鋼軌電位限制裝置操作過電壓抑制研究

李國玉，劉 煒，蘭慧峰，陳蘇南，樊國楨，許四喜

0 引言

地鐵直流牽引供電系統的直流側為懸浮不接地系統[1]，作為回流主導體的鋼軌對地絕緣。但目前國內已開通的地鐵線路多存在較嚴重的鋼軌電位問題[2，3]。

為保障人身安全，一般在各個車站以及段場安裝有鋼軌電位限制裝置（OVPD，Over-Voltage Protection Device）。當鋼軌電位達到Ⅰ、Ⅱ段動作整定值后，鋼軌通過 OVPD中直流接觸器直接接地，以鉗制鋼軌電位[4～6]。據某地鐵公司統計數據，其全線OVPD曾在6 h的監測時間內動作次數達349次，其中Ⅰ段動作125次，Ⅱ段動作224次，Ⅱ段動作次數高于Ⅰ段動作次數。甚至出現多次6站及以上車站OVPD同時動作的情況。OVPD閉合時，極大地增加了注入地中的雜散電流。

針對OVPD分閘操作過電壓的問題，文獻[7]認為有必要給OVPD加入閉鎖裝置，若OVPD閉合后流過較大電流，則閉鎖 OVPD，防止 OVPD分閘產生的操作過電壓。文獻[8]提出該過電壓是由于 OVPD中直流接觸器分合閘改變了回流系統等值結構和參數，造成高階振蕩電路的暫態過程，從而引起過電壓。文獻[9]針對合肥軌道交通車輛段、停車場出現的鋼軌電位異常升高現象進行分析和現場實測，測試結果表明，當前單向導通裝置的設置會導致車輛段鋼軌電位與雜散電流受正線運行干擾，出現鋼軌電位與雜散電流異常升高的現象，進而導致車輛段鋼軌電位限制裝置頻繁動作。

本文以在某地鐵線路開展的實際測試為基礎，分析 OVPD分閘操作過電壓對鋼軌電位的影響；建立回流仿真系統，研究鋼軌電位限制裝置分閘操作過電壓的抑制措施，并在現場實施。

1 鋼軌電位限制裝置分閘操作過電壓實測

針對某地鐵線路鋼軌電位異常問題，在連續典型牽引變電所和停車場內的 OVPD裝置安裝電壓傳感器，使用NI采集裝置采樣，記錄全天各所鋼軌電位變化過程。

測試中，記錄到多次鋼軌電位過電壓沖擊過程。如8：52：34，某牽引變電所的鋼軌電位限制裝置分閘，產生了?198 V的操作過電壓，如圖1所示。分斷電流達到?155 A，產生了明顯的電弧過程且在電流過零時過電壓峰值達到?198 V，過電壓后導致該站 OVPD Ⅱ段動作合閘。鋼軌過電壓的幅值與OVPD復歸時切斷電流的大小有關，持續時間達到200 ms左右。

圖1 復歸操作過電壓

2 操作過電壓及其抑制仿真研究

2.1 回流系統建模

城市軌道交通回流系統由鋼軌、雜散電流收集網和大地組成，可采用兩層模型或三層模型建模。本文仿真模型選取“鋼軌-大地”兩層回流結構，建立城市軌道交通回流系統分布參數等效電路模型。項目組實測了該線路的3個相鄰牽引所同步負荷過程數據。為與實測情況對應，模型中設置3個牽引變電所（A、B、C所）及1個停車場，采用雙邊供電方式，列車采用電流源模擬。模型中假設回流系統參數均勻分布，饋電線路阻抗忽略不計。簡化后的回流系統等效電路模型如圖2所示。

圖2 回流系統建模示意圖

圖中：Rr為接觸網縱向電阻；R1、L1分別為鋼軌縱向電阻和鋼軌電感；Rt、C1分別為正線鋼軌對地過渡電阻和鋼軌對地電容；K1為停車場內的OVPD接觸器。等值電路設定參數如表1所示。

表1 仿真參數設置

由于直流牽引回流系統暫態模型中含有電阻、電感與電容等參數，結合實際情況，建立簡化的回流系統暫態模型如圖3所示。

圖3 回流系統暫態模型

OVPD合閘時，電流經OVPD由鋼軌流向大地；OVPD分閘瞬間，相當于該閉合回路突然斷開。通過理論分析，電感中的磁場能轉化為電容上的電場能，從而出現過電壓。

直流接觸器K閉合時回路中的電流為

電容C和電感L上的能量分別為

式中：WL和WC分別為電感L和電容C上的能量；I0為直流接觸器 K閉合時的電感電流；U0為直流接觸器K閉合時電容電壓。

在開關 K分開瞬間，電感中的磁場能量轉化為電容上的電場能量，則在電容 C兩端產生的過電壓與電感電容兩者之間的能量滿足以下關系：

在開關 K分開瞬間，電感中的磁場能量轉化為電容上的電場能量，電容作為開關 K動作后吸收能量的裝置，因此其初始能量為0，即U0= 0，則有

式中：Zm為特征阻抗，Ω。

式（6）即為過電壓表達式，由此可知過電壓的大小與 OVPD分斷時流過的電流以及回流系統的暫態參數L、C有關。

2.2 OVPD操作過電壓仿真及抑制

該地鐵線路08：52：34時刻A所、B所、C所的負荷過程如圖4所示。在仿真模型中設定：線路長度為30 km，結合現場實測3個所的牽引網壓，根據負荷電流決定機車取流。此時，牽引變電所內OVPD Ⅰ段分閘，等效為圖2中開關K1分閘。K1分閘后，改變了回流系統等值電路結構，電路發生振蕩，產生分閘過電壓。對牽引變電所內 OVPD分閘過程進行暫態仿真如圖5所示。可以看出，過電壓幅值達200 V，持續時間數百毫秒，與現場實測結果吻合。

