現代有軌電車一般采用DC 750V的供電電壓，架空接觸網是有軌電車的傳統供電方式，具有很多優點，如技術成熟可靠、經濟性好、檢修維護經驗豐富等。但隨著人們對自然景觀越來越重視，架空接觸網對自然景觀的破壞以及規劃和敷設困難等問題日益凸顯，為了解決這些問題，出現了多種局部接觸網的供電解決方案。

采用TramWave地面供電系統的現代有軌電車線路，正線設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提供電力輸送，而且還將地面供電系統獨有的第三條保護線的“安全負極”連接到牽引變電所負極。由于安全負極中存在回流電流，造成安全負極誤動作，影響車輛運行，所以本文對安全負極的原理進行分析，并提出解決方案。

1 地面供電系統概述

地面供電系統包含地面設備和車載受流系統兩部分。地面設備主要包含三部分，即地面供電模組（即接觸線）、診斷系統和智能保護系統。車載受流系統包括集電靴和液壓控制系統。地面供電系統組成示意圖如圖1所示。

圖1 地面供電系統組成示意圖

1.1 地面供電系統接觸線

地面供電系統接觸線為核心部件，其模組部件橫截面示意圖如圖2所示。導槽（承載內部設備）被預埋在兩軌中間，用于向有軌電車供電的所有設備和電纜均被安裝于導槽內，除端頭電纜和中部接續電纜外，均在模組內進行連接。

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

圖2 地面供電系統模組部件橫截面示意圖

圖3 地面供電模塊內部各部件組成示意圖一

圖4 地面供電模塊內部各部件組成示意圖二

1.2 車載受流系統

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

圖5 安裝后的集電靴

2 安全負極的保護原理

2.1 運行原理

有軌電車通過液壓控制箱驅動集電靴，打開防護蓋板，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示意圖如圖6所示。地面供電模塊被激活，車輛獲得750V供電。接觸部分僅僅集中在有軌電車車底的一小塊區域，僅有車輛轉向架（安裝了集電靴）下方的1～2個供電模塊被激活，其他供電模塊處于未激活狀態。

未激活的供電模塊表面接地（連接到安全負極），不會帶電，也不會對行人或者其他交通工具造成影響，而且該系統僅需有軌電車放下集電靴就可以自動取流，無需其他操作。

圖6 地面供電模塊激活和未激活狀態示意圖

2.2 供電模塊內部的故障防護

在假設的正極故障狀況中，柔性帶上方的接觸點在地面供電車載受流器離開之后，即使在車輛通過后也仍維持在高位，使對應的外部鋼板保持在正極電位。

模塊內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，柔性帶下半部則會因為本身的重量而下降，將可變極性C型銅排連接至安全負極銅排。如此將形成內部短路，電流便會在安全負極電纜內循環。

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

圖7 故障狀態下模塊內部詳圖

2.3 安全負極過流檢測裝置

安全負極保護策略示意圖分別如圖8和圖9所示。變電所配備安全負極過流檢測裝置來檢測安全負極電纜回路的電流，并通過故障檢測裝置設置定值。

圖8 安全負極保護策略示意圖一

圖9 安全負極保護策略示意圖二

需要注意的是，圖9所示的電流保護值80A，可根據需要在能夠考慮系統安全性和靈敏性的前提下進行調整。當模塊表面有積水時，可能有少量電流流入安全負極，使安全負極中電流小于保護值，導致保護裝置不動作。

正常狀態時，安全負極與正極沒有電氣上的連接。在模塊被激活后，車輛的正極和負極分別與供電模塊的正極和負極（供電模塊負極或走行軌）連接，使系統正常工作。

在正極故障或模塊內部大量進水后，安全負極電纜中存在大量電流，過流檢測裝置將其與設定值進行對比，電流大于設定值時，發出變電所直流斷路器跳閘信號，使變電所跳閘保護，并與電力監控進行系統通信，傳輸跳閘故障信息。

3 單向導通裝置的應用

如圖10所示，供電系統在沒有增加單向導通裝置以前，安全負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大于安全負極電流保護值后，將引起相應的變電所跳閘，影響車輛的正常運行。如圖11所示，在增加單向導通裝置后，牽引電流無法流入安全負極回路中。

圖10和圖11中，TPS為變電所，Vehicle為車輛，二極管符號均為單向導通裝置的示意。

圖10 增加單向導通裝置前的電流流向示意圖

圖11 增加單向導通裝置后的電流流向示意圖

單向導通裝置僅允許安全負極中的電流流向負極柜，當正極和安全負極發生瞬間短路時，二極管能夠承受短路電流。安全負極單向導通裝置中的二極管具有防反功能，能夠防止正極和負極之間的回流電流或者短路電流流入安全負極中，保證地面供電系統安全可靠接地，以確保行人人身安全。

單向導通裝置自身具備保護控制器，能夠監測二極管的工作狀況，并對上級提供二極管是否需要維護檢修等信息。其原理為通過測量二極管管壓降和二極管支路電流，對二極管工作情況進行監測，可在面板監視器上讀取各二極管支路的電壓/電流工況參數和故障報警，并有一定的儲存記錄和故障顯示提示功能。同時，當出現短路或斷路故障時，控制器可通過在箱體面板的警示燈和蜂鳴器，發出故障提示信號，并傳輸給上位機。

從圖12所示的單向導通裝置主回路原理圖中可以看到，為了保證系統安全可靠設置了3路二極管并聯，并設置了1個電壓和4個電流傳感器來實時監測二極管的電壓和電流。

主回路負責安全負極電流單向導通，僅允許安全負極中的電流流向負極柜；當主回路發生瞬時短路時，裝置可承受瞬時的短路電流。檢測回路實時測量二極管各支路的電流、總電流和二極管兩端電壓。

圖12 單向導通裝置主回路原理圖

顯示屏顯示各二極管運行工況狀態的參數，當發生斷路或短路時進行故障顯示。故障上傳功能將二極管的故障報警信號上傳。

4 結論

為滿足人們對線路景觀的需求，采用地面供電方式，既可以美化景觀，又可以保護古建筑。單向導通裝置被應用在地面供電系統獨特的安全負極保護設計中，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功能，確保了行人和車輛的安全。