地鐵牽引供電系統(tǒng)的接地分析

陽(yáng)建林，高 強(qiáng)，張少?gòu)?qiáng)

0 引言

國(guó)內(nèi)地鐵牽引供電系統(tǒng)采用直流供電模式，大多采用鋼軌作為回流通道，因此會(huì)產(chǎn)生雜散電流和鋼軌對(duì)地電位，在設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)的接地方式時(shí)，必須考慮這些因素的影響。牽引供電系統(tǒng)中包含交流設(shè)備和直流設(shè)備，交流電氣系統(tǒng)的接地主要考慮的是設(shè)備和人員的安全[1]。直流電氣系統(tǒng)即要保證設(shè)備工作可靠和人身安全，同時(shí)要滿足雜散電流的腐蝕防護(hù)要求，且以安全接地為主[2]。所以在地鐵工程建設(shè)之前，必須合理設(shè)計(jì)接地方式。

文獻(xiàn)[3]中對(duì)直接接地、懸浮接地、二極管接地3種方式進(jìn)行了比較分析，認(rèn)為二極管接地方式適用于地鐵供電系統(tǒng)。文獻(xiàn)[4]詳細(xì)闡述了北美地鐵設(shè)計(jì)中采用GTO反并聯(lián)接地方式的作用。本文綜合比較上述4種接地方式，從各個(gè)方面探討了其優(yōu)缺點(diǎn)，從而根據(jù)實(shí)際情況選出適宜的接地方式。

1 直流牽引供電系統(tǒng)接地

直流牽引供電系統(tǒng)中，接地從功能上可分為設(shè)備接地和系統(tǒng)接地。

在直流牽引供電系統(tǒng)中，電氣設(shè)備都要求絕緣安裝。交流設(shè)備采用外引接地極，絕緣引入。直流電氣設(shè)備還設(shè)置了直流框架泄漏保護(hù)裝置。

系統(tǒng)接地分為交流系統(tǒng)接地和直流系統(tǒng)接地。本文主要探討直流系統(tǒng)接地，交流系統(tǒng)接地可參考文獻(xiàn)[2]。直流系統(tǒng)接地是指牽引變電所直流負(fù)母線與道床等結(jié)構(gòu)的鋼筋網(wǎng)以及外引接地極之間的連接方式，可以分為直接接地、二極管接地、懸浮接地和GTO反并聯(lián)接地。

對(duì)直流系統(tǒng)接地的設(shè)計(jì)需要考慮 2方面的因素：一是最小的雜散電流泄漏；二是最大限度地保證人員的安全。在二者相沖突時(shí)，首先保證人員安全。在國(guó)內(nèi)地鐵工程建設(shè)中，針對(duì)雜散電流腐蝕和軌電位，設(shè)置了雜散電流防護(hù)系統(tǒng)（排流網(wǎng)和排流柜）以及鋼軌電位限制裝置。

2 接地方式分析

2.1 懸浮接地

懸浮接地方式下，直流負(fù)母線與大地?zé)o電氣連接，鋼軌與大地之間保持高度絕緣。但是在列車和牽引變電所處軌道對(duì)地電位較高，尤其在客流高峰期時(shí)，可能產(chǎn)生比較大的接觸電壓和跨步電壓，危害乘客的安全，所以必須通過(guò)加強(qiáng)站臺(tái)絕緣、安裝鋼軌電位限制裝置等措施來(lái)避免造成不利影響。

2.2 直接接地

直接接地方式下，直流負(fù)母線與接地網(wǎng)直接相連，從而使變電所處電位與大地電位持平。但是增加了雜散電流的泄漏通道，對(duì)附近的埋地金屬管線造成腐蝕。

2.3 二極管接地

二極管接地方式如圖1 a所示，利用二極管的單向?qū)ㄐ再|(zhì)，允許電流從地或者結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)單向流回負(fù)母線。同時(shí)，二極管接地能夠使變電所處電位維持在大地電位水平。與前述的兩種接地方式相比，既能夠減少雜散電流的泄漏，又能夠有效地降低變電所附近的電位，有利于保證人員的安全。但對(duì)軌道絕緣相對(duì)薄弱區(qū)域的鋼軌及扣件產(chǎn)生腐蝕。當(dāng)采用二極管接地方式時(shí)，還必須設(shè)計(jì)排流網(wǎng)，以匯集雜散電流，減少對(duì)金屬設(shè)施的腐蝕。

2.4 雙向GTO反并聯(lián)接地

雙向GTO反并聯(lián)接地方式如圖1 b所示，通過(guò)控制GTO的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)直流負(fù)母線與接地網(wǎng)的通斷。在正常情況下，2個(gè)GTO都處于關(guān)斷狀態(tài)，系統(tǒng)處于懸浮接地狀態(tài)，這樣可有效避免雜散電流的腐蝕；當(dāng)出現(xiàn)故障或者產(chǎn)生危險(xiǎn)電壓時(shí)，GTO都導(dǎo)通，相當(dāng)于是直接接地狀態(tài)，維持變電所處正常電壓。該接地方式可以更好地與牽引供電系統(tǒng)框架保護(hù)相結(jié)合，避免產(chǎn)生較大的故障電流損壞設(shè)備。

