軌道交通隧道內牽引網感應電壓研究

周 丹，何治新，艾曉宇，李鯤鵬, ，曹曉斌

（1. 廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣州 510010；2. 西南交通大學電氣工程學院，成都 611756）

軌道交通牽引供電系統可分為工頻單相交流制、低頻單相交流制與直流制[1]。目前我國城市軌道交通采用直流制供電，列車行駛速度較慢，還會帶來雜散電流腐蝕等問題[2-3]。隨著城市范圍的擴展與市域(郊)鐵路的發展，我國新建了一些采用工頻單相交流供電的線路，該供電方式可以提升列車的運行速度和運輸能力，在一定程度上解決大城市與周邊衛星城的交通問題[4]。

牽引網之間由于交流電的電磁耦合作用，運行線路可以在停電檢修線路上產生感應電壓。應急情況下隧道段有可能采用單側停電搶修，如果感應電壓過高，將有可能對檢修人員造成安全威脅。李群湛等[5-6]研究了新型城市軌道交通交流牽引供電系統；楊罡等[7]、雷棟等[8]通過建立軌道的分布參數模型，研究了軌道電位分布；岳新華[9]研究了地鐵交流供電系統鋼軌電位的分布規律；曹曉斌等[10]研究了鐵路站場牽引回流系統及電磁感應的問題。

但地鐵線路以隧道為主，只有車輛段和進出車輛段的部分線路位于地面以上，其電磁感應方式有別于高鐵。本文以廣州地鐵22號線設計資料為依據，通過仿真計算隧道段一側牽引網停電檢修，另一側線路正常運行時，檢修線路的感應電壓及影響因素，為停電檢修的安全措施提供參考意見。

1 交流軌道交通線路的仿真建模

1.1 隧道部分的仿真模型

帶回流線的直接供電方式是目前應用最為廣泛的一種交流供電制式，本次研究的廣州地鐵22號線采用該直接供電方式。22號線全長30.8 km，均為地下線；其區間隧道采用盾構結構，盾構區間均為單線隧洞，只在車站、出入線等個別位置存在相鄰線路，最小線間距為5.1 km，通常情況下兩條隧道的間距為12～16 m左右。隧道的外徑Φ=8 500 mm，內徑Φ=7 700 mm，隧道壁厚度為400 mm。

隧道內的接觸網采用了剛性旋轉腕臂懸掛方式，回流線設置在腕臂吊柱的對側，通過絕緣子固定在隧道壁上。安裝的回流線型號為 JT150，計算其截面積為147.12 mm2，回流線在軌面5 800 mm以上。各導線的安裝位置如圖1所示。

圖1 隧道接觸網各導線位置Figure 1 Position of each overhead catenary wire in tunnel

仿真模型中回流線的相對電阻率為 1，相對磁導率為1，半徑為0.02 m，埋深8 m，位于隧道內接觸網側上方，二者之間的間距2 m。

接觸網載流部件：由CTA150型接觸線和HL2213匯流排組成，其相對電阻率為1，相對磁導率為1，半徑為0.07 m，埋深8.7 m，位于隧道內，如圖2所示。

圖2 接觸網載流部件Figure 2 Current-carrying components of catenary

鋼軌采用60型標準鋼軌，其截面面積為77.45 cm2，縱向電阻為 0.04 Ω/km。對地過渡電阻按照新建線路取標準過渡電阻15 Ω·km，在模型中采用厚度0.01 m、電阻率為500 000 Ω·m的涂層實現[11]。

排流網參數：根據實測，單根鋼筋相對磁導率為249.1，相對電阻率為4。鋼筋的直徑為0.008 m，縱向6根，間距0.15 m，橫向15根均勻排列，埋深13.1 m。

圖3為地鐵隧道的仿真模型，內部土壤電阻率按空氣設置。

圖3 隧道仿真模型Figure 3 Simulation model of tunnel

在CDEGS的HIFREQ模塊中，由于無法設計復雜的土壤結構，本文中將土壤等效為水平3層，如圖4所示。上層土壤電阻率為32 Ω·m，中層按空氣設置為1018Ω·m，下層按勘測資料設為 1 000 Ω·m。

圖4 牽引網電磁感應仿真模型Figure 4 Electromagnetic induction simulation model of traction network

