浅谈一款新型地铁排流柜的设计
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【摘要】地铁排流柜作为地铁杂散电流腐蚀防护系统中的一款重要设备，其控制方式的不同会得到不同的防腐蚀效果，本文将一款新型排流柜与传统排流柜控制方式进行对比，提出了新型排流柜的设计方案，通过实际应用，验证该新型排流柜具有响应速度快，排流效果理想的优点。
【关键词】排流柜；杂散电流；IGBT；单片机；实时控制
1.杂散电流的概念
在世界各地的地铁中，普遍采用直流电作为地铁车辆的电源，且大多数采用走行钢轨作为牵引电流的回流通道。随着地铁运行时间的延长，车辆与钢轨之间摩擦产生的金属粉尘在地下潮湿环境的作用下，使钢轨与大地之间的绝缘电阻不断减小，致使一部分牵引回流电流流向大地形成杂散电流（也称“迷流”）。杂散电流在流经地下金属结构时会产生电化学腐蚀，尤其对地铁沿线的输油管道、煤气管道、自来水管道及沿线建筑物结构钢等危害极大。[1]
目前对杂散电流的防护一般采取“以防为主、以排为辅”的防护措施。“以防为主”，即首先应从源头着手，尽量减少杂散电流泄露，这要求设置合理的牵引供电系统并加强走行轨对地绝缘，在轨道与轨枕之间进行绝缘，即在轨道与混凝土之间、扣件与混凝土轨枕之间采取绝缘措施，以减少钢轨的泄漏电流；同时要加强可能被腐蚀的管道、结构钢筋等的腐蚀防护，这样做在地铁运行初期可收到良好的效果。所谓“排”即是排流法，在道床内铺设钢筋网并进行电气连接，使之构成道床钢筋收集网。新建地铁大都将各段道床的结构钢筋焊成一个电气整体，称之为道床排流网（主排流网），把隧道壁的结构钢筋焊结成电气整体，称侧壁排流网（辅助排流网），并将各段排流网通过电缆相连，使道床和侧壁内形成低电阻杂散电流通道，[2]使该电流通过排流柜装置回流至牵引变电所整流器负极，避免泄漏到地下造成危害。
2.地铁排流柜简介
排流柜是组成地铁杂散电流腐蚀防护系统的一个重要的设备，通常安装在牵引变电所内，电气连接于排流网与负极柜之间。排流网收集的杂散电流通过排流柜的极性排流，使其回到整流器负极，防止从钢轨泄露到排流网的杂散电流进一步扩散，造成更大范围的危害。将泄露的杂散电流通过二极管单向回流至直流供电系统的整流器负极。从而实现对地铁本身以及沿线建筑物、管道等金属结构的有效保护。该设备也可应用于其他直流供电领域，可有效防止直流电流外泄造成的电化学腐蚀的危害。
一般地下牵引变电所设置的排流柜包括四个排流支路和一个接地支路，四个排流支路包括上、下行道床排流支路和上、下行侧壁排流支路。四个排流支路的输入端分别与上、下行道床排流网引出端子和上、下行侧壁排流网引出端子连接，接地支路输入端与变电所综合接地端子连接，各支路杂散电流通过各支路设置的整流二极管进行极性排流，在排流柜内各支路杂散电流汇集到一个汇流母排上，再通过电缆将汇流母排与负极柜连接，使杂散电流最终回到整流器负极。除整流二极管外，排流柜内主回路一般还包括直流快速熔断器、支路投切开关、限流电阻箱、压敏电阻，二次回路一般包括检测电流用到的霍尔电流传感器或分流器，检测电压用到的电压传感器或电压变送器，具有数据处理、故障诊断和通信功能的智能控制器及面板表计、指示灯和控制按钮等。
3.排流柜的分类
3.1 手动型排流柜
采用负荷开关作为投切排流回路的开关，在需要投切回路时需人为现场操作，不具备排流电流进行实时控制功能。
3.2 电动型排流柜
采用接触器或带电动操作机构的断路器作为控制部件，可实现远程控制操作，与手动负荷开关型相比，减少了人为现场的操作，但同样不具备排流电流的实时控制功能。
3.3 IGBT开关量控制型排流柜
采用新型电力电子器件IGBT(绝缘栅双极晶体管)作为排流柜投切的开关，达到了快速的投切的效果，也可实现远动控制，但控制方式只局限在简单的分合，与电动型排流柜在控制方式上没有本质的区别。
3.4 IGBT斩波调阻型排流柜
以上三种型式的排流柜中一般都设置一套或两套可变限流电阻，该电阻串联在排流回路中，根据回路中电流的大小人为换挡，调整得到不同的回路电阻值，从而达到控制排流电流的目的，其缺陷是：该可调限流电阻阻值的改变是依靠手动进行的，即在地铁运行中，根据杂散电流的泄露程度，手动改变可变限流电阻接入排流网的阻值，因该可变限流电阻接入排流网阻值的改变并非自动进行，其排流达不到理想的效果。
为了彻底解决现有的地铁杂散电流排流装置不能及时、有效地排流，缺乏实时性的缺陷，笔者设计了一款基于IGBT斩波调阻型的新型排流柜，将IGBT与一个固定的限流电阻进行并联，通过控制IGBT的导通占空比，实现并联等效电阻从0至全电阻投入，从而实现回路排流电流控制的目的，再结合运行经验，运用合理的控制方式，使排流柜实现回路电阻的无级控制，达到理想的排流效果。
