地铁牵引供电系统的接地分析

阳建林，高 强，张少强

0 引言

国内地铁牵引供电系统采用直流供电模式，大多采用钢轨作为回流通道，因此会产生杂散电流和钢轨对地电位，在设计供电系统的接地方式时，必须考虑这些因素的影响。牵引供电系统中包含交流设备和直流设备，交流电气系统的接地主要考虑的是设备和人员的安全[1]。直流电气系统即要保证设备工作可靠和人身安全，同时要满足杂散电流的腐蚀防护要求，且以安全接地为主[2]。所以在地铁工程建设之前，必须合理设计接地方式。

文献[3]中对直接接地、悬浮接地、二极管接地3种方式进行了比较分析，认为二极管接地方式适用于地铁供电系统。文献[4]详细阐述了北美地铁设计中采用GTO反并联接地方式的作用。本文综合比较上述4种接地方式，从各个方面探讨了其优缺点，从而根据实际情况选出适宜的接地方式。

1 直流牵引供电系统接地

直流牵引供电系统中，接地从功能上可分为设备接地和系统接地。

在直流牵引供电系统中，电气设备都要求绝缘安装。交流设备采用外引接地极，绝缘引入。直流电气设备还设置了直流框架泄漏保护装置。

系统接地分为交流系统接地和直流系统接地。本文主要探讨直流系统接地，交流系统接地可参考文献[2]。直流系统接地是指牵引变电所直流负母线与道床等结构的钢筋网以及外引接地极之间的连接方式，可以分为直接接地、二极管接地、悬浮接地和GTO反并联接地。

对直流系统接地的设计需要考虑 2方面的因素：一是最小的杂散电流泄漏；二是最大限度地保证人员的安全。在二者相冲突时，首先保证人员安全。在国内地铁工程建设中，针对杂散电流腐蚀和轨电位，设置了杂散电流防护系统（排流网和排流柜）以及钢轨电位限制装置。

2 接地方式分析

2.1 悬浮接地

悬浮接地方式下，直流负母线与大地无电气连接，钢轨与大地之间保持高度绝缘。但是在列车和牵引变电所处轨道对地电位较高，尤其在客流高峰期时，可能产生比较大的接触电压和跨步电压，危害乘客的安全，所以必须通过加强站台绝缘、安装钢轨电位限制装置等措施来避免造成不利影响。

2.2 直接接地

直接接地方式下，直流负母线与接地网直接相连，从而使变电所处电位与大地电位持平。但是增加了杂散电流的泄漏通道，对附近的埋地金属管线造成腐蚀。

2.3 二极管接地

二极管接地方式如图1 a所示，利用二极管的单向导通性质，允许电流从地或者结构钢筋网单向流回负母线。同时，二极管接地能够使变电所处电位维持在大地电位水平。与前述的两种接地方式相比，既能够减少杂散电流的泄漏，又能够有效地降低变电所附近的电位，有利于保证人员的安全。但对轨道绝缘相对薄弱区域的钢轨及扣件产生腐蚀。当采用二极管接地方式时，还必须设计排流网，以汇集杂散电流，减少对金属设施的腐蚀。

2.4 双向GTO反并联接地

双向GTO反并联接地方式如图1 b所示，通过控制GTO的开关来实现直流负母线与接地网的通断。在正常情况下，2个GTO都处于关断状态，系统处于悬浮接地状态，这样可有效避免杂散电流的腐蚀；当出现故障或者产生危险电压时，GTO都导通，相当于是直接接地状态，维持变电所处正常电压。该接地方式可以更好地与牵引供电系统框架保护相结合，避免产生较大的故障电流损坏设备。

图1 接地方式示意图

3 数值计算和仿真分析

为了简化计算，假设走行轨纵向电阻、轨道对地过渡电阻分布均匀，架空线、牵引变电所直流设备电阻忽略，土壤电阻率分布均匀。根据文献[3]，可以推知杂散电流分布及轨电位的分布如下：

