李懷志

摘 要：地鐵直流供電及回流系統(tǒng)中存在鋼軌對地電位和雜散電流。鋼軌對地電位對人身和設(shè)備存在直接安全隱患，雜散電流對地鐵鋼結(jié)構(gòu)形成比較嚴(yán)重的電蝕。文章以具有 OVPD 裝置的直流供電及回流系統(tǒng)為例，建立回流網(wǎng)集中參數(shù)電氣模型，通過 multisim 軟件仿真，計算鋼軌對地電位和雜散電流，總結(jié)鋼軌對地電位和雜散電流規(guī)律，為排流柜投入運行、OVPD 保護電壓設(shè)置等提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地鐵;回流系統(tǒng);集中參數(shù);鋼軌電位;雜散電流;OVPD

中圖分類號：U231.8

地鐵直流接觸網(wǎng)（軌）供電系統(tǒng)采用鋼軌回流，節(jié)約建設(shè)成本。鋼軌本身的縱向電阻和鋼軌對地的過渡電阻構(gòu)成回流系統(tǒng)的一部分，產(chǎn)生鋼軌對地電位和雜散電流。GB 50157-2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》[1]中規(guī)定直流牽引供電系統(tǒng)應(yīng)為不接地系統(tǒng)，牽引變電所中的直流牽引供電設(shè)備必須絕緣安裝，正常雙邊供電運行時，站臺處走行軌對地電位不應(yīng)大于120V，車輛基地庫線走行軌對地電位不應(yīng)大于60 V。劉燕等[2]列舉了嚴(yán)重雜散電流腐蝕危險，用微元法建立雜散電流分布的數(shù)學(xué)模型。陳超錄等[3]提出限制鋼軌對地電位的方法，計算出短路狀態(tài)下鋼軌電位限制裝置（OVPD）晶閘管參數(shù)選取依據(jù)。本文旨在構(gòu)建回流系統(tǒng)集中參數(shù)模型，基于multisim軟件仿真，計算各工況下的鋼軌電位和雜散電流數(shù)值，為排流柜投入運行、OVPD保護電壓設(shè)置等提供依據(jù)。

1 地鐵直流供電及回流系統(tǒng)

地鐵直流供電及回流系統(tǒng)主要由牽引降壓變壓器、整流機組、接觸網(wǎng)、直流饋線柜、排流柜、OVPD裝置、回流鋼軌、排流網(wǎng)、饋電線和回流線等組成。排流網(wǎng)用于收集雜散電流，OVPD裝置用于限制鋼軌對排流網(wǎng)的電位（對地電位），確保設(shè)備和人身安全。地鐵直流供電及回流系統(tǒng)如圖1所示。

2 回流系統(tǒng)集中參數(shù)模型

2.1 基本假設(shè)

地鐵接觸網(wǎng)一般采用雙邊供電，供電臂長度通常為2km。為了簡化模型，現(xiàn)做如下假設(shè)：

（1）忽略接觸網(wǎng)電阻;

（2）鋼軌類型為60 kg/m;

（3）鋼軌縱向電阻線性分布，忽略無縫鋼軌接頭的影響;

（4）鋼軌各處對地的過渡電阻均勻等值。

2.2 回流系統(tǒng)微單元結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)CJJ 49-1992 《地鐵雜散電流防護技術(shù)規(guī)程》中地鐵走行軌回流系統(tǒng)要求，對于運行線路，取鋼軌對地過渡電阻Rg = 3 Ω · km，60kg/m規(guī)格的鋼軌縱向電阻Rr = 0.0153Ω/km。

由于鋼軌的縱向阻值與其長度成正比，過渡電阻阻值與鋼軌長度成反比，因此，每50m的鋼軌縱向電阻R1 = 0.000765Ω;每100m的鋼軌對地過渡電阻R2 = 30Ω。以每100m鋼軌長度劃分為1 個回流系統(tǒng)微單元，構(gòu)建每100 m集中參數(shù)下的回流系統(tǒng)微單元結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

2.3 單供電臂回流網(wǎng)集中參數(shù)電氣模型

單邊供電是雙邊供電的基礎(chǔ)，基于回流系統(tǒng)微單元模型，構(gòu)建長度為2km的單供電臂回流網(wǎng)集中參數(shù)電氣模型，如圖3所示。設(shè)一維坐標(biāo)原點在鋼軌0m處，坐標(biāo)軸方向向右。

3 回流系統(tǒng)集中參數(shù)仿真模型

某城市4動2拖編組B型電客車，直流供電額定電壓為1500V，定員載荷工況。OVPD設(shè)置在車站（車輛段），距離原點1850m處。不考慮列車運行時電流實時動態(tài)變化，假定列車從接觸網(wǎng)取流為一段時間內(nèi)的平均值，等效為一直流恒流源。查閱電客車牽引制動特性曲線，確定在牽引工況下受電弓取流IS = 2800A，制動工況下受電弓回流IS = 3500A，牽引負(fù)荷等效為直流電流源，并假定牽引工況取流為參考正方向，制動工況回流為反方向。利用multisim軟件，建立回流系統(tǒng)集中參數(shù)仿真模型，如圖4所示。利用萬用表測試接地點G到V1、V2…直至V22點對地電位，利用電流探針測試排流網(wǎng)各處電流（I1～I(xiàn)19）。

4 仿真結(jié)果

4.1 工況 1：排流網(wǎng)未投入運行

正常工況下，排流網(wǎng)不投入運行，用multisim軟件仿真測試V1～V22各點對G點電位和I1～I(xiàn)19各條支路雜散電流，鋼軌電位分布如圖5所示，雜散電流分布如圖6所示。鋼軌電位和雜散電流具有如下規(guī)律：

