地鐵鋼軌電位研究

裴 偉，曾之煜

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地鐵鋼軌電位研究

裴 偉，曾之煜

闡述鋼軌電位產(chǎn)生原理，結(jié)合實(shí)際工程建立模型進(jìn)行理論計(jì)算及軟件仿真，并對計(jì)算及仿真結(jié)果進(jìn)行分析，旨在加深對地鐵鋼軌電位的認(rèn)識，為實(shí)際工程提供參考。

地鐵；鋼軌電位；直流牽引

0 引言

地鐵采用直流牽引網(wǎng)供電，且絕大多數(shù)采用鋼軌回流。為減少雜散電流對結(jié)構(gòu)鋼筋及地下金屬管線的腐蝕，直流牽引系統(tǒng)不設(shè)置接地，采用鋼軌對地絕緣安裝，從而使鋼軌對地存在一定電位差。為確保人身安全，在車站變電所內(nèi)設(shè)置鋼軌電位限制裝置，當(dāng)鋼軌電位超過一定限值時(shí)，鋼軌電位限制裝置對應(yīng)在不同的工作段動(dòng)作，將鋼軌與地短接。國內(nèi)部分城市的地鐵線路中，經(jīng)常出現(xiàn)鋼軌電位限制裝置動(dòng)作的情況，如成都地鐵1號線海洋公署站在2011年6月—2012年1月期間鋼軌電位裝置動(dòng)作512次，其中Ⅰ段電位超過90 V，Ⅱ段電位超過120 V，Ⅲ段電位超過600 V。鋼軌電位升高是直流牽引供電系統(tǒng)的一個(gè)技術(shù)難題，其原因比較復(fù)雜。本文對地鐵鋼軌電位進(jìn)行研究，旨在加深對地鐵鋼軌電位的認(rèn)識，為實(shí)際工程提供參考。

1 鋼軌電位形成原因

影響鋼軌電位的因素包括牽引負(fù)荷電流、鋼軌縱向電阻、鋼軌對地過渡電阻、地下土壤及金屬管線縱向電阻等。以單邊供電為例，進(jìn)行最基本的電路分析。符號說明：

s—牽引變電所等效電壓源（內(nèi)阻忽略）；

—鋼軌某一點(diǎn)鋼軌電位；

rt—鋼軌對地過渡電阻；

t—接觸網(wǎng)（軌）縱向電阻；

r—鋼軌縱向電阻；

tt—接觸網(wǎng)（軌）對地過渡電阻；

e—地下土壤及金屬管線縱向電阻；

0—牽引網(wǎng)空載電流；

f—牽引負(fù)荷電流；

s—雜散電流。

（1）當(dāng)區(qū)間內(nèi)無列車取流時(shí)，理想狀態(tài)下直流牽引網(wǎng)簡化電路見圖1。鋼軌電位即為rt上產(chǎn)生的電位差，由于空載時(shí)接觸網(wǎng)（軌）-回流線-大地不能構(gòu)成電流通路，rt無電流流過，故鋼軌電位為零。

圖1 理想空載簡化電路

（2）實(shí)際工況下，接觸網(wǎng)（軌）對地存在一個(gè)過渡電阻tt，空載時(shí)簡化電路見圖2。從牽引變電所直流電源s經(jīng)t-tt-e-rt構(gòu)成了電流通路，此時(shí)鋼軌電位為空載電流0在rt上產(chǎn)生的電位差-0·rt，這也解釋了空載時(shí)鋼軌電位不為零的現(xiàn)象。

（3）當(dāng)有列車取流時(shí)，忽略接觸網(wǎng)（軌）對地過渡電阻，簡化電路見圖3。在由s-t、列車M-r-e-rt構(gòu)成的電流通路中，牽引負(fù)荷電流f其中一部分分流為雜散電流s，此時(shí)鋼軌電位為s在rt上產(chǎn)生的電位差-s·rt。

（4）假設(shè)牽引變電所內(nèi)負(fù)極母線接地，其簡化電路見圖4，此時(shí)靠近牽引變電所側(cè)的rt被短接，鋼軌電位為鋼軌縱向電位差(f-S)·r。

圖2 實(shí)際空載簡化電路

圖3 負(fù)載時(shí)簡化電路

圖4 負(fù)極接地簡化電路

通過以上定性分析可得出：空載時(shí)也可能存在鋼軌電位，其值取決于接觸網(wǎng)（軌）的絕緣性能；有列車取流時(shí)，鋼軌電位（絕對值）為雜散電流在鋼軌對地過渡電阻上形成的電位差，而與回流在鋼軌上產(chǎn)生的縱向電位差無直接聯(lián)系；鋼軌電位等于鋼軌縱向電位差的條件是負(fù)極母線接地。

