城軌供電變流設備應用對鋼軌電位的影響分析

王洪杰 劉 鋼 田 彩 朱 賀

1.廣州地鐵集團有限公司 廣東廣州 510330；2.重慶中車時代電氣技術有限公司 重慶 401120

城軌地面牽引供電系統配有鋼軌電位限制裝置，在檢測到負極與大地壓差達到保護門檻時，大地與負極直接導通，地面供電系統由對地懸浮系統轉變為直接接地系統，解決鋼軌電位異常偏高問題，保障人身安全。在新型變流設備得到普遍應用的情況下，現有供電系統架構已有所不同，本文將對變流設備的應用在鋼軌電位上的影響進行研究分析。

變流設備的核心器件為絕緣柵雙極型晶體管IGBT，其高電壓、大電流、脈沖干擾特性將對城軌供電系統回流系統帶來一定的影響。近年來，國內外專家對大功率變流器電磁干擾機理開展了一定研究，但對城軌地面牽引供電系統的研究較少。城軌地面牽引供電系統其特殊的接地、回流方式，其電磁干擾機理及干擾電流流通路徑存在較大差異，尚缺少相關研究。本文基于城軌地面牽引供電系統設計，分析了鋼軌電位異常機理，并對變流設備應用后可能帶來的問題進行分析，最后給出抑制共模干擾方案。

1 城軌供電及回流系統

傳統的城軌牽引供電系統，由變電所內24脈波整流、車載制動電阻構成，變電所內24脈波整流為車輛牽引提供能量，在車輛制動時，由車載制動電阻將制動能量消耗掉。隨著國家節能減排政策的深入，傳統的城軌牽引供電系統架構在不斷地改進，中壓能饋裝置的應用，取代了車載制動電阻，一方面減輕了車輛重量，另一方面可以將車輛制動時產生的制動能量返送至電網供其他負荷利用。

2020年3月，中國城市軌道交通協會正式發布《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》，提出了智慧城軌建設的指導思想，闡述了智慧城軌的標志和內涵，描述了智慧城軌建設的藍圖。綱要指出“推廣直流牽引網的雙向變流技術，可再生能源系統技術”，雙向變流技術的應用再次將城軌供電系統的變革推上了歷史新高度。

城軌牽引供電回流系統，為列車牽引電流返回變電所整流器負極提供的通道，主要有鋼軌、均流電纜及防護裝置組成，傳統的地鐵線路由走行軌作為回流軌，近年來為了更好地抑制雜散電流，部分線路設立了專用回流軌。

回流系統接地方式是根據線路運行工況進行改變的，當線路正常運行時，系統是懸浮的，鋼軌與大地是不連接的；當檢測到線路上鋼軌電位異常偏高時，系統通過鋼軌電位限制裝置直接接地，此時存在鋼軌與大地直接連接，電流直接注入大地，增加了雜散電流；當雜散電流監控系統監測到極化電位超標，控制排流柜導通，形成經二極管接地系統[1]。

配有專用回流軌的線路上，在大地與回流軌之間設置由單向導通裝置，當大地與負極之間電壓差高于二極管正向導通電壓時，回流系統采用經二極管系統方式。

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2 鋼軌電位偏高原因及影響分析

目前，鋼軌電位偏高問題普遍存在，較為嚴重的情況下，鋼軌電位限制裝置無法分閘，處于常閉狀態，對人身安全有較大威脅，嚴重影響線路的安全可靠性。通過對既有線路運行跟蹤分析，導致鋼軌電位異常的主要因素由以下幾點[2]：

2.1 縱向電阻的影響

傳統的城軌供電系統，由走行軌承擔起回流的作用，鋼軌的縱向電阻的大小，將直接影響車輛運行過程中鋼軌電位的高低，隨著鋼軌縱向電阻的增大，鋼軌電位也將增大。一般情況下，線路縱向電阻在31mΩ/km～38mΩ/km。

2.2 過渡電阻的影響

《地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程CJJ49-92》中規定：對于在建或新建地鐵線路不應小于15Ω·km，對于已投運地鐵線路不應小于3Ω·km。在工程實際應用中，根據鋼軌絕緣安裝的情況，存在過渡電阻不均勻現象，影響不同區段的鋼軌電位[3]。