圖1 接地方式示意圖

3 數(shù)值計(jì)算和仿真分析

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)走行軌縱向電阻、軌道對(duì)地過(guò)渡電阻分布均勻，架空線、牽引變電所直流設(shè)備電阻忽略，土壤電阻率分布均勻。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，可以推知雜散電流分布及軌電位的分布如下：

懸浮接地時(shí)，可得雜散電流：

根據(jù)圖2可知其邊界條件是x = 0，i(x) = I；x= l，i(x) = I，代入式（1）—式（3），得雜散電流的數(shù)值計(jì)算式：

軌電位的數(shù)值計(jì)算式為

圖2 懸浮接地簡(jiǎn)單示意圖

直接接地方式下的軌電流和軌電壓也可以通過(guò)式（1）、式（2）計(jì)算，與懸浮接地方式相比，二者的邊界條件不同。

根據(jù)圖3，由基爾霍夫電流定律可得直接接地邊界條件是 x = 0，i(x) = I(1–RG/ R0) = I1；x = l，i(x) = I(1 – RG/ R0) = I1。

圖3 直接接地簡(jiǎn)單示意圖

由于直接接地，雜散電流可以從接地處泄漏，軌電位跟等效地電位數(shù)值相等，因此可得到式（6）、式（7）：

由于列車在 2個(gè)牽引變電站的運(yùn)行狀況是啟動(dòng)、區(qū)間運(yùn)行、停車制動(dòng)[6]，為了減少計(jì)算誤差，可參考文獻(xiàn)[3]牽引饋線電流變化曲線，將運(yùn)行截面圖的等效簡(jiǎn)化為圖4所示，從中可以看出，牽引功率變化曲線在不同的運(yùn)行階段不同。

假設(shè) 2個(gè)牽引變電所之間的供電距離為1.5 km，走行軌縱向電阻Rs= 0.03 Ω·km，走行軌過(guò)渡電阻 Rg= 15 Ω·km[5]。通過(guò) Matlab 仿真程序得到直接接地方式和懸浮接地方式下雜散電流和軌電位的分布曲線如圖5和圖6所示。

圖4 牽引功率變化曲線圖

二極管接地和雙向GTO反并聯(lián)接地的計(jì)算模型介于懸浮接地和直接接地，可以作為二者的折中方式，計(jì)算仿真均不再詳細(xì)探討。

圖5 雜散電流分布曲線圖

圖6 軌電位分布曲線圖

從圖5中可以看出，雜散電流的泄漏量與牽引饋線電流成正比關(guān)系，當(dāng)列車在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，雜散電流泄漏值最大；在區(qū)間運(yùn)行階段列車惰行，牽引電流維持在比較小的數(shù)值，雜散電流泄漏量遠(yuǎn)小于啟動(dòng)狀態(tài)。比較圖5 a和圖5 b，在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)，懸浮接地方式所產(chǎn)生的雜散電流遠(yuǎn)小于直接接地方式，惰行時(shí)，懸浮接地方式所產(chǎn)生的雜散電流也比較小。因此，與懸浮接地方式相比，直接接地方式可能產(chǎn)生較為嚴(yán)重的雜散電流腐蝕現(xiàn)象。

再比較圖6 a和圖6 b，可以得知在2種分布曲面中，無(wú)論列車處在哪種運(yùn)行模式，懸浮接地方式所產(chǎn)生的軌電位比直接接地方式所產(chǎn)生的軌電位大，結(jié)合實(shí)際工程建設(shè)，當(dāng)采用懸浮接地方式時(shí)，必須安裝軌電位限制裝置。

結(jié)合各種因素考慮，各種接地方式比較如表1所示。

表1 各種接地方式比較表

從表1可以看出，二極管接地和雙向GTO反并聯(lián)接地能夠比較平衡地處理雜散電流和軌電位的關(guān)系，但二者的經(jīng)濟(jì)投入比較高。國(guó)內(nèi)前期所建設(shè)的地鐵工程在牽引變電所處主要采用懸浮接地，并增設(shè)鋼軌電位限制裝置。新建的地鐵線路采用二極管接地方式，通過(guò)配置排流裝置防護(hù)雜散電流的腐蝕。GTO反并聯(lián)接地在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有先例，但通過(guò)比較分析，可以適用于地鐵工程建設(shè)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了牽引供電系統(tǒng)的4種接地方式，根據(jù)運(yùn)行截面圖分析了它們所產(chǎn)生的雜散電流和鋼軌電位，比較了各種接地方案的優(yōu)缺點(diǎn)。通過(guò)仿真計(jì)算得出，在不同接地方式下，雜散電流和鋼軌電位二者相沖突，必須從中找到平衡點(diǎn)。根據(jù)國(guó)內(nèi)地鐵建設(shè)的實(shí)際情況，二極管接地方式和雙向 GTO反并聯(lián)接地方式是比較適宜的。

[1] DL/T 621-1997 交流電氣裝置的接地[S].

[2] GB/T 10411-2005 城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)[S].

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