現(xiàn)代有軌電車(chē)一般采用DC 750V的供電電壓，架空接觸網(wǎng)是有軌電車(chē)的傳統(tǒng)供電方式，具有很多優(yōu)點(diǎn)，如技術(shù)成熟可靠、經(jīng)濟(jì)性好、檢修維護(hù)經(jīng)驗(yàn)豐富等。但隨著人們對(duì)自然景觀越來(lái)越重視，架空接觸網(wǎng)對(duì)自然景觀的破壞以及規(guī)劃和敷設(shè)困難等問(wèn)題日益凸顯，為了解決這些問(wèn)題，出現(xiàn)了多種局部接觸網(wǎng)的供電解決方案。

采用TramWave地面供電系統(tǒng)的現(xiàn)代有軌電車(chē)線路，正線設(shè)置多座牽引降壓混合變電所。這些牽引變電所不但為地面供電系統(tǒng)提供電力輸送，而且還將地面供電系統(tǒng)獨(dú)有的第三條保護(hù)線的“安全負(fù)極”連接到牽引變電所負(fù)極。由于安全負(fù)極中存在回流電流，造成安全負(fù)極誤動(dòng)作，影響車(chē)輛運(yùn)行，所以本文對(duì)安全負(fù)極的原理進(jìn)行分析，并提出解決方案。

1 地面供電系統(tǒng)概述

地面供電系統(tǒng)包含地面設(shè)備和車(chē)載受流系統(tǒng)兩部分。地面設(shè)備主要包含三部分，即地面供電模組（即接觸線）、診斷系統(tǒng)和智能保護(hù)系統(tǒng)。車(chē)載受流系統(tǒng)包括集電靴和液壓控制系統(tǒng)。地面供電系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

圖1 地面供電系統(tǒng)組成示意圖

1.1 地面供電系統(tǒng)接觸線

地面供電系統(tǒng)接觸線為核心部件，其模組部件橫截面示意圖如圖2所示。導(dǎo)槽（承載內(nèi)部設(shè)備）被預(yù)埋在兩軌中間，用于向有軌電車(chē)供電的所有設(shè)備和電纜均被安裝于導(dǎo)槽內(nèi)，除端頭電纜和中部接續(xù)電纜外，均在模組內(nèi)進(jìn)行連接。

導(dǎo)槽一般分為3m、5m和10m等規(guī)格，可以適應(yīng)不同的線路彎曲半徑。導(dǎo)槽內(nèi)部敷設(shè)正極電纜和安全負(fù)極電纜，回流可以采用負(fù)極銅條及鋼板、走行軌等方式。供電模塊（長(zhǎng)度一般為3m或5m）通過(guò)插接盒與正極電纜和安全負(fù)極電纜相連接。地面供電模塊內(nèi)部各部件組成示意圖分別如圖3和圖4所示。

圖2 地面供電系統(tǒng)模組部件橫截面示意圖

圖3 地面供電模塊內(nèi)部各部件組成示意圖一

圖4 地面供電模塊內(nèi)部各部件組成示意圖二

1.2 車(chē)載受流系統(tǒng)

車(chē)載受流系統(tǒng)包含集電靴（底座、支架、護(hù)蓋和排障器）、液壓控制系統(tǒng)和熔斷器。安裝后的集電靴如圖5所示。集電靴（底座上配備強(qiáng)力永磁鐵）被安裝在轉(zhuǎn)向架下方，可以激活供電模塊。

圖5 安裝后的集電靴

2 安全負(fù)極的保護(hù)原理

2.1 運(yùn)行原理

有軌電車(chē)通過(guò)液壓控制箱驅(qū)動(dòng)集電靴，打開(kāi)防護(hù)蓋板，放下集電靴，與地面供電模塊接觸，地面供電模塊激活和未激活狀態(tài)示意圖如圖6所示。地面供電模塊被激活，車(chē)輛獲得750V供電。接觸部分僅僅集中在有軌電車(chē)車(chē)底的一小塊區(qū)域，僅有車(chē)輛轉(zhuǎn)向架（安裝了集電靴）下方的1～2個(gè)供電模塊被激活，其他供電模塊處于未激活狀態(tài)。

未激活的供電模塊表面接地（連接到安全負(fù)極），不會(huì)帶電，也不會(huì)對(duì)行人或者其他交通工具造成影響，而且該系統(tǒng)僅需有軌電車(chē)放下集電靴就可以自動(dòng)取流，無(wú)需其他操作。

圖6 地面供電模塊激活和未激活狀態(tài)示意圖

2.2 供電模塊內(nèi)部的故障防護(hù)

在假設(shè)的正極故障狀況中，柔性帶上方的接觸點(diǎn)在地面供電車(chē)載受流器離開(kāi)之后，即使在車(chē)輛通過(guò)后也仍維持在高位，使對(duì)應(yīng)的外部鋼板保持在正極電位。

模塊內(nèi)部正極母排與可變極性C型銅排由柔性帶上半部的正極接觸板連接，柔性帶上半部并未固定在柔性帶下半部（如圖7所示）。正極接觸板將維持在高位，柔性帶下半部則會(huì)因?yàn)楸旧淼闹亓慷陆?，將可變極性C型銅排連接至安全負(fù)極銅排。如此將形成內(nèi)部短路，電流便會(huì)在安全負(fù)極電纜內(nèi)循環(huán)。

