单向导通装置作用(单向导通装置的布置原则)

中车大连机车车辆有限公司的研究人员张松、刘宇婷、吴英帅、张哲，在2020年第2期《电气技术》杂志上撰文，介绍TramWave地面供电系统供电模块的结构和安全负极的工作原理。
由于有轨电车供电线路采用双边供电方式，而地面供电系统负极和安全负极在变电所的负极柜中同时被连接到负极母排上，所以回流电流将按照一定比例流入安全负极回路中，造成安全负极过流保护装置动作，影响系统正常运行。
单向导通装置可以阻止负极中的牵引电流流入安全负极，从而保证系统的安全可靠运行。
现代有轨电车一般采用DC 750V的供电电压，架空接触网是有轨电车的传统供电方式，具有很多优点，如技术成熟可靠、经济性好、检修维护经验丰富等。
但随着人们对自然景观越来越重视，架空接触网对自然景观的破坏以及规划和敷设困难等问题日益凸显，为了解决这些问题，出现了多种局部接触网的供电解决方案。
采用TramWave地面供电系统的现代有轨电车线路，正线设置多座牵引降压混合变电所。
这些牵引变电所不但为地面供电系统提供电力输送，而且还将地面供电系统独有的第三条保护线的“安全负极”连接到牵引变电所负极。
由于安全负极中存在回流电流，造成安全负极误动作，影响车辆运行，所以本文对安全负极的原理进行分析，并提出解决方案。
1 地面供电系统概述地面供电系统包含地面设备和车载受流系统两部分。
地面设备主要包含三部分，即地面供电模组（即接触线）、诊断系统和智能保护系统。
车载受流系统包括集电靴和液压控制系统。
地面供电系统组成示意图如图1所示。
图1 地面供电系统组成示意图1.1 地面供电系统接触线地面供电系统接触线为核心部件，其模组部件横截面示意图如图2所示。
导槽（承载内部设备）被预埋在两轨中间，用于向有轨电车供电的所有设备和电缆均被安装于导槽内，除端头电缆和中部接续电缆外，均在模组内进行连接。
导槽一般分为3m、5m和10m等规格，可以适应不同的线路弯曲半径。
导槽内部敷设正极电缆和安全负极电缆，回流可以采用负极铜条及钢板、走行轨等方式。
供电模块（长度一般为3m或5m）通过插接盒与正极电缆和安全负极电缆相连接。
地面供电模块内部各部件组成示意图分别如图3和图4所示。
图2 地面供电系统模组部件横截面示意图图3 地面供电模块内部各部件组成示意图一图4 地面供电模块内部各部件组成示意图二1.2 车载受流系统车载受流系统包含集电靴（底座、支架、护盖和排障器）、液压控制系统和熔断器。
安装后的集电靴如图5所示。
集电靴（底座上配备强力永磁铁）被安装在转向架下方，可以激活供电模块。
图5 安装后的集电靴2 安全负极的保护原理2.1 运行原理有轨电车通过液压控制箱驱动集电靴，打开防护盖板，放下集电靴，与地面供电模块接触，地面供电模块激活和未激活状态示意图如图6所示。
地面供电模块被激活，车辆获得750V供电。
接触部分仅仅集中在有轨电车车底的一小块区域，仅有车辆转向架（安装了集电靴）下方的1～2个供电模块被激活，其他供电模块处于未激活状态。
未激活的供电模块表面接地（连接到安全负极），不会带电，也不会对行人或者其他交通工具造成影响，而且该系统仅需有轨电车放下集电靴就可以自动取流，无需其他操作。
图6 地面供电模块激活和未激活状态示意图2.2 供电模块内部的故障防护在假设的正极故障状况中，柔性带上方的接触点在地面供电车载受流器离开之后，即使在车辆通过后也仍维持在高位，使对应的外部钢板保持在正极电位。
模块内部正极母排与可变极性C型铜排由柔性带上半部的正极接触板连接，柔性带上半部并未固定在柔性带下半部（如图7所示）。
