田勝利

軌道交通接觸網(wǎng)殘留電壓及感應(yīng)電壓理論分析

田勝利

針對軌道交通接觸網(wǎng)系統(tǒng)停電時本線殘留電壓或相鄰線上的感應(yīng)電壓，本文以電工理論為基礎(chǔ)，進(jìn)行了理論分析和模擬計(jì)算，得出殘留電壓和感應(yīng)電壓的理論計(jì)算數(shù)據(jù)，對軌道交通運(yùn)營檢修具有一定的參考意義。

軌道交通；接觸網(wǎng)；停電；殘留電壓；感應(yīng)電壓

0 引言

近年來，國內(nèi)開通的多條地鐵線路，在正線上或車輛段庫內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn)接觸網(wǎng)停電時，本線接觸網(wǎng)存在較長時間殘留電壓或相鄰接觸網(wǎng)線上存在較高電壓等問題。該現(xiàn)象對運(yùn)營維護(hù)作業(yè)產(chǎn)生了影響，并對維護(hù)人員心理產(chǎn)生了負(fù)面作用。根據(jù)現(xiàn)場反應(yīng)存在以下現(xiàn)象：（1）南京地鐵一號線車輛段檢修庫內(nèi)，一條線停電，相鄰線有電，停電接觸網(wǎng)上存在電壓有時超過600 V。（2）蘇州地鐵一號線車輛段一條接觸網(wǎng)停電，相鄰線發(fā)現(xiàn)存在800 V的電壓。（3）天津地鐵2號線夜間停電時，靖江路車站附近三軌存在超過440 V的電壓。（4）廣州地鐵某個區(qū)間停電時，驗(yàn)電存在100～500 V的電壓；相鄰區(qū)間停電，驗(yàn)電時，又無電壓。

北京地鐵規(guī)定，接觸網(wǎng)停電30 min后，才能下線正式開始檢修。針對上述現(xiàn)象，本文重點(diǎn)進(jìn)行城軌接觸網(wǎng)停電時，殘留電壓和感應(yīng)電壓的理論分析和模擬計(jì)算。為現(xiàn)場維護(hù)提供理論依據(jù)，消除運(yùn)營維護(hù)人員對相關(guān)電壓的恐懼心理。

1 直流接觸網(wǎng)的特點(diǎn)及技術(shù)規(guī)定

目前軌道交通接觸網(wǎng)系統(tǒng)供電電壓制式分1 500 V和750 V；受流方式分架空接觸網(wǎng)和三軌方式。眾所周知接觸網(wǎng)系統(tǒng)是通過眾多絕緣子與大地絕緣的向機(jī)車供電的系統(tǒng)，接觸網(wǎng)現(xiàn)場情況見圖1。

圖1 接觸網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)場例圖

接觸網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定：《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50157-2013）第15.3.21條：車輛基地的地上線路接觸線距軌面高度宜為5 000 mm。隧道內(nèi)接觸線距軌面的高度不應(yīng)小于4 040 mm。

2 導(dǎo)體帶電現(xiàn)象

2.1 導(dǎo)體電容

根據(jù)電容原理，任何2個相互靠近且彼此絕緣的導(dǎo)體間均構(gòu)成一個電容器，其電容大小與導(dǎo)體形狀、相互間距離有關(guān)，與帶電荷數(shù)量無關(guān)。故城市軌道交通接觸網(wǎng)系統(tǒng)導(dǎo)體間或接觸網(wǎng)導(dǎo)體與大地間構(gòu)成電容器。

2.2 感應(yīng)起電

任何帶電體周圍都有電場，在電場作用下，相鄰導(dǎo)體上能感應(yīng)出電荷，若該導(dǎo)體與周圍絕緣則將帶有電位，稱為感應(yīng)帶電。

3 導(dǎo)體電容的計(jì)算

根據(jù)《電氣工程師手冊》電磁場的分析及計(jì)算第2.5.3節(jié)的規(guī)定，并參見圖1，架空導(dǎo)線對地單位長度電容CL的計(jì)算式為

圖1 單根導(dǎo)體對地示意圖

根據(jù)《電氣工程師手冊》電磁場的分析及計(jì)算第2.5.3節(jié)的規(guī)定，并參見圖2，架空兩導(dǎo)線間電容CLL的計(jì)算式為

式中，h為導(dǎo)線對地高度，r為導(dǎo)線半徑，D為兩線距離，?0為介電常數(shù)。

圖2 2根導(dǎo)體對地示意圖

4 接觸網(wǎng)殘留電壓的分析及計(jì)算

根據(jù)電工理論，任何電容器在通電后都帶有等值電壓和相應(yīng)電荷。在外部電源中斷后，由于存在大地回路，電容器會緩慢放電。導(dǎo)體（三軌）與地之間組成電容器，故可按導(dǎo)體電容放電理論計(jì)算導(dǎo)體上的殘留電壓，其計(jì)算式為