IGBT斩波型排流柜与IGBT开关量控制型排流柜从主回路构成上与IGBT开关量控制性排流柜差别不大，主要区别在于开关量控制型只有两个状态，投入或不投入，而斩波型的控制方式是一个闭环控制，根据杂散电流的腐蚀情况自动控制，根据检测到腐蚀的程度，实时控制排流回路的回路电阻，从而使排流效果达到一个比较理想的状态。
4.新型排流柜的设计
4.1 智能控制器的设计
智能控制器作为新型排流柜的大脑，主要完成各种电参数的信号采集、控制脉冲生成、脉冲信号的驱动放大等主要功能。控制器运用多种电子器件完成数据采集、运算及控制，实现排流的闭环控制。控制器选用16位单片机Intel80C196KC，该器件自带10位A/D转换电路，和两路PWM脉冲发生器，对于本装置来说，既可以减少外扩A/D转换电路带来硬件成本投入，又提高了控制装置的可靠性。
如图1所示，控制器根据电压传感器SV采集的排流网对整流器负极的电压，编程实现PWM控制脉冲的生成。根据运行经验，该运行方式中的参考电压差与国标规定的“结构钢极化电位大于0.5V即造成腐蚀”[3]存在约10倍的关系，即当排流网与整流器负极电压差大于5伏时即造成腐蚀。微控制器CPU根据该电压值与预先设定参考电压5V之间的大小关系，计算出所IGBT的占空比，并根据微控制器CPU内的脉冲生成程序发出控制脉冲，通过专用IGBT功率驱动器件厚膜驱动模块M57962L进行脉冲放大，[5]驱动IGBT进行高速导通或关断，使IGBT作为进行高速直流斩波，从而改变限流电阻R2的阻值，继而改变回路的电阻值。
该装置还通过微控制器CPU中的通信程序，利用RS-485通讯电路可将各支路电流、电压、排流支路绝缘栅双极型晶体管IGBT触发脉冲的占空比、汇流母线上的总电流，快速熔断器的熔断信息等各类数据信号实时传输给上位机系统，如杂散电流监测装置或电力监控系统，原理图如图1所示。
4.2 主电路的设计
如图1所示，排流回路主电路沿电流回流方向依次为整流二极管VD、固定阻值限流电阻R1、斩波电阻R2、绝缘栅双极晶体管IGBT、电流传感器SC、直流快速熔断器FU和负荷开关QL，在回路两端设置压敏电阻RV和电压传感器SV。整流二极管VD保证杂散电流单方向流动，即杂散电流只能由排流网流向变电所整流器负极；固定限流电阻R1用于IGBT全导通时回路电流的限制；IGBT与R2组成斩波调阻单元，在驱动触发脉冲占空比在0-1之间改变时，对应的整个排流回路限流电阻在(R1+R2)－R1之间变化，从而实现回路电流的调节；电压传感器SV实时检测回路两端电压值，向CPU提供控制电压信号；电流传感器实时检测回路中电流值，一方面用于对上位机系统上传电流，另一方面用于回路的过电流保护，当电流值超过预先设定的最大限值时，适当降低IGBT导通占空比，使回路电阻增加，从而限值电流。这种电子式限流方式与直流快速熔断器配合应用，适用于不同的运行工况。负荷开关QL用于回路投入或切除；压敏电阻RV用于回路过电压保护。
排流支路的整流二极管采用ZP800-3000型平板二极管，该二极管正向平均电流为800A，反向重复峰值电压为3000V，能确保在装置自冷散热条件下额定200A的通流容量，同时该二极管能够承受反向3000V的电压。负荷开关选用额定电流为200A的负荷开关，可带负荷操作，IGBT斩波电阻模块由额定电流为400A的单管IGBT与电阻值为1K欧的固定电阻组成。限流电阻R1是一固定阻值的大功率限流电阻，阻值较低，一般在1欧以下。
5.结语
新型排流装置采用新型电力电子器件IGBT作为装置的执行部件，采用嵌入式16为Intel196KC单片机作为控制核心，其优良的响应速度比传统的开关量控制排流更趋合理。能避免开关量控制排流的过排流和欠排流对系统结构钢筋造成的影响，是目前技术水平最为先进的排流方式。
采用该技术方案设计生产的新型排流柜装置已在北京地铁1、2号线消隐改造工程中、大连轻轨三号线工程项目中成功应用，设备排流效果良好。
参考文献
[1]于松伟,杨兴山,韩连祥.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M].西南交通大学出版社,2008.
[2]地铁杂散电流腐蚀防护技术规程(CJJ49-92)[M].北京:中国计划出版社,1993.
[3]Intel 16位单片机[M].北京航空航天大学出版社,2002,7(第2版).