2.3 越區供電的影響

線路運行過程中，是一個多列車多牽引變電所并行運行的系統，存在多輛列車制動及牽引共存的現象。由變電所24脈波整流特性可知，當一列車在某一站進行牽引時，會將就近變電所電壓拉低，由空載的1650V降至1500V左右，此時臨近的變電所出口電壓較高，存在電壓差，將為本變電所提供能量，存在較強的越區供電現象，會出現多個變電所為列車供電現象，此時回流的線路加長，線路上的壓降增加，將會抬高供電區段的鋼軌電位。

2.4 變電所間距的影響

城軌供電系統，線路正常運行時，采用雙邊供電模式，同一個供電臂上，兩側變電所同時供電。車輛運行過程中，由一個變電所駛向同供電臂上的變電所，在列車距離變電所較近時，鋼軌電位和雜散電流最小，隨著離變電所距離的增大，鋼軌電位和雜散電流隨之變大。在列車行駛到供電臂的中間位置時，回流路線最長，鋼軌電位將達到頂峰最大值。變電所間距的遠近將嚴重影響鋼軌電位。

城軌供電系統中負荷特性的特殊性、單向導通裝置及鋼軌電位限制裝置的操作過電壓、回流系統的變更等都將影響線路鋼軌電位的分布。

變流設備在城軌供電系統中的應用，是對線路回流系統的一種優化，減少了回流在鋼軌上流通的路徑，同時變流設備的應用，使得直流網壓可控，在負荷一定的情況下，將有效地降低回流電流，變流設備的應用將影響線路鋼軌電位的分布。

鋼軌電位異常偏高，影響乘客人身安全，如異常的鋼軌電位將導致鋼軌電位限制裝置長時間閉合，將導致電流經過鋼軌電位限制裝置內的直流接觸器或反并聯的晶閘管，注入大地，進一步導致雜散電流的增多，加重管道腐蝕，帶來眾多社會問題[4]；異常鋼軌電位，可能會導致框架保護動作，通過保護邏輯，跳本站35kV交流開關柜及直流開關柜，雙邊聯跳左右鄰站直流開關柜，導致相關供電區段停電，線路無法正常運行。

為了降低鋼軌電位異常帶來的問題，現階段一般會在線路上配置鋼軌電位限制裝置，該裝置安裝于走行軌和大地之間，其主要作用是防止在乘客上下車時由于其他列車的運行，使鋼軌對地電位過高或其他異常電位(如變電所正極接地、走行區正負極短接等)對人身造成電擊傷害。鋼軌電位限制裝置中主要短接裝置是接觸器支路和雙向晶閘管支路共同組成的并聯電路，用于短接走行軌和大地。鋼軌電位限制裝置工作時有2套短接裝置直接檢測鋼軌對地電位，當鋼軌對地電位超過設定的電壓值時，鋼軌電位限制裝置按設定電壓值的不同進行相應保護動作，一般分為3段保護，其中Ⅰ段、Ⅱ段保護利用接觸器閉合實現接地，Ⅲ段保護利用鋼軌電位限制器中雙向晶閘管的快速動作特性實現接地。

當鋼軌電位限制裝置檢測到鋼軌與保護地之間的電壓差大于裝置一段動作電壓U>時，接觸器經過延時T1時間后進行合閘，并經過延時T2時間后自動恢復開斷。當在規定的T3時間內裝置連續動作達到規定的次數時，短路裝置不再自動恢復開斷而處在閉合狀態。裝置的一段動作電壓可在DC25V～DC200V范圍內調節。

當鋼軌電位限制裝置檢測到鋼軌與保護地之間的電壓差大于150V(二段動作電壓U>>)時，接觸器須經規定的延時T4時間后進行永久合閘，并保持閉合狀態。

當鋼軌電位限制裝置檢測到鋼軌和保護接地之間的電位差大于600V(三段動作電壓U>>>)時，晶閘管在0.2ms內首先導通，將導軌接地，然后啟動接觸器合閘。接觸器合閘后，晶閘管回路馬上斷開。