正极接触板将维持在高位，柔性带下半部则会因为本身的重量而下降，将可变极性C型铜排连接至安全负极铜排。
如此将形成内部短路，电流便会在安全负极电缆内循环。
在安全负极电缆内的电流，将使变电所内的直流断路器跳闸，断开故障区段的供电。
同理，在供电模块中存在大量积水，将正极与安全负极连接，也可以引起变电所内的直流断路器跳闸。
如此能为系统提供自我保护机制，确保线路的安全。
地面供电系统的安全原则是建立在地心引力之上的。
图7 故障状态下模块内部详图2.3 安全负极过流检测装置安全负极保护策略示意图分别如图8和图9所示。
变电所配备安全负极过流检测装置来检测安全负极电缆回路的电流，并通过故障检测装置设置定值。
图8 安全负极保护策略示意图一图9 安全负极保护策略示意图二需要注意的是，图9所示的电流保护值80A，可根据需要在能够考虑系统安全性和灵敏性的前提下进行调整。
当模块表面有积水时，可能有少量电流流入安全负极，使安全负极中电流小于保护值，导致保护装置不动作。
正常状态时，安全负极与正极没有电气上的连接。
在模块被激活后，车辆的正极和负极分别与供电模块的正极和负极（供电模块负极或走行轨）连接，使系统正常工作。
在正极故障或模块内部大量进水后，安全负极电缆中存在大量电流，过流检测装置将其与设定值进行对比，电流大于设定值时，发出变电所直流断路器跳闸信号，使变电所跳闸保护，并与电力监控进行系统通信，传输跳闸故障信息。
3 单向导通装置的应用如图10所示，供电系统在没有增加单向导通装置以前，安全负极中存在的牵引电流I2b和I3b分别流入TPS2和TPS3中。
在电流I2b或I3b大于安全负极电流保护值后，将引起相应的变电所跳闸，影响车辆的正常运行。
如图11所示，在增加单向导通装置后，牵引电流无法流入安全负极回路中。
图10和图11中，TPS为变电所，Vehicle为车辆，二极管符号均为单向导通装置的示意。
图10 增加单向导通装置前的电流流向示意图图11 增加单向导通装置后的电流流向示意图单向导通装置仅允许安全负极中的电流流向负极柜，当正极和安全负极发生瞬间短路时，二极管能够承受短路电流。
安全负极单向导通装置中的二极管具有防反功能，能够防止正极和负极之间的回流电流或者短路电流流入安全负极中，保证地面供电系统安全可靠接地，以确保行人人身安全。
单向导通装置自身具备保护控制器，能够监测二极管的工作状况，并对上级提供二极管是否需要维护检修等信息。
其原理为通过测量二极管管压降和二极管支路电流，对二极管工作情况进行监测，可在面板监视器上读取各二极管支路的电压/电流工况参数和故障报警，并有一定的储存记录和故障显示提示功能。
同时，当出现短路或断路故障时，控制器可通过在箱体面板的警示灯和蜂鸣器，发出故障提示信号，并传输给上位机。
从图12所示的单向导通装置主回路原理图中可以看到，为了保证系统安全可靠设置了3路二极管并联，并设置了1个电压和4个电流传感器来实时监测二极管的电压和电流。
主回路负责安全负极电流单向导通，仅允许安全负极中的电流流向负极柜；当主回路发生瞬时短路时，装置可承受瞬时的短路电流。
检测回路实时测量二极管各支路的电流、总电流和二极管两端电压。
图12 单向导通装置主回路原理图显示屏显示各二极管运行工况状态的参数，当发生断路或短路时进行故障显示。
故障上传功能将二极管的故障报警信号上传。
4 结论为满足人们对线路景观的需求，采用地面供电方式，既可以美化景观，又可以保护古建筑。
单向导通装置被应用在地面供电系统独特的安全负极保护设计中，保证地面供电模块安全可靠接地，该模块在故障情况下具有自保护功能，确保了行人和车辆的安全。