2 鋼軌回流模型

分析某一點(diǎn)的鋼軌電位時(shí)，由于供電分區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的電阻、電流均不同，故各點(diǎn)的鋼軌電位也不同，需將鋼軌回流網(wǎng)絡(luò)等效為分布參數(shù)模型，將長度為的供電分區(qū)劃分為若干段長度為d的有限元。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中各電阻參數(shù)均為均勻分布，且忽略回路中暫態(tài)元件的影響，建立鋼軌回流網(wǎng)絡(luò)模型如圖5所示。

雙邊供電情況下的牽引-回流系統(tǒng)等效電路如圖6所示。分別對列車左右側(cè)區(qū)間鋼軌回流網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行KCL和KVL求解。

圖5 鋼軌回流網(wǎng)絡(luò)

圖6 牽引-回流系統(tǒng)等效電路

式中，x為鋼軌某一點(diǎn)鋼軌電位；為雙邊供電分區(qū)長度；1為列車取流時(shí)距左側(cè)牽引變電所距離；2為列車取流時(shí)距右側(cè)牽引變電所距離；為常數(shù)；為鋼軌距左側(cè)牽引變電所的距離。

3 鋼軌電位升高原因分析

由式（1）—式（3）看出，某供電區(qū)間內(nèi)鋼軌電位與牽引負(fù)荷電流、供電區(qū)間長度、鋼軌縱向電阻、地下土壤及金屬管線縱向電阻、鋼軌對地過渡電阻有關(guān)。以成都地鐵1號線升仙湖站—天府廣場站大雙邊供電分區(qū)為例進(jìn)行分析。成都地鐵1號線最高運(yùn)行速度80 km/h，旅行速度約36 km/h，初期行車對數(shù)為17對/h，系統(tǒng)規(guī)模行車對數(shù)為30對/h，采用B型車，4拖2動(dòng)編組。取f= 3 200 A，r= 0.01W/km（4根鋼軌并聯(lián)），e= 0.5W/km，rt= 15W/km。變電所設(shè)置位置見表1。

表1 變電所設(shè)置位置

3.1 行車對數(shù)的影響

（1）大雙邊運(yùn)行。根據(jù)發(fā)車對數(shù)及旅行速度計(jì)算，初期大雙邊供電分區(qū)內(nèi)同時(shí)可能有6列車取流（暫不考慮此時(shí)直流饋線繼電保護(hù)動(dòng)作，下同），系統(tǒng)規(guī)模大雙邊供電分區(qū)內(nèi)同時(shí)可能有10列車取流。按極端情況考慮，上下行分別有1列車在供電分區(qū)中點(diǎn)取流，其余4列車根據(jù)追蹤間隔計(jì)算得出其分別位于區(qū)間中點(diǎn)兩側(cè)。由此可得鋼軌電位分布見圖7和圖8，其中1、2……代表每列車啟動(dòng)產(chǎn)生的鋼軌電位，代表所有鋼軌電位之和，下同。

圖7 初期大雙邊供電區(qū)間鋼軌電位分布

圖8 系統(tǒng)規(guī)模大雙邊供電區(qū)間鋼軌電位分布

（2）正常雙邊運(yùn)行。選取人民北路站—天府廣場站區(qū)間，計(jì)算得理論上該區(qū)間內(nèi)同時(shí)可能有4列車取流。有2種情況的鋼軌電位較大：上下行各有1列車在供電分區(qū)中點(diǎn)取流，則根據(jù)追蹤間隔計(jì)算該分區(qū)只有該2列車運(yùn)行；4列車均勻分布在該區(qū)間內(nèi)，且基本靠近中點(diǎn)。同理可計(jì)算得出系統(tǒng)規(guī)模雙邊供電時(shí)供電分區(qū)內(nèi)可能有6列車同時(shí)取流。鋼軌電位分布如圖9和圖10所示。

圖9 初期雙邊供電區(qū)間鋼軌電位分布

圖10 系統(tǒng)規(guī)模雙邊供電鋼軌電位分布

3.2 鋼軌回流電阻的影響

鋼軌縱向電阻增大有2種原因：運(yùn)營時(shí)間較長導(dǎo)致整體磨損較大；某些關(guān)鍵部位（如道岔處、鋼軌魚尾板連接處等）電氣連接不暢，導(dǎo)致局部電阻陡增。

