城市軌道交通軌地過渡電阻變化影響分析

賈坤翔

城市軌道交通軌地過渡電阻變化影響分析

賈坤翔

賈坤翔

上海申通地鐵集團有限公司

城市軌道交通普遍采用直流牽引供電方式，牽引電流由正母線經接觸網流至機車，回流電流由機車經走行軌回流至牽引變電所負極。為減少雜散電流泄漏問題帶來的影響，鋼軌與地之間需要絕緣。實際運行的線路中，普遍存在軌地絕緣值較低的問題。本文為研究軌地過渡電阻變化時回流系統的軌道電壓，軌道電流及雜散電流的變化情況，建立了回流系統仿真模型。通過仿真分析了軌地過渡電阻變化與回流系統其他參數變化的非線性，為地鐵運營及維護提供理論依據。

概述

直流供電牽引即地鐵列車運行時，其正極連接到接觸軌獲取直流電，牽引電流經軌道最終流回牽引所負極母排。直流牽引供電系統能夠為列車和其他設備提供電能，是整個軌道交通的核心部分，它主要由牽引所、接觸軌、回流系統構成。牽引所將電網高壓線路輸送的電進行降壓，然后再整流成直流電輸送給接觸軌，再將直流電供給列車，經走行軌最終回流到牽引所整流機組的負極母排。因為走行軌具有一定阻抗，牽引電流經過軌道時軌道與地之間存在電位差，而軌道對大地不可能完全絕緣，這就難免會有部分電流經軌道流入大地，然后由大地流回軌道最后流回到牽引所，而這一小部分流入大地的電流就叫做雜散電流。在城市軌道交通系統中，直流牽引方式下帶來的負面問題之一就是產生雜散電流。軌道與大地之間絕緣水平越差，雜散電流就會越多。因為雜散電流會對鋼軌及其附件、混凝土中鋼筋結構以及埋地管線等產生電化學腐蝕，被雜散電流腐蝕后，埋地鋼筋結構強度被破壞，埋地管線使用壽命也會縮短，更嚴重者會造成人員傷亡。

研究及實踐表明，軌地過渡電阻變化會引起回流系統相關參數的變化，主要有軌道電壓，軌道電流及雜散電流等參數。本文通過分析直流牽引回流系統，建立回流系統分析模型，并通過仿真分析了軌地過渡電阻連續變化時，回流系統軌道電壓、軌道電流及雜散電流等參數的變化情況。

直流牽引回流系統分析模型

為分析軌地過渡電阻連續變化時，回流系統軌道電壓、軌道電流及雜散電流的變化情況，需要建立直流牽引回流系統分析模型。分析模型主要可以分為連續型模型及離散型模型。為確定雜散電流相關參數與軌地過渡電阻之間的變化關系，本文根據已有文獻基礎，建立直流牽引回流系統連續模型進行分析。為方便推導計算，可做以下假設。

（1）Rz（軌道縱向電阻）是均勻分布的；

（2）Rg（軌道對地過渡電阻）是均勻分布的；

（3）r（饋電線路的阻抗）是無窮小的，可當作零。

利用圖1分析軌道電流、軌道電壓及雜散電流的分布解析式。

圖1 軌道電壓、軌道電流及雜散電流分布原理圖

可得

綜合上述公式可得：

其通解為：

假設A、B 為待定常數，將式上式兩邊對x 求導，可得：

則：

將A 、B式代入，得到如下結果：

軌道電壓：

軌道電流：

雜散電流：

由公式（11）、（12）、（13）可以得出軌地過渡電阻Rg與軌道電壓U、軌道電流I及雜散電流Is之間的關系。將回流系統的其他幾個影響參數固定，改變軌地過渡電阻Rg即可得到軌道電壓、軌道電流及雜散電流隨過渡電阻變化的曲線。

仿真分析

為分析軌地過渡電阻連續變化時軌道電壓、電流及雜散電流等相關參數的變化情況，針對第2節中得到的回流系統分析模型進行仿真分析。

圖2 軌地過渡電阻不同時軌道電壓U（x）的分布曲線

圖3 軌地過渡電阻不同時軌道電流I（x）的分布曲線

圖4 軌地過渡電阻不同時雜散電流Is（x）的分布曲線

由仿真結果可知，軌地過渡電阻連續變化時，回流系統參數中軌道電壓、軌道電流、雜散電流會呈非線性變化。當過渡電阻低于0.5Ω·km時，軌道電壓、軌道電流及雜散電流變化較大；過渡電阻大于15Ω·km后，隨著過渡電阻進一步增加，軌道電壓、軌道電流及雜散電流基本不再變化。因此，過渡電阻在運營過程中如果低于0.5Ω·km后，回流系統的相關參數會發生較大變化。

結語

本文通過建立直流牽引供電系統分析模型，分析了軌地過渡電阻連續變化時回流系統軌道電壓、軌道電流及雜散電流相關參數的變化情況。雜散電流相關參數的非線性變化情況表明，城市軌道交通線路運營過程中，軌地過渡電阻如果低于0.5Ω?km，雜散電流泄漏量增加較大。軌地過渡電阻大于15Ω?km后，雜散電流相關參數不會有較大的改變。該變化曲線可為實際軌道交通線路運營維護提供數據基礎。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.01.050