3 變流設備應用影響分析

越區供電作為鋼軌電位異常的重要原因，變流裝置在地面牽引供電系統中的應用，可有效地降低鋼軌電位。能量回饋裝置在城軌供電系統的應用，可將列車制動產生的能量就近返送至電網，通過電網為其他負荷提供能量，減少了制動能量在直流網上的流動，降低鋼軌電位；雙向變流裝置的應用，改變了牽引供電系統特性，直流牽引的特性更加有韌性，將現有的不可控整流變為可控整流，根據需要提高直流牽引網壓，在列車負荷一定的情況下，明顯減小線路電流，減小線路回流，同時直流網壓韌性的提高減少越區供電，可有效降低鋼軌電位。

變流設備在城軌供電系統中的應用是對地面供電跨越式的推進，將現有的不可控系統，賦予一定的意識，具有一定的自主性，但不可避免地也將變流設備固有特性帶入了城軌地面牽引供電系統。線路負極與大地存在眾多寄生參數，變流設備共模電壓特性問題，勢必會對線路負極與大地的電位產生影響。

3.1 共模電壓影響

變流設備工作過程中，可控器件IGBT處于快速通斷狀態，IGBT模塊的集電極、發射極之間會產生一種電壓脈沖。此種電壓脈沖將產生一個寬頻帶電磁干擾，頻率范圍為幾千赫茲到數十兆赫茲，它是變流器系統最主要的電磁干擾源。變流器系統傳導EMI產生的機理為：IGBT在開關過程中產生非常高的電壓電流變化率，使得電壓電流中均含有豐富的高次諧波，通過變流器內部線路上的寄生電感和線路間或線路與柜體(或散熱器)間的分布電容產生強烈的瞬態噪聲，從而在電路中產生傳導干擾[5]。

變流設備所采用的功率開關器件是系統電磁噪聲源，按照耦合路徑不同，電磁干擾可以分為差模形式和共模形式。

共模干擾是指通過功率器件對地寄生參數、其他零部件對地參數形成耦合路徑，其特征是各相線上共模干擾幅值相同，相位相同。

城軌牽引供電系統，在線路正常運行時，變電所內的變流設備內的可控器件IGBT處于快速通斷狀態，測控系統通過不同的調制算法，輸出一系列的PWM波，對IGBT的工作狀態進行控制。變流設備工作過程中，IGBT將產生大量熱量，為了更好地散熱，IGBT模塊配備了較好的散熱器，散熱器與電纜、屏柜外殼等部分存在較多的寄生參數，這些寄生參數的存在，成為共模干擾傳播的途徑。可控器件開關過程中產生的dv/dt對寄生參數進行充放電，從而形成共模干擾電流。變電所內供電系統，本是懸浮系統，在共模干擾存在的情況下，將影響負地電位，影響鋼軌電位，導致鋼軌電位異常偏高。

城軌牽引供電系統中，回流軌與大地雖然進行絕緣安裝，但存在大量的寄生、分布參數。變流設備工作過程中，三相PWM方波不對稱(變流器特性)，導致三相交流電壓不對稱。不對稱的三相交流電壓產生共模電壓，共模電壓作用在線路寄生、分布參數上，將對負地電壓造成影響，導致鋼軌電位異常。經研究隨著回流軌與大地絕緣水平的提高，共模電壓的影響越嚴重。

3.2 抑制措施

為了降低共模干擾，一般可采用改變電路拓撲結構、優化控制策略、降低開關頻率等方式，但可能會影響設備性能。減少IGBT開關頻率是降低共模干擾電壓的常用手段，但不適用于高電壓等級、大功率、低開關頻率的牽引系統。較低的開關頻率共模干擾電流的最大峰值在速率后沒有明顯變化，但峰值電流頻率降低，干擾電流的頻譜曲線變化不大。

在不對現有設備進行改造的情況，采用在負極與大地間加裝Y電容的方式，有效地降低共模噪聲源在寄生參數上的分壓，從而降低鋼軌電位。經測試，在加裝Y電容后，鋼軌電位電壓的有效值、峰峰值得到了較好的抑制。

結語

本文對變流設備在城軌牽引供電系統中應用后產生的影響，進行了研究分析。新技術應用后，能減少越區供電，降低鋼軌電位，同時可能會作為干擾源帶來一定的問題，但共模干擾可以通過多種方法進行優化解決。