在安全負(fù)極電纜內(nèi)的電流，將使變電所內(nèi)的直流斷路器跳閘，斷開(kāi)故障區(qū)段的供電。同理，在供電模塊中存在大量積水，將正極與安全負(fù)極連接，也可以引起變電所內(nèi)的直流斷路器跳閘。如此能為系統(tǒng)提供自我保護(hù)機(jī)制，確保線路的安全。地面供電系統(tǒng)的安全原則是建立在地心引力之上的。

圖7 故障狀態(tài)下模塊內(nèi)部詳圖

2.3 安全負(fù)極過(guò)流檢測(cè)裝置

安全負(fù)極保護(hù)策略示意圖分別如圖8和圖9所示。變電所配備安全負(fù)極過(guò)流檢測(cè)裝置來(lái)檢測(cè)安全負(fù)極電纜回路的電流，并通過(guò)故障檢測(cè)裝置設(shè)置定值。

圖8 安全負(fù)極保護(hù)策略示意圖一

圖9 安全負(fù)極保護(hù)策略示意圖二

需要注意的是，圖9所示的電流保護(hù)值80A，可根據(jù)需要在能夠考慮系統(tǒng)安全性和靈敏性的前提下進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)模塊表面有積水時(shí)，可能有少量電流流入安全負(fù)極，使安全負(fù)極中電流小于保護(hù)值，導(dǎo)致保護(hù)裝置不動(dòng)作。

正常狀態(tài)時(shí)，安全負(fù)極與正極沒(méi)有電氣上的連接。在模塊被激活后，車(chē)輛的正極和負(fù)極分別與供電模塊的正極和負(fù)極（供電模塊負(fù)極或走行軌）連接，使系統(tǒng)正常工作。

在正極故障或模塊內(nèi)部大量進(jìn)水后，安全負(fù)極電纜中存在大量電流，過(guò)流檢測(cè)裝置將其與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，電流大于設(shè)定值時(shí)，發(fā)出變電所直流斷路器跳閘信號(hào)，使變電所跳閘保護(hù)，并與電力監(jiān)控進(jìn)行系統(tǒng)通信，傳輸跳閘故障信息。

3 單向?qū)ㄑb置的應(yīng)用

如圖10所示，供電系統(tǒng)在沒(méi)有增加單向?qū)ㄑb置以前，安全負(fù)極中存在的牽引電流I2b和I3b分別流入TPS2和TPS3中。在電流I2b或I3b大于安全負(fù)極電流保護(hù)值后，將引起相應(yīng)的變電所跳閘，影響車(chē)輛的正常運(yùn)行。如圖11所示，在增加單向?qū)ㄑb置后，牽引電流無(wú)法流入安全負(fù)極回路中。

圖10和圖11中，TPS為變電所，Vehicle為車(chē)輛，二極管符號(hào)均為單向?qū)ㄑb置的示意。

圖10 增加單向?qū)ㄑb置前的電流流向示意圖

圖11 增加單向?qū)ㄑb置后的電流流向示意圖

單向?qū)ㄑb置僅允許安全負(fù)極中的電流流向負(fù)極柜，當(dāng)正極和安全負(fù)極發(fā)生瞬間短路時(shí)，二極管能夠承受短路電流。安全負(fù)極單向?qū)ㄑb置中的二極管具有防反功能，能夠防止正極和負(fù)極之間的回流電流或者短路電流流入安全負(fù)極中，保證地面供電系統(tǒng)安全可靠接地，以確保行人人身安全。

單向?qū)ㄑb置自身具備保護(hù)控制器，能夠監(jiān)測(cè)二極管的工作狀況，并對(duì)上級(jí)提供二極管是否需要維護(hù)檢修等信息。其原理為通過(guò)測(cè)量二極管管壓降和二極管支路電流，對(duì)二極管工作情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可在面板監(jiān)視器上讀取各二極管支路的電壓/電流工況參數(shù)和故障報(bào)警，并有一定的儲(chǔ)存記錄和故障顯示提示功能。同時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)短路或斷路故障時(shí)，控制器可通過(guò)在箱體面板的警示燈和蜂鳴器，發(fā)出故障提示信號(hào)，并傳輸給上位機(jī)。

從圖12所示的單向?qū)ㄑb置主回路原理圖中可以看到，為了保證系統(tǒng)安全可靠設(shè)置了3路二極管并聯(lián)，并設(shè)置了1個(gè)電壓和4個(gè)電流傳感器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)二極管的電壓和電流。

主回路負(fù)責(zé)安全負(fù)極電流單向?qū)ǎ瑑H允許安全負(fù)極中的電流流向負(fù)極柜；當(dāng)主回路發(fā)生瞬時(shí)短路時(shí)，裝置可承受瞬時(shí)的短路電流。檢測(cè)回路實(shí)時(shí)測(cè)量二極管各支路的電流、總電流和二極管兩端電壓。

圖12 單向?qū)ㄑb置主回路原理圖

顯示屏顯示各二極管運(yùn)行工況狀態(tài)的參數(shù)，當(dāng)發(fā)生斷路或短路時(shí)進(jìn)行故障顯示。故障上傳功能將二極管的故障報(bào)警信號(hào)上傳。

4 結(jié)論

為滿足人們對(duì)線路景觀的需求，采用地面供電方式，既可以美化景觀，又可以保護(hù)古建筑。單向?qū)ㄑb置被應(yīng)用在地面供電系統(tǒng)獨(dú)特的安全負(fù)極保護(hù)設(shè)計(jì)中，保證地面供電模塊安全可靠接地，該模塊在故障情況下具有自保護(hù)功能，確保了行人和車(chē)輛的安全。