1.2 地鐵隧道外區間的仿真模型

隧道外的牽引網結構由鋼軌、回流線、接觸網與供電線組成，牽引網結構布置示意圖如圖5所示。

圖5 隧道外牽引網結構Figure 5 Structure of traction network outside the tunnel

本文根據實際線路參數，采用CTA150接觸線，JTMH95承力索與60 kg/m規格的鋼軌。土壤類型選擇均勻土壤，土壤的電阻率為100 Ω·m，鋼軌與大地間過渡電阻取15 Ω·km。隧道外的牽引網具體參數如表1所示。

表1 牽引網的線路參數Table 1 Parameters of traction network

2 隧道內上下行感應電壓仿真計算

本部分主要仿真一條隧道運行正常，另一條隧道停電檢修時，隧道內接觸網上產生的感應電壓。如圖4所示，左側的線路停電檢修，右側的線路正常運行。

2.1 單端接地感應電壓分布

當上行線路有負載，下行線路檢修接地時，激勵電流源設置為800 A，可得仿真結果如圖6所示。其中接觸線的長度為15 km(圖6中-7500～7500 m)。接地線位置位于右側，即橫坐標7 500 m處。

圖6 單端接地感應電壓分布Figure 6 Distribution of induced voltage for single-ended grounding

由圖6(a)可知，接觸網的感應電壓呈兩側高、中間低的趨勢，最高感應電壓為185 V。由圖6(b)可知，鋼軌同樣呈兩側高、中間低的趨勢，但由于鋼軌全線接地，因此鋼軌具有明顯的對稱性，最高感應電壓為122 V。造成該現象的原因是：運行線路上的牽引電流通過鋼軌回流到變電所的過程中，由于走行軌對地不絕緣，因此會造成牽引電流從-7 500 m～0 m這半個區間內是從鋼軌泄漏到大地，而從0～7 500 m這半個區間是從大地流回鋼軌。泄漏電流造成鋼軌兩端的大地電位抬升，而0電位出現在區間的中部。

由于在右側將鋼軌與接觸線短接時，檢修時，隧道內的大地電位與鋼軌和回流線的電位基本相等。因此人體實際承受的感應電壓如圖7所示。

圖7 人體實際承受感應電壓分布Figure 7 Actual voltage distribution of human body

從圖7中可以看出，當長度大于7 000 m時，二者電壓差最大值達到了91.6 V，超過我國標準規定的交流電情況下50 V安全電壓值[12-13]。

2.2 雙端接地感應電壓分布

同樣將激勵電流源設置為800 A，除接觸網右側7 500 m處安裝接地線外，在左側 -7 500 m處再增加一根接地線，即將接觸網首末雙端接地，仿真得到的電位分布結果如圖8所示。

圖8 雙端接地感應電壓分布Figure 8 Distribution of induced voltage for two-end grounding

由圖9可知，當接觸網采用雙端接地方式時，人體實際承受的電壓呈M形狀分布，兩端與中間低，最大值遠小于50 V，僅為0.4 V。由此可見，雙端接地模式可以極大地減小接觸網上的人體實際承受電壓。造成該現象的主要原因是：當接觸網采用雙端接地方式時，接觸網與鋼軌可以形成一個閉合的線圈，此時最大的電壓差為感應電流在該閉合回路上形成的最大電壓差。在考慮到工人在接觸網上作業時，有可能會斷開接觸網上的電連接，造成該閉合線圈開路，即此時斷口上的電壓相當于單側接地的最大人體承受電壓，因此下文中主要考慮接觸網單端接地。

圖9 人體實際接觸電壓分布Figure 9 Actual contact voltage distribution of the contact network

3 感應電壓的影響因素研究

3.1 隧道間距對感應電壓的影響

為了研究隧道間距對感應電壓的影響，保持上述仿真參數不變，設置牽引電流為800 A，改變接觸線間距為8、10、12、14、16 m。仿真得到檢修線路上接觸網的感應電壓如表2所示。

表2 不同隧道間距下的接觸線感應電壓Table 2 Contact line induced voltage at different tunnel spacing

