地鐵鋼軌電位限制裝置Ⅲ段頻繁動作分析研究

吳志斌

摘 要：文章就某沿海城市地鐵1號線部分車站的鋼軌電位限制裝置Ⅲ段頻繁動作進(jìn)行研究，從鋼軌電位的影響因素分析，找出可能影響鋼軌電位限制裝置Ⅲ段頻繁動作的原因，并提出相對應(yīng)的治理措施。

關(guān)鍵詞：鋼軌電位；鋼軌電位限制裝置；回流系統(tǒng)；暫態(tài)參數(shù)；功率分配

中圖分類號：U231+.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）12-0055-03

Abstract： This paper studies the frequent movement of rail over-voltage protection device （OVPD） Ⅲ section in some stations of Metro Line 1 in a coastal city. From the analysis of the influencing factors of rail potential， the reasons that may affect the frequent movement of rail over-voltage protection device Ⅲ section are found out and the corresponding control measures are put forward.

Keywords： rail potential； rail over-voltage protection device （OVPD）； reflux system； transient parameters； power distribution

1 概述

目前國內(nèi)各城市地鐵均采用直流750V或1500V供電，電客車通過接觸網(wǎng)或接觸軌取流，牽引電流通過走行軌返回牽引變電所整流機(jī)組負(fù)極。由于鋼軌自身存在阻抗及雜散電流的影響，在鋼軌上產(chǎn)生電壓降落，即為鋼軌電位。鋼軌電位的產(chǎn)生主要會造成以下3點(diǎn)危害：（1）危及乘客人身安全；（2）鋼軌正向平均電位越高，雜散電流會越大，從而加快雜散電流對土建結(jié)構(gòu)鋼筋、設(shè)備金屬外殼及地下金屬管線產(chǎn)生腐蝕；（3）造成軌旁設(shè)備如屏蔽門、轉(zhuǎn)轍機(jī)出現(xiàn)頻繁打火放電現(xiàn)象，嚴(yán)重時可導(dǎo)致直流框架保護(hù)動作，引起大規(guī)模停電。因此為了限制鋼軌電位，在工程設(shè)計時采用在車站變電所設(shè)置鋼軌電位限制裝置（Rail Over-Voltage Protection Device，OVPD），其一端接鋼軌，另一端接地母排，內(nèi)設(shè)置隔離開關(guān)，在正常運(yùn)行狀態(tài)下是隔離開關(guān)處于分位，當(dāng)OVPD內(nèi)部控制器檢測到鋼軌和接地母排之間的電位差達(dá)到整定電壓值時，OVPD合閘，將鋼軌和地短接，達(dá)到設(shè)定的延遲時間后自動斷開。某沿海城市地鐵1號線根據(jù)歐標(biāo)提供的人體耐受曲線要求，當(dāng)電位到150V人體的耐受時間為300s，從而將整定電壓值設(shè)置為三段：Ⅰ段整定值為120V，Ⅱ段整定值為150V，Ⅲ段整定值為500V。下文就某沿海城市地鐵1號線部分車站的鋼軌電位限制裝置Ⅲ段頻繁動作進(jìn)行分析研究。

2 鋼軌電位的影響因素

表1為在一段運(yùn)行期間有電客車或沒有電客車運(yùn)行時，部分車站變電所的OVPD Ⅲ段動作記錄情況。從表中可以看出，呂厝站和湖濱東路站的OVPD 直接跳過Ⅰ段和Ⅱ段，Ⅲ段直接動作，甚至呂厝站在有電客車經(jīng)過時處于長時間合閘狀態(tài)?，F(xiàn)從影響鋼軌電位的主要因素（回流系統(tǒng)的通暢性、系統(tǒng)功率分配情況對鋼軌電位的影響、回流系統(tǒng)暫態(tài)參數(shù)影響和排流對鋼軌電位影響）進(jìn)行分析。