式中，E為額度電壓；R為回路電阻；C為電容器電容；t為放電時間。

（1）750 V三軌斷電后殘留放電計(jì)算分析。其基本參數(shù)如下：

三軌安裝高度：400、450、500 mm

三軌類型截面：4 400、5 200、5 500 m2

三軌等效半徑：37.4、40.7、41.9 mm

介電常數(shù)：8.854 188×10-12F/m

三軌體積電阻：R＞ (1-10)×1013?·m

根據(jù)式（1），取三軌等效半徑r = 40.7 mm，三軌等效安裝高度分別為400、450、500 mm時，計(jì)算得三軌對地電容C分別為18.57×10-12、17.86 ×10-12、17.27×10-12F/m。

根據(jù)式（3），當(dāng)R取值2×1013?·m時，三軌放電殘留電壓計(jì)算見表1。

表1 三軌放電殘留電壓計(jì)算表 單位：V

根據(jù)表1繪制750 V三軌斷電后殘留電壓放電曲線，見圖3。

圖3 750 V三軌斷電后殘留電壓放電曲線圖

（2）1 500 V剛性懸掛接觸網(wǎng)兩側(cè)均斷電后，殘留電壓放電計(jì)算分析。其基本參數(shù)如下：

匯流排截面：2 213 mm

匯流排等效半徑：26.5 mm

匯流排等效高度：4 095 mm

根據(jù)式（1）計(jì)算出匯流排對地電容C = 9.69 ×10-12F/m

根據(jù)式（3），可計(jì)算匯流排放電殘留電壓值，見表2。

表2 匯流排放電殘留電壓值表

5 接觸網(wǎng)感應(yīng)電壓的分析及計(jì)算

車輛段庫內(nèi)一條接觸網(wǎng)停電，相鄰線繼續(xù)作業(yè)時，停電接觸網(wǎng)線上感應(yīng)電壓的計(jì)算可采用電容分壓的原理，如圖4所示。

圖4 接觸網(wǎng)相對位置示意圖

參見圖4，庫內(nèi)導(dǎo)高假設(shè)為5 m，導(dǎo)線間距4.6 m，則電容分壓計(jì)算式為

由式（1）、式（2）、式（4）可計(jì)算出，停電導(dǎo)體（接觸網(wǎng)）上感應(yīng)電壓：

根據(jù)《牽引供電手冊》，簡化計(jì)算式如下：

式中，a、b、c分別為導(dǎo)線間相互位置尺寸。由式（5）計(jì)算相鄰導(dǎo)線感應(yīng)電壓U = 527 V

6 分析及應(yīng)對措施

綜上所述，可以得出：

（1）當(dāng)帶電導(dǎo)體（三軌）斷電時，由于導(dǎo)體（三軌）是絕緣安裝的，導(dǎo)體上存在的電荷無法瞬時釋放，此時導(dǎo)體（三軌）上存在的電壓既為殘留電壓，隨著時間的推移，三軌上殘留電壓逐漸衰減。依據(jù)三軌絕緣體絕緣電阻的不同，殘留電壓經(jīng)過10～20 min后其幅值仍可達(dá)150～500 V。

（2）地下剛性接觸網(wǎng)由于絕緣電阻在R = 300 ×106?左右，根據(jù)前述的理論計(jì)算，在左右相鄰供電分區(qū)接觸網(wǎng)停電后，其殘留電壓釋放較快。

（3）車輛段庫內(nèi)一條接觸網(wǎng)停電，相鄰線繼續(xù)作業(yè)時，停電接觸網(wǎng)上感應(yīng)電壓可達(dá)500多伏。

因此，應(yīng)采取如下相應(yīng)措施：

（1）保護(hù)裝置檢測電壓：1 500 V時，建議大于700 V；750 V時，建議大于450 V。

（2）接觸網(wǎng)停電后，各系統(tǒng)進(jìn)行檢修作業(yè)時，掛地線是第一步，以消除靜電感應(yīng)和殘留電壓。此過程中出現(xiàn)的放電現(xiàn)象是正常的。

（3）有條件時，可采用電動掛地線措施，以消除檢修作業(yè)人員的恐懼心理。

7 結(jié)語

針對城軌供電接觸網(wǎng)系統(tǒng)停電時，出現(xiàn)的殘留電壓或感應(yīng)電壓等現(xiàn)象，本文以電工理論為基礎(chǔ)，粗略地進(jìn)行了理論分析和多方案模擬計(jì)算，得出了感應(yīng)和殘留電壓的理論計(jì)算數(shù)據(jù)，對軌道交通運(yùn)營檢修具有一定的參考意義，由于本人水平有限，存在不妥之處，請業(yè)內(nèi)人士批評指正。

[1] 周鶴良. 電氣工程師手冊[M]. 北京：中國電力出版社，2008.

With regard to the residual voltage and inductive voltage on OCS of rail transportation system, this paper introduces the theoretical analysis and simulated calculation for residual voltage in the line and induced voltage in adjacent line based on electrician theory, and the theoretical calculated value of residual voltage and induced voltage is obtained, which has referential value for rail transportation operation and maintenance.

Rail transportation; OCS; power off; residual voltage; induced voltage

U231.8

：B

：1007-936X(2015)05-0032-03

2015-05-20

田勝利.中鐵電氣化勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，教授級高級工程師，電話：13803062388。