從仿真結果來看，在牽引電流不變的情況下，檢修線路接觸網上的感應電壓基本不會受到隧道間距的影響，上表中兩條線路的間距從8 m增加到16 m時，檢修線路上的感應電壓基本一致。

3.2 牽引電流對感應電壓的影響研究

在單端接地的仿真模型中，設置運行線路的牽引電流為200、400、600、800、1 000 A，可得感應電壓與牽引電流的關系如表3所示。由表3可知，隨著牽引網激勵源電流的增大，對應的感應電壓也會明顯上升，當牽引電流為400 A時，其感應電壓已超過安全電壓50 V的要求。

表3 感應電壓與牽引電流的關系Table 3 Relationship between induced voltage and traction current

3.3 隧道對感應電壓的影響

根據仿真模型圖5，本文中仿真計算了非隧道段接觸網上的感應電壓，得到當一條線路有牽引負荷時，檢修線路單端接地情況下的最大感應電壓如表4所示。

表4 地面段牽引電流與感應電壓的關系Table 4 Relationship between traction current and induced voltage in ground segment

圖10為隧道內與地面段區間單邊停電檢修時，在牽引所側接地，負荷集中在供電區間末端時的感應電壓分布情況。

圖10 感應電壓隨電流的變化Figure 10 Variation of induced voltage with current

從圖中可以看出，兩種情況下，感應電壓均隨牽引電流增大而呈線性增長，二者的比例關系如表5所示。

表5 隧道段與地面段感應電壓比例Table 5 Proportion of inductive voltage between tunnel segment and ground segment

4 隧道段單側停電檢修安全措施研究

4.1 牽引電流的工況選取

根據該線路的規劃，該線路單個列車的負荷曲線為如圖11所示。

圖11 牽引電網電流、電機電流、效率對速度曲線Figure 11 Traction grid current, motor current, efficiency versus speed curve

根據圖11給出的單個列車的運行速度曲線及其規劃，近期正常情況下每個供電臂運行列車8對，仿真得到牽引變電站平均負荷電流為335.5 A，在高峰時段運行列車 15對時，牽引變電站平均負荷電流為564.3 A，遠期規劃高峰時間段運行列車24對，仿真得到平均負荷電流為627.1 A。發生短路故障時，仿真得到短路穩態電流有效值為7 000 A。

4.2 不同工況下實際可觸及感應電壓差

在實際的檢修作業中，只有鋼軌與接觸網之間的電壓才為實際的可觸及感應電壓差。根據不同的工況，得到隧道內實際可觸及感應電壓差如表6所示。

表6 不同工況的可觸及感應電壓Table 6 Touchable induced voltage under different working conditions V

從表中可以得出，當采用接觸網單端接地時，僅在近期正常工況下，其可觸及感應電壓才能滿足安全要求，而雙端接地情況下，即使發生了對地短路故障的最嚴重工況，其可觸及感應電壓也能滿足安全要求。因此建議在隧道段，供電臂首末端均需要將接觸網接地。

5 結論

本文針對單相交流供電制式的軌道交通，研究了接觸網的感應電壓及其影響因素，得到主要結論如下：

1) 接觸網與鋼軌的感應電壓均呈兩側高、中間低的趨勢。但實際威脅人身安全的主要是接觸網與鋼軌及回流線的電壓差，當采用單端接地方式，牽引電流為800 A時，其感應電壓可達185 V以上，但其與鋼軌及回流線的電壓差僅為91.6 V。

2) 接觸網與鋼軌的感應電壓差受接地方式的影響極大。在800 A牽引電流作用下，采用單端接地時，電壓差僅為 91.6 V，采用雙端接地時該電壓差僅為0.63 V。造成該現象的原因是：采用雙端接地時，接觸網與鋼軌形成閉合的線圈回路，相當于短路。考慮到作業時有可能斷開接觸網上的電聯接線，造成接觸網開路，因此提出安全作業時需要按單端接地方式考慮。

3) 研究了廣州地鐵22號線不同的實際工況對可觸及感應電壓差的影響。當采用接觸網采用單端接地時，僅在近期早高峰時，其可觸及感應電壓將達到65.5 V，發生故障短路時可超過800 V，嚴重影響檢修人員的人身安全，因此建議隧道段，供電臂首末端均需要將接觸網接地。