基于回流系統集中參數模型的地鐵鋼軌電位和雜散電流計算

李懷志

摘 要：地鐵直流供電及回流系統中存在鋼軌對地電位和雜散電流。鋼軌對地電位對人身和設備存在直接安全隱患，雜散電流對地鐵鋼結構形成比較嚴重的電蝕。文章以具有 OVPD 裝置的直流供電及回流系統為例，建立回流網集中參數電氣模型，通過 multisim 軟件仿真，計算鋼軌對地電位和雜散電流，總結鋼軌對地電位和雜散電流規律，為排流柜投入運行、OVPD 保護電壓設置等提供依據。

關鍵詞：地鐵;回流系統;集中參數;鋼軌電位;雜散電流;OVPD

中圖分類號：U231.8

地鐵直流接觸網（軌）供電系統采用鋼軌回流，節約建設成本。鋼軌本身的縱向電阻和鋼軌對地的過渡電阻構成回流系統的一部分，產生鋼軌對地電位和雜散電流。GB 50157-2013《地鐵設計規范》[1]中規定直流牽引供電系統應為不接地系統，牽引變電所中的直流牽引供電設備必須絕緣安裝，正常雙邊供電運行時，站臺處走行軌對地電位不應大于120V，車輛基地庫線走行軌對地電位不應大于60 V。劉燕等[2]列舉了嚴重雜散電流腐蝕危險，用微元法建立雜散電流分布的數學模型。陳超錄等[3]提出限制鋼軌對地電位的方法，計算出短路狀態下鋼軌電位限制裝置（OVPD）晶閘管參數選取依據。本文旨在構建回流系統集中參數模型，基于multisim軟件仿真，計算各工況下的鋼軌電位和雜散電流數值，為排流柜投入運行、OVPD保護電壓設置等提供依據。

1 地鐵直流供電及回流系統

地鐵直流供電及回流系統主要由牽引降壓變壓器、整流機組、接觸網、直流饋線柜、排流柜、OVPD裝置、回流鋼軌、排流網、饋電線和回流線等組成。排流網用于收集雜散電流，OVPD裝置用于限制鋼軌對排流網的電位（對地電位），確保設備和人身安全。地鐵直流供電及回流系統如圖1所示。

2 回流系統集中參數模型

2.1 基本假設

地鐵接觸網一般采用雙邊供電，供電臂長度通常為2km。為了簡化模型，現做如下假設：

（1）忽略接觸網電阻;

（2）鋼軌類型為60 kg/m;

（3）鋼軌縱向電阻線性分布，忽略無縫鋼軌接頭的影響;

（4）鋼軌各處對地的過渡電阻均勻等值。

2.2 回流系統微單元結構模型

根據CJJ 49-1992 《地鐵雜散電流防護技術規程》中地鐵走行軌回流系統要求，對于運行線路，取鋼軌對地過渡電阻Rg = 3 Ω · km，60kg/m規格的鋼軌縱向電阻Rr = 0.0153Ω/km。

由于鋼軌的縱向阻值與其長度成正比，過渡電阻阻值與鋼軌長度成反比，因此，每50m的鋼軌縱向電阻R1 = 0.000765Ω;每100m的鋼軌對地過渡電阻R2 = 30Ω。以每100m鋼軌長度劃分為1 個回流系統微單元，構建每100 m集中參數下的回流系統微單元結構模型，如圖2所示。

2.3 單供電臂回流網集中參數電氣模型

單邊供電是雙邊供電的基礎，基于回流系統微單元模型，構建長度為2km的單供電臂回流網集中參數電氣模型，如圖3所示。設一維坐標原點在鋼軌0m處，坐標軸方向向右。

3 回流系統集中參數仿真模型

某城市4動2拖編組B型電客車，直流供電額定電壓為1500V，定員載荷工況。OVPD設置在車站（車輛段），距離原點1850m處。不考慮列車運行時電流實時動態變化，假定列車從接觸網取流為一段時間內的平均值，等效為一直流恒流源。查閱電客車牽引制動特性曲線，確定在牽引工況下受電弓取流IS = 2800A，制動工況下受電弓回流IS = 3500A，牽引負荷等效為直流電流源，并假定牽引工況取流為參考正方向，制動工況回流為反方向。利用multisim軟件，建立回流系統集中參數仿真模型，如圖4所示。利用萬用表測試接地點G到V1、V2…直至V22點對地電位，利用電流探針測試排流網各處電流（I1～I19）。

