件的使用寿命。回流轨电位限制装置的设置是为了保护人身安全的，确保乘客在车站乘车时的跨步电压满足人体耐受的电压标准值以下。一旦监测到高电压就需要立即合闸主开关。
电路中通过分流器R5G1将负地主回路电流信号转化成毫伏信号，经过测量放大器U10D1的隔离转换，采集到PLC模拟量模块中，通过PLC内部设定安全电流范围，判断负地电流是否在允许范围内，若超出允许范围，由电路中PLC不发出分闸命令，继电器K5L1断开主开关接触器线圈电源，限制接触器一直处于合闸状态，同时若三段电压保护晶闸管回路导通，负地电流经过电流继电器K4H1，电路中继电器K4H1断开主开关接触器线圈电源，限制接触器一直处于合闸状态，避免主开关接触器频发动作，延长主回路动作寿命。
结束语
综上所述，本文归纳了传统回流轨电位装置的不足，以及新的牵引供电系统设计需求和终端用户的使用要求，从实现可关断晶闸管控制、减少一次设备震动的影响、完善判断电流电压方向性和记录相关数据以及延长主回路使用寿命等方面来进行概述，对传统回流轨电位装置方案做了改进升级，并进一步完善了直流牵引供电系统人身安全保护功能。
参考文献:
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