不同鋼軌縱向電阻時(shí)的鋼軌電位分布見圖11。

建立模型如圖12，假設(shè)點(diǎn)附近一段鋼軌（600 m長）r驟增10倍，對比圖9，端頭牽引所的鋼軌電位由-160 V變?yōu)?222 V。

圖11 不同Rr的鋼軌電位分布

圖12 Rr驟增時(shí)系統(tǒng)規(guī)模大雙邊供電模型

3.3 鋼軌對地過渡電阻的影響

分別取不同的鋼軌對地過渡電阻，得到系統(tǒng)規(guī)模大雙邊供電區(qū)間鋼軌電位分布見圖13。

圖13 不同Rrt的鋼軌電位分布

3.4 地下土壤及金屬管線縱向電阻的影響

不同地下土壤及金屬管線縱向電阻時(shí)系統(tǒng)規(guī)模大雙邊供電區(qū)間鋼軌電位分布見圖14。

圖14 不同Re的鋼軌電位分布

3.5 站臺(tái)門接地方式的影響

在裝設(shè)站臺(tái)門的地鐵線路中，為了保證人身安全，通常將站臺(tái)門與鋼軌做等電位聯(lián)結(jié)，且站臺(tái)門采用絕緣安裝。當(dāng)其對地絕緣失效時(shí)，即將鋼軌與地短接，此時(shí)短接點(diǎn)的鋼軌電位被鉗制為地電位，而端頭牽引所的鋼軌電位絕對值增加到鋼軌未接地時(shí)列車取流處的鋼軌正電位與端頭牽引變電所負(fù)電位絕對值之和（圖15）。

圖15 站臺(tái)門接地時(shí)鋼軌電位分布

4 結(jié)論及建議

通過以上計(jì)算及仿真，得出以下結(jié)論：

（1）一個(gè)（大）雙邊供電分區(qū)內(nèi)多車取流時(shí)，最高鋼軌電位（絕對值）通常不是出現(xiàn)在中點(diǎn)，而是出現(xiàn)在（大）雙邊供電分區(qū)兩端的牽引所。只有在上、下行區(qū)間單列車在中點(diǎn)取流時(shí)，其取流處的鋼軌電位最高且與牽引變電所處的鋼軌電位互為相反；

（2）鋼軌縱向電阻的大小對鋼軌電位影響較大，某一段鋼軌縱向電阻的陡增，會(huì)導(dǎo)致端頭牽引所處鋼軌電位的陡增；

（3）當(dāng)鋼軌對地過渡電阻超過15W/km時(shí)，其大小對鋼軌電位的影響較小；

（4）當(dāng)?shù)叵峦寥兰敖饘俟芫€縱向電阻低于 1W/km時(shí)，其大小對鋼軌電位的影響較小；

（5）與鋼軌做等電位聯(lián)結(jié)的站臺(tái)門接地后，端頭牽引所的鋼軌電位將被顯著抬升。

鑒于以上分析，為了避免某一車站鋼軌和地短接后將鄰近車站的鋼軌電位抬升而導(dǎo)致鋼軌電位限制裝置頻繁動(dòng)作，給維護(hù)帶來困擾，在地鐵的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營階段，建議采取如下措施：

（1）加大鋼軌接頭、道岔段的連接電纜截面；

（2）施工應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行；

（3）運(yùn)營后，定期組織測試鋼軌縱向電阻，及時(shí)維護(hù)更換；

（4）站臺(tái)門不考慮與鋼軌做等電位聯(lián)結(jié)，加強(qiáng)站臺(tái)門絕緣安裝及站臺(tái)絕緣安全帶的絕緣性能；

（5）適當(dāng)將鋼軌電位限制裝置整定值調(diào)高，設(shè)有站臺(tái)門的線路，考慮將列車停車信號接入鋼軌電位限制裝置電壓回路，當(dāng)列車停靠且鋼軌電位升高到特定值時(shí)，鋼軌電位限制裝置方可動(dòng)作。

5 結(jié)語

鋼軌電位升高的原因比較復(fù)雜，本文僅從常規(guī)因素進(jìn)行分析，未考慮一些暫態(tài)元件的參數(shù)，如列車運(yùn)行中輪對與地之間形成的平板電容、鋼軌自身的電感等。隨著列車的啟動(dòng)、制動(dòng)，其原有直流環(huán)境可能產(chǎn)生高頻交流，這些暫態(tài)元件之間的電磁能量相互轉(zhuǎn)換，可能產(chǎn)生過電壓，致使有些車站鋼軌電位超過了600 V（不考慮鋼軌電位限制裝置本身的問題），加之列車生產(chǎn)廠家不同，其列車啟動(dòng)電流曲線也不盡相同。另外，優(yōu)化運(yùn)營方案，如根據(jù)站間距合理安排發(fā)車間隔，盡量避免停靠在同一車站的上、下行列車同時(shí)啟動(dòng)等，均可有效降低鋼軌電位。

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The paper illustrates the principle for generating of rail potential, introduces the theoretical calculation and software simulation on the basis of a model established with connection to the actual engineering, and analyzes the calculation and simulation results accordingly so as for the deep understanding of Metro rail potential and providing references for the practical engineering.

Metro; rail potential; DC traction

U231.8

B

1007-936X(2018)02-0064-04

2017-05-24

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.02.017

裴 偉.貴陽市城市軌道交通有限公司，工程師；曾之煜.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司地鐵院電化分院，工程師。