4 仿真結果

4.1 工況 1：排流網未投入運行

正常工況下，排流網不投入運行，用multisim軟件仿真測試V1～V22各點對G點電位和I1～I19各條支路雜散電流，鋼軌電位分布如圖5所示，雜散電流分布如圖6所示。鋼軌電位和雜散電流具有如下規律：

（1）鋼軌各處對地電位呈線性規律，雜散電流呈拋物線規律;

（2）坐標原點處，鋼軌對地電位為41.93V和-52.413V，坐標1000m處雜散電流為6.99A和-8.73A;

（3）坐標1000 m處鋼軌對地電位最低，接近0 V;

（4）制動工況下鋼軌最高電位絕對值比牽引工況下鋼軌最高電位高。

4.2 工況 2：排流網投入運行

由于列車大多數時間運行在牽引工況，為簡化問題，本文只討論牽引工況下排流網投入運行情況，即排流網作用結果相當于圖4中A點和B點短接。用multisim軟件仿真測試各點在牽引工況下鋼軌對地電位和雜散電流，結果分別如圖7和圖8所示。鋼軌電位和雜散電流具有如下規律：

（1）鋼軌各處對地電位呈線性規律，雜散電流呈拋物線規律;

（2）坐標原點處鋼軌對地電位最高，為83.445 V，雜散電流為0 A;

（3）坐標2000 m處鋼軌對地電位為0 V，雜散電流最大為27.7 A;

（4）排流網投入運行時鋼軌對地電位最大值增加，雜散電流最大值增加。

4.3 工況 3：OVPD 裝置動作

根據鋼軌對地電位高低，OVPD裝置動作。當車站鋼軌對地電位超過120 V（車輛段鋼軌對地電位超過60V）時，OVPD裝置接觸器觸點與地短接，相當于圖 4中V19點與G點短接。此時鋼軌各點電位和雜散電流如圖9和圖10所示。鋼軌電位和雜散電流具有如下規律：

（1）鋼軌各處對地電位呈線性規律，雜散電流呈拋物線規律;

（2）坐標1850 m處，鋼軌對地電位為0 V，雜散電流為23.8 A;

（3）坐標原點處鋼軌對地電位為77.260 V，雜散電流為0 A;

（4）OVPD裝置動作時鋼軌對地電位最大值增加，雜散電流最大值增加。

4.4 結果比較

通過分析地鐵供電回流系統在正常（排流網未投入運行）、排流網投入運行和OVPD裝置動作3種工況下鋼軌對地電位和雜散電流數據，由圖11可以看出排流網投入運行時鋼軌對地電位最高，雜散電流最大。

5 結論及建議

當回流網雜散電流檢測系統檢測到雜散電流過大時，排流網投入運行，減小流經鋼結構中的電流，導致總的雜散電流值增加，鋼軌對地電位升高。當OVPD裝置動作時也會增加鋼軌對地電位和雜散電流值。因此，減小鋼軌對地電位和隧道鋼結構中雜散電流的最好方案是及時有效維護鋼軌下的減震絕緣膠墊、軌枕固定螺栓和蝶形彈簧，增加鋼軌對地過渡電阻;規范標準鋼軌接縫的焊接工藝，減小鋼軌縱向電阻;利用參比電極做好雜散電流監測，減少排流網投入運行次數（甚至不投入運行）;安裝更加智能的OVPD保護裝置，減少OVPD裝置誤動作次數和鉗位時間。

參考文獻

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收稿日期 2019-08-09

責任編輯 宗仁莉