悬浮接地时，可得杂散电流：

根据图2可知其边界条件是x = 0，i(x) = I；x= l，i(x) = I，代入式（1）—式（3），得杂散电流的数值计算式：

轨电位的数值计算式为

图2 悬浮接地简单示意图

直接接地方式下的轨电流和轨电压也可以通过式（1）、式（2）计算，与悬浮接地方式相比，二者的边界条件不同。

根据图3，由基尔霍夫电流定律可得直接接地边界条件是 x = 0，i(x) = I(1–RG/ R0) = I1；x = l，i(x) = I(1 – RG/ R0) = I1。

图3 直接接地简单示意图

由于直接接地，杂散电流可以从接地处泄漏，轨电位跟等效地电位数值相等，因此可得到式（6）、式（7）：

由于列车在 2个牵引变电站的运行状况是启动、区间运行、停车制动[6]，为了减少计算误差，可参考文献[3]牵引馈线电流变化曲线，将运行截面图的等效简化为图4所示，从中可以看出，牵引功率变化曲线在不同的运行阶段不同。

假设 2个牵引变电所之间的供电距离为1.5 km，走行轨纵向电阻Rs= 0.03 Ω·km，走行轨过渡电阻 Rg= 15 Ω·km[5]。通过 Matlab 仿真程序得到直接接地方式和悬浮接地方式下杂散电流和轨电位的分布曲线如图5和图6所示。

图4 牵引功率变化曲线图

二极管接地和双向GTO反并联接地的计算模型介于悬浮接地和直接接地，可以作为二者的折中方式，计算仿真均不再详细探讨。

图5 杂散电流分布曲线图

图6 轨电位分布曲线图

从图5中可以看出，杂散电流的泄漏量与牵引馈线电流成正比关系，当列车在启动运行时，杂散电流泄漏值最大；在区间运行阶段列车惰行，牵引电流维持在比较小的数值，杂散电流泄漏量远小于启动状态。比较图5 a和图5 b，在启动和制动时，悬浮接地方式所产生的杂散电流远小于直接接地方式，惰行时，悬浮接地方式所产生的杂散电流也比较小。因此，与悬浮接地方式相比，直接接地方式可能产生较为严重的杂散电流腐蚀现象。

再比较图6 a和图6 b，可以得知在2种分布曲面中，无论列车处在哪种运行模式，悬浮接地方式所产生的轨电位比直接接地方式所产生的轨电位大，结合实际工程建设，当采用悬浮接地方式时，必须安装轨电位限制装置。

结合各种因素考虑，各种接地方式比较如表1所示。

表1 各种接地方式比较表

从表1可以看出，二极管接地和双向GTO反并联接地能够比较平衡地处理杂散电流和轨电位的关系，但二者的经济投入比较高。国内前期所建设的地铁工程在牵引变电所处主要采用悬浮接地，并增设钢轨电位限制装置。新建的地铁线路采用二极管接地方式，通过配置排流装置防护杂散电流的腐蚀。GTO反并联接地在国内还没有先例，但通过比较分析，可以适用于地铁工程建设。

4 结语

本文阐述了牵引供电系统的4种接地方式，根据运行截面图分析了它们所产生的杂散电流和钢轨电位，比较了各种接地方案的优缺点。通过仿真计算得出，在不同接地方式下，杂散电流和钢轨电位二者相冲突，必须从中找到平衡点。根据国内地铁建设的实际情况，二极管接地方式和双向 GTO反并联接地方式是比较适宜的。

[1] DL/T 621-1997 交流电气装置的接地[S].

[2] GB/T 10411-2005 城市轨道交通直流牵引供电系统[S].

[3] C.-H.Lee, H.-M.Wang. Effects of grounding schemes on rail potential and stray currents in Taipei rail transit systems[J].IEE Proc.-Electr. Power Appl., 2001(5): 148-154.

[4] Dev Paul. DC Traction Power System Grounding[J]. IEEE Trans on Industry Applications, 2002(3): 818-824.

[5] 李威.地铁杂散电流腐蚀监测及防护技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2004.

[6] 万庆祝，吴命利，陈建业，等.基于牵引计算的牵引变电所馈线电流仿真计算[J].电工技术学报，2007，（6）：112-117.