城市軌道交通直流牽引供電系統接觸網殘壓問題研究

王小飛

重慶市軌道交通（集團）有限公司，重慶 401120

0 引言

1 500 V直流電源是我國常用的城市軌道交通牽引電源系統，但是在接觸網運行過程中，當各方來電被隔離時，若驗電器依然顯示接觸網有電荷現象，表示接觸網存在殘余電壓[1]。由于對殘壓產生的原因尚無明確的答案，針對接觸網殘壓問題，各地只能采取不同的措施減輕其造成的影響[2-3]。例如，為避免接觸網不能供電，在直流開關柜線路測試時臨時調整殘壓檢測定值。現場檢測接觸網殘壓能有效地區分正常電壓和殘壓，放線和掛接地線可以減少殘壓對檢修的影響。因此，只有從根本上解決接觸網的殘壓問題，才能為軌道交通的順利運行提供一定的保障。文章在此基礎上對殘壓問題進行相應的分析。

1 接觸網殘壓現象

某軌道交通供電系統自投入運行以來，接觸網的檢測殘余電壓范圍在70～700 V，每年會發生數十次殘壓事故，構成了重大安全隱患。接觸網殘壓的主要影響如下。

第一，通過對接觸網的直流饋線開關柜進行開關線試驗，發現當接觸網的殘壓達到300 V，送電時，如果接觸網的殘壓超過了300 V，試驗失敗，開關柜就無法合閘，導致接觸網無法供電，直接影響行車。

第二，在維護過程中，如果接觸網絡中的剩余電壓超過了驗電器的報警啟動電壓，按照安全操作規程切斷電源，為避免對生產和維護造成影響，則不允許開展接掛地線的相關作業。

第三，在維護過程中，如果接觸網的殘余電壓低于驗電器的報警啟動電壓，驗電器將顯示接觸網無電，當接觸網處于掛地線時，設備會因打火問題而燒毀。

2 接觸網系統對地絕緣電阻分布

當設備處于潮濕的環境中時，絕緣強度將降低。由于綁扎電纜之間容易積水，電阻值下降最多[4-6]。

將軌道交通1號線的1D3與1A1線的接觸網分開。用2個平行排列的絕緣體n1=312個絕緣子和n2=210個絕緣子構成的對地絕緣電阻分布如圖1所示。

圖1 1D3和1A1區域接觸網電阻分布示意圖

相對于鋼軌對地電阻與接觸網線路電阻，接觸網絕緣子絕緣電阻、分段絕緣器比差極大，接觸網各絕緣子為并聯關系，對地電阻關系可進行簡化，如圖2所示。

圖2 1D3和1A1分區接觸網對地電阻等效圖

對圖2中的接觸網接地電阻等效情況進行分析后，假設對車輛段一側進行供電并對正線一側進行斷電的情況下，串聯后根據電阻分壓原理將RA、RB、RC并聯運行。如果存儲中的電壓為1 500 V，則正極接觸網中的電壓為1 500 V。

2.1 絕緣電阻與電壓之間的關系

（1）接觸網單絕緣的絕緣性能測試。要掌握接觸網與地面的絕緣電阻，首先要了解絕緣元件的絕緣電阻，不同情況下接觸網絕緣部件絕緣性能測試如表1所示。因此，檢測不同環境下絕緣子的絕緣性能是文章研究的基礎。

表1 不同情況下接觸網絕緣部件的絕緣性能

分隔型1D3和1A1接觸網由分段絕緣器斷開，分段絕緣器兩端的電導體用1 500 V電纜平行連接。

（2）接觸網系統絕緣電阻推算。假設每個單獨的絕緣元件具有相同的絕緣電阻，并且將1D3和1A1分區中并聯的絕緣元件的數量組合在一起，可以得出以下結論：第一，

在1A1和1D3之間的絕緣電阻包括隔板本身和平行電纜的絕緣電阻，范圍為10.9×103～763.9×106kΩ；1D3分區對地絕緣電阻值RC為10.2×103～8.0×106kΩ。第二，1A1分區對地絕緣電阻值RB為13.0×103～10.0×106kΩ。第三，1A1與1D3分區間絕緣電阻包含分段絕緣器自身絕緣電阻與并聯電纜的絕緣電阻，其值為10.2×103～8.0×106kΩ。

（3）接觸網絕緣電阻測量。基于單件試驗結果，研究接觸網系統的整體絕緣性能，測量方法如圖3所示，測量結果如表2所示。

圖3 1D3和1A1面積接觸網絕緣電阻的測量方法

表2 1D3和1A1區域接觸網絕緣電阻測量值

測試結果證明，第一，當正弦電壓為1 500 V時，接觸網絡壓強低于10 V，與電阻有關，雖然沒有消除殘余電壓，但由于其絕緣電阻較低，使車體部分殘余電壓不明顯，其絕緣電阻分別是汽車區段的149.1倍和正接觸網絡的17.1倍；第二，盡管有殘留電壓，但整個接觸網的絕緣電阻都能滿足直流系統的絕緣要求。

（4）絕緣電阻與電壓分布仿真分析。基于表3數據可得以下結論：第一，模擬試驗測得的殘余電壓范圍為10.0～815.9 V，驗證結果與軌道交通所測得的殘余電壓基本吻合；第二，接觸網殘余電壓力的計算公式為1 500 V，由此可以看出，其大小由接觸網絕緣電阻之間的比例關系確定。1D3、1A1分區接觸網電壓分布仿真如圖4所示。

圖4 1D3、1A1分區接觸網電壓分布仿真

2.2 實物模擬驗證

為進一步驗證分析結果，根據圖3的內容，在接觸網上建立了分段絕緣體和絕緣子環，并進行了定性模擬的驗證，1D3、1A1分區接觸網電壓分布仿真數據如表3所示。將絕緣體A與絕緣體B的上部連接在一起，在絕緣體A的兩端施加1 500 V電壓，并將水噴射到分段絕緣體上以檢測絕緣體B的電壓值。

表3 1D3、1A1分區接觸網電壓分布仿真數據

3 結束語

總而言之，通過實際測試、模擬分析和模擬驗證已充分證明，當一個獨立的絕緣體連接一個接觸網時，接觸網的剩余電壓依賴于該系統絕緣電阻的分壓比。在為接觸網供電時，由于環境的變化，不可避免地會產生殘余電壓，但可采取有效措施，通過降低接觸網的殘余電壓來降低其對電網的不良影響。