2.1 回流系統(tǒng)的通暢性

回流系統(tǒng)的通暢性直接決定鋼軌電位水平，回流不暢會引起鋼軌電位抬升。從電流的流通路徑可以看出，軌道縱向電阻、軌道接縫電阻和回流電纜與軌道接觸電阻為回流通路電阻的重要組成部分。因此，利用DZ2變壓器直流電阻測試儀分別對呂厝往火炬園方向的上、下行，呂厝往湖濱東路方向的上、下行接觸網(wǎng)與鋼軌回流通路電阻進(jìn)行測量，如圖2至圖5所示。

根據(jù)CJJ49《雜散電流腐蝕防護(hù)規(guī)程》中規(guī)定：地鐵軌道鋼軌縱向電阻值不應(yīng)大于10mΩ/km；鋼軌接縫電阻不得大于1米鋼軌電阻；廠家提供的60kg單根鋼軌電阻為40mΩ/km，接軌網(wǎng)電阻不大于14mΩ/km；經(jīng)測試回流電纜與鋼軌連接處連接好的情況電阻幾乎很小。結(jié)合規(guī)范理論計算出圖2回流系統(tǒng)電阻大約為0.5*14+0.5*=17 mΩ，圖3回流電阻與圖2一樣大約為17mΩ，圖4回流電阻大約為0.78*14+0.78*=26.52 mΩ，圖5回流電阻與圖4一樣大約為26.52mΩ。綜合考慮直流電阻測試儀、回流電纜與鋼軌連接處電阻和鋼軌接縫電阻，圖3與圖4從理論計算值與實(shí)際測量值相比較相近，圖2和圖5理論值與實(shí)測值相差較大，可以判斷出，呂厝站往火炬園站方向上行與呂厝站往湖濱東路站下行的回流系統(tǒng)不通暢，抬升了鋼軌電位。

2.2 系統(tǒng)功率分配情況對鋼軌電位的影響

通過建立動態(tài)仿真平臺，將牽引供電系統(tǒng)的各項參數(shù)輸入仿真系統(tǒng)后得到圖6和圖7，運(yùn)用系統(tǒng)電流追蹤分析法，結(jié)合圖1車站分布圖（呂厝站和湖濱東路與相鄰的車站相距最多1公里多）可以看出，即使本站未有電客車經(jīng)過，但是相鄰車站電客車進(jìn)站或離站時，會對本站的鋼軌電位產(chǎn)生影響，而且距離越近，影響越明顯。這也說明系統(tǒng)功率的分配會對鋼軌電位的抬升產(chǎn)生影響，即便是在鋼軌對地絕緣較好、軌道縱向電阻符合要求的情況下，多列車動態(tài)運(yùn)行時系統(tǒng)的牽引電流分配對鋼軌電位也有影響。

2.3 回流系統(tǒng)暫態(tài)參數(shù)影響

OVPD屬于回流系統(tǒng)的一部分，其內(nèi)部晶閘管的性能及OVPD的閉鎖問題，這也可能造成OVPD的Ⅲ段直接動作。為了檢驗OVPD的晶閘管質(zhì)量，我們通過逐步加壓至500V，判斷晶閘管是否在500V以下不導(dǎo)通，到達(dá)500V及以上導(dǎo)通。通過現(xiàn)場測量，呂厝站和湖濱東路站的OVPD內(nèi)部晶閘管的質(zhì)量沒有問題。針對OVPD的閉鎖問題，到呂厝站現(xiàn)場測試，記錄到多次鋼軌電位加壓升高至I 段保護(hù)動作，延時10s后，接觸器分閘導(dǎo)致鋼軌電位瞬間升高至500V以上，OVPD Ⅲ段保護(hù)動作，鋼軌電位限制裝置閉鎖，而鋼軌電位限制裝置未設(shè)閉鎖則OVPD Ⅲ段未動作。記錄如圖8和圖9所示，這表明OVPD的Ⅲ段動作可受到回流系統(tǒng)暫態(tài)參數(shù)影響。

2.4 排流對鋼軌電位影響

通過雜散電流監(jiān)測裝置檢測出，目前呂厝站和湖濱東路站的雜散電流極化電位值都低于設(shè)計規(guī)范0.5V，且變電所內(nèi)設(shè)置的排流柜并未投入，所以呂厝站和湖濱東路站的OVPD Ⅲ段動作不受排流影響。