圖4 08：52：34多所負荷過程

圖5 OVPD分閘操作過電壓

開關設備的操作過電壓一般采用并聯電阻的方式抑制。但并聯電阻不能長時間并聯在鋼軌電位限制裝置上，這會影響直流牽引供電系統鋼軌對地的過渡電阻。本文研究采用快速開關投切并聯電阻方案抑制鋼軌電位限制裝置復歸時產生的過電壓。通過多次仿真實驗，并聯電阻取值1.5 Ω。

仿真加入并聯電阻對過電壓進行抑制，當OVPD電壓達到整定值，直流接觸器先觸發合閘，此后直流接觸器合位行程開關觸發過電壓抑制回路合閘；OVPD分閘時，直流接觸器先觸發分閘，由并聯電阻吸收分閘時產生的過電壓，由直流接觸器分位行程開關觸發過電壓抑制回路分閘。在上述仿真條件下得到的 OVPD分閘操作過電壓如圖6所示，過電壓峰值為?99 V，該過電壓不會導致OVPD動作。

圖6 A站鋼軌電位

3 操作過電壓抑制試驗

3.1 OVPD操作過電壓抑制仿真試驗

試驗選取意大利MS公司生產的N1250接觸器，分別在無操作過電壓吸收回路和有操作過電壓吸收回路（并聯電阻）兩種條件下進行試驗，以對比操作過電壓吸收回路的效果。

無操作過電壓吸收回路試驗電路如圖7所示。圖中：Us為試驗電源；L為鋼軌模擬電感，取7.2 mH；R1為回路電阻，根據實際電流需求可調整；R2為模擬鋼軌對地過渡電阻，取15 Ω；C1為模擬鋼軌對地并聯電容；K1為直流接觸器。試驗電壓為47 V，試驗電流為145.5 A。

圖7 無操作過電壓吸收回路試驗電路

在該電路中針對無操作過電壓吸收回路進行10次分合閘試驗，試驗測得的操作過電壓波形如圖8所示，其中9次過電壓均超過150 V。

圖8 無操作過電壓吸收回路試驗波形

同樣試驗條件下，加入操作過電壓吸收回路進行重復試驗，試驗選取1.5 Ω并聯電阻，通過快速斷路器進行投切，試驗電路如圖9所示。10次重復試驗得到的操作過電壓波形如圖10所示。可以看出，有操作過電壓吸收回路試驗中，過電壓峰值均低于150 V。兩次試驗統計結果如表2所示。

圖9 有操作過電壓吸收回路試驗電路

圖10 有操作過電壓吸收回路試驗波形

表2 操作過電壓吸收回路試驗結果統計

由表2可知，當加入吸收回路后，燃弧時間延長至28 ms左右，過電壓峰值下降至110 V左右，由公式τ=RC得，時間常數τ與電路電阻和電路電容的大小成正相關。吸收回路中增大了電阻，時間常數τ增大，導致燃弧時間延長。當OVPD分閘時，由并聯電阻吸收分閘時產生的過電壓，OVPD操作過電壓顯著降低。

3.2 OVPD操作過電壓抑制現場試驗

基于上述仿真試驗結果，在某地鐵牽引變電所OVPD裝置內加裝過電壓抑制電阻，配合快速斷路器進行OVPD分閘試驗，試驗結果如圖11所示。

圖11 并聯電阻抑制過電壓試驗結果

試驗結果中，OVPD分閘時切斷電流在30 A左右，t1時刻即200 ms時OVPD分斷，此時由于并聯電阻裝置的抑制作用，OVPD分閘操作過電壓為62.8 V；31 ms后，并聯電阻裝置在t2時刻切出，避免由于并聯電阻裝置的影響使鋼軌電流泄漏至大地。試驗期間，OVPD分閘操作過電壓均低于100 V，證明了該方法的有效性。該線路其他車站和段場后續均采用該方法改造了 OVPD裝置，有效抑制了直流接觸器截斷電流產生的鋼軌過電壓。

4 結語

針對鋼軌電位限制裝置 OVPD操作過電壓對鋼軌電位的影響，根據實際測試結果搭建了鋼軌電位限制裝置操作過電壓仿真模型，得出了 OVPDⅠ段動作后的復歸過程產生操作過電壓反復沖擊正線鋼軌，導致正線成片車站的 OVPD Ⅱ段動作的結論，OVPD裝置應考慮自身抑制操作過電壓措施。進一步提出了使用并聯電阻抑制的方法，并進行了仿真試驗及對比試驗。試驗結果表明，并聯電阻后，OVPD操作過電壓顯著降低，該過電壓不會引起OVPD動作，通過并聯電阻抑制OVPD操作過電壓的方法有效。