（1）鋼軌各處對地電位呈線性規(guī)律，雜散電流呈拋物線規(guī)律;

（2）坐標(biāo)原點處，鋼軌對地電位為41.93V和-52.413V，坐標(biāo)1000m處雜散電流為6.99A和-8.73A;

（3）坐標(biāo)1000 m處鋼軌對地電位最低，接近0 V;

（4）制動工況下鋼軌最高電位絕對值比牽引工況下鋼軌最高電位高。

4.2 工況 2：排流網(wǎng)投入運行

由于列車大多數(shù)時間運行在牽引工況，為簡化問題，本文只討論牽引工況下排流網(wǎng)投入運行情況，即排流網(wǎng)作用結(jié)果相當(dāng)于圖4中A點和B點短接。用multisim軟件仿真測試各點在牽引工況下鋼軌對地電位和雜散電流，結(jié)果分別如圖7和圖8所示。鋼軌電位和雜散電流具有如下規(guī)律：

（1）鋼軌各處對地電位呈線性規(guī)律，雜散電流呈拋物線規(guī)律;

（2）坐標(biāo)原點處鋼軌對地電位最高，為83.445 V，雜散電流為0 A;

（3）坐標(biāo)2000 m處鋼軌對地電位為0 V，雜散電流最大為27.7 A;

（4）排流網(wǎng)投入運行時鋼軌對地電位最大值增加，雜散電流最大值增加。

4.3 工況 3：OVPD 裝置動作

根據(jù)鋼軌對地電位高低，OVPD裝置動作。當(dāng)車站鋼軌對地電位超過120 V（車輛段鋼軌對地電位超過60V）時，OVPD裝置接觸器觸點與地短接，相當(dāng)于圖 4中V19點與G點短接。此時鋼軌各點電位和雜散電流如圖9和圖10所示。鋼軌電位和雜散電流具有如下規(guī)律：

（1）鋼軌各處對地電位呈線性規(guī)律，雜散電流呈拋物線規(guī)律;

（2）坐標(biāo)1850 m處，鋼軌對地電位為0 V，雜散電流為23.8 A;

（3）坐標(biāo)原點處鋼軌對地電位為77.260 V，雜散電流為0 A;

（4）OVPD裝置動作時鋼軌對地電位最大值增加，雜散電流最大值增加。

4.4 結(jié)果比較

通過分析地鐵供電回流系統(tǒng)在正常（排流網(wǎng)未投入運行）、排流網(wǎng)投入運行和OVPD裝置動作3種工況下鋼軌對地電位和雜散電流數(shù)據(jù)，由圖11可以看出排流網(wǎng)投入運行時鋼軌對地電位最高，雜散電流最大。

5 結(jié)論及建議

當(dāng)回流網(wǎng)雜散電流檢測系統(tǒng)檢測到雜散電流過大時，排流網(wǎng)投入運行，減小流經(jīng)鋼結(jié)構(gòu)中的電流，導(dǎo)致總的雜散電流值增加，鋼軌對地電位升高。當(dāng)OVPD裝置動作時也會增加鋼軌對地電位和雜散電流值。因此，減小鋼軌對地電位和隧道鋼結(jié)構(gòu)中雜散電流的最好方案是及時有效維護鋼軌下的減震絕緣膠墊、軌枕固定螺栓和蝶形彈簧，增加鋼軌對地過渡電阻;規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)鋼軌接縫的焊接工藝，減小鋼軌縱向電阻;利用參比電極做好雜散電流監(jiān)測，減少排流網(wǎng)投入運行次數(shù)（甚至不投入運行）;安裝更加智能的OVPD保護裝置，減少OVPD裝置誤動作次數(shù)和鉗位時間。

參考文獻(xiàn)

[1]GB 50157-2013地鐵設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[2]劉燕，王京梅，趙麗，等.地鐵雜散電流分布的數(shù)學(xué)模型[J].工程數(shù)學(xué)學(xué)報，2009（4）：571-576.

[3]陳超錄，楊洋，解培金，等.城市軌道交通鋼軌電位限制技術(shù)研究[J].機車電傳動，2018（6）：97-101.

[4]黃煥隆.南寧地鐵2號線鋼軌電位異常升高原因分析[J].鐵道運營技術(shù)，2019，25（4）：23-25.

[5]王璐璐. 基于DCAT牽引供電系統(tǒng)的地鐵雜散電流治理技術(shù)[D].北京：北京交通大學(xué)，2019.

[6]李猛猛. 新型城市軌道交通雜散電流監(jiān)測防護系統(tǒng)研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2019.

[7]馮祥，陳民武，胥偉，等.地鐵鋼軌電位限制裝置電壓保護異常動作分析及解決方案[J].電工技術(shù)，2018（21）：110-114，117.

[8]肖梓康. 紅壤地區(qū)地鐵雜散電流分布及腐蝕防護研究[D].江西南昌：華東交通大學(xué)，2018.

[9]王沛沛.城市軌道雜散電流和鋼軌過渡電阻研究[D].四川成都：西南交通大學(xué)，2018.

[10] 李立勃.北京地鐵大興線鋼軌電位限制裝置瞬動原因分析與優(yōu)化設(shè)計[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2018（3）：10-14.

[11] 杜貴府，張棟梁，王崇林，等.直流牽引供電系統(tǒng)電流跨區(qū)間傳輸對鋼軌電位影響[J].電工技術(shù)學(xué)報，2016（11）：129-139.

收稿日期 2019-08-09

責(zé)任編輯 宗仁莉