3 OVPD Ⅲ段頻繁動作的處理措施

3.1 針對回流系統(tǒng)通暢性處理措施

根據(jù)圖2和圖5的測試結(jié)果，初步判斷呂厝站和湖濱東路站的回流系統(tǒng)不通暢，針對該問題我們重點(diǎn)考慮回流軌與回流電纜之間連接方式，回流軌之間的焊接方式?；亓鬈壟c電纜的連接方式主要分焊接和栓接2種，焊接方式與栓接方式相比對鋼軌的損傷較大，國內(nèi)部分地鐵線路在高架區(qū)段由于焊接操作未按照規(guī)范要求進(jìn)行，出現(xiàn)過嚴(yán)重灼傷鋼軌情況，但栓接方式相對于焊接方式則容易引起回流不暢、拉弧等現(xiàn)象，造成鋼軌電位升高。因此，建議回流軌與回流電纜的連接方式采用快速銅熱焊連接方式，并對連接工藝嚴(yán)格控制，及時進(jìn)行焊接處的鋼軌探傷檢測?；亓鬈壊捎脽o縫鋼軌，回流軌之間連接采用閃光接觸焊。另外采用分點(diǎn)分段測試鋼軌對地電阻，如果發(fā)現(xiàn)電阻偏高，則說明軌對地絕緣未滿足設(shè)計要求，需對其進(jìn)行絕緣處理。

3.2 針對回流系統(tǒng)暫態(tài)參數(shù)影響的處理措施

對OVPD的分閘條件改進(jìn)可以減少回流系統(tǒng)暫態(tài)參數(shù)影響OVPD Ⅲ動作。通過對直流牽引回流系統(tǒng)暫態(tài)模型及產(chǎn)生尖峰過電壓的理論分析，尖峰過電壓峰值表達(dá)式為：Ucmax=。直流牽引回流系統(tǒng)的自身暫態(tài)參數(shù)電感L與電容C是很難進(jìn)行改變的，只有通過降低分閘時刻流經(jīng)OVPD的電流來減小分閘操作產(chǎn)生的尖峰過電壓。因此，對OVPD的控制優(yōu)化可通過改進(jìn)分閘條件實(shí)現(xiàn)。當(dāng)OVPD合閘動作完成后，需檢測流經(jīng)OVPD的泄漏電流絕對值I0，如果I0值較大，大于分閘電流的整定值I，則OVPD不應(yīng)該進(jìn)行分閘操作，當(dāng)檢測到較小的泄漏電流I0時，OVPD可以進(jìn)行相應(yīng)的分閘操作，這樣就可以避免過高尖峰過電壓的產(chǎn)生，減少OVPD不必要的閉鎖操作。

4 結(jié)束語

通過對鋼軌電位主要影響因素逐項分析排查，某沿海城市地鐵1號線的個別車站鋼軌電位抬升的原因基本可以確定，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行了整改。后續(xù)線路需綜合考慮鋼軌電位的各項影響因素，在設(shè)計階段提前采取措施進(jìn)行優(yōu)化，且在施工過程中對回流系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)驗收，重點(diǎn)關(guān)注回流電纜與回流軌連接和軌對地電阻，運(yùn)營過程定期檢驗如軌道灰塵較多等影響因素立即處理。

參考文獻(xiàn)：

[1]王禹橋，李威，楊雪鋒，等.對地鐵軌道電位異常升高的研究[J].城市軌道交通研究，2009（08）：35-37.

[2]張棟梁.城市軌道交通直流牽引回流系統(tǒng)防護(hù)技術(shù)研究[D].中國礦業(yè)大學(xué)，2012.

[3]田勝利.軌道交通直流框架保護(hù)與鋼軌電位限制裝置關(guān)系分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2004（3）：28-30.

[4]金輝.鋼軌電位相關(guān)影響因素現(xiàn)場測試及分析[J].價值工程，2017（17）：81-86.

[5]李國欣.直流牽引回流系統(tǒng)分析及軌電位相關(guān)問題研究[D].中國礦業(yè)大學(xué)，2010.