直流牵引供电系统接地方式对杂散电流的影响

胡维锋

摘 要 直流牵引供电系统负极接地有非接地方式、直接接地方式和极性接地方式。不同的接地方式下杂散电流的分布不同。文章通过建立直流牵引供电系统仿真模型，对三种接地方式下的杂散电流分布规律进行研究，对不同接地方式的杂散电流大小及适用情况进行总结。

关键词 直流牵引供电系统；接地方式；杂散电流；仿真模型

中图分类号：U223 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）02-0039-04

目前，国内多个城市为解决交通矛盾，已开始运营或正在建设城市轨道交通线路。城市轨道交通供电系统普遍采用直流牵引供电方式，该方式下直流牵引供电系统主要由牵引变电所、接触网和回流系统构成。牵引变电所将电网中的交流电压通过整流变压器变成1500 V或750 V直流电，机车通过接触网从牵引变电所获取电能，然后经过回流系统回流至牵引变电所负极。在回流轨与大地不能完全绝缘的情况下，机车运行时，牵引电流不会全部经轨道回流至牵引变电所，而是会有一部分回流电流通过钢轨与大地之间的绝缘薄弱点泄漏至大地，再由大地流回牵引变电所负极，形成杂散电流。杂散电流不仅会对城市轨道交通系统自身的结构设施造成腐蚀，还会对系统附近的埋地金属管线造成腐蚀，根据计算1 A电流一年可腐蚀9.13 kg钢铁，这对城市轨道交通系统及其他城市系统的安全运营造成隐患。因此，有必要对杂散电流的分布规律进行研究。

直流牵引供电系统的接地方式是指整流器负母线与大地的连接方式，通常有非接地、直接接地和极性接地方式。本文通过建立直流牵引系统离散模型，分析直流牵引供电系统的接地方式对杂散电流的影响。

1 直流牵引供电系统接地方式

典型的非接地系统如图1所示，整流器的负极与系统接地网和结构钢筋网间没有任何的金属导体连接。使用这种接地的牵引供电系统，要求轨道与大地间须保持高度绝缘，使得回流电流能尽可能多地经由回流轨道回到牵引变电所负母线。该接地方式下有可能导致钢轨对地电位过高，在乘客上下车时，有可能会接触到较大的跨步电压。

图1 非接地系统示意图

典型的直接接地系统如图2所示，变电所直流负母线直接经金属导体与系统接地网或结构钢筋网直接连接。该接地方式可以降低钢轨与地之间的电位，但增加了杂散电流的泄漏，对城市轨道交通自身及周边金属设施会造成较大的腐蚀。

图2 直接接地系统示意图

极性接地系统是直接接地与非接地的一种折衷方式，典型的极性接地系统如图3所示的二极管接地系统，直流负母线和地或结构钢筋网之间经由一个二极管装置连接。

图3 二极管接地系统示意图

2 直流牵引供电系统仿真模型的建立

利用离散模型对城市轨道交通杂散电流进行分析的基本思路是从问题的物理离散模型出发，将整个系统划分为有限个回路单元在节点上相连的结合体。然后对回路单元进行分析，根据回路列出回路电流方程，并推导出单元阻抗矩阵。接着对网络中的各单元回路进行分析，建立整个网络各单元回路的电压平衡方程，求出各单元回路电流。最后根据各单元回路电流求得所需支路电流和电压。

如图4所示。其中，为钢轨的纵向电阻，为钢轨对排流网的过渡电阻，为排流网纵向电阻，为离散的单元个数，显然越大离散模型越接近实际连续系统。

图4 直流牵引供电系统仿真模型

根据基尔霍夫电流定律（KCL）可得，不排流时每个网络单元回路电压平衡方程：

（1）

电阻参数和机车牵引流电流为已知，可以得到每个回路单元的电流，。根据欧姆定律，可以得到杂散电流分布的几个参数表达式：

钢轨电压：

， （2）

钢轨电流：

， （3）

泄漏杂散电流：

（4）

以及轨道与大地之间的跨接电流：

， （5）

3 仿真验证

通过对直流牵引系统仿真模型的建立，分别对非接地系统、直接接地系统及极性接地系统进行仿真。

3.1 非接地系统

（a）钢轨电位分布曲线

（b）杂散电流分布曲线

图5 轨道对排流网过渡电阻变化时参数曲线图

可以建立该接地方式下回流系统离散电路模型，进行仿真分析。假设该接地方式下，钢轨纵向电阻=0.03 ，排流网纵向电阻=0.01 ，牵引电流=1000 ，供电区间=2 ，离散有限单元=100。

改变轨道对排流网过渡电阻来观察和的变化规律。图5为非接地系统，分别取0.1 ，1 ，10 ，100时，、的变化曲线。

假设轨道对排流网过渡电阻为100 ，但区间线路某位置发生轨道绝缘局部损坏。图6为非接地系统在距离变电所1.5 处发生绝缘损坏，轨道与结构钢电气连接时，和的变化规律。

对于非接地系统，只要钢轨对地保持绝缘良好，不发生轨对地短路现象，杂散电流将会非常小。但其缺点是在机车和牵引变电所处轨道对地电位较高，对人员安全威胁较大，所以需采用加强站台绝缘、加装轨电位限制装置等措施，避免造成乘客触电的危险。对于轨道绝缘良好的线路，尤其是新建线路，由于杂散电流泄漏不大，一般均采用非接地方式运行。目前非接地系统是城市轨道交通领域广泛采用的直流负母线接地形式。

（a）钢轨电位分布曲线

（b）杂散电流分布曲线

图6 轨道绝缘局部损坏时参数曲线变化

3.2 直接接地系统

根据离散模型思路，建立该方式下回流系统离散电路模型，进行仿真分析。假设该排流方式下，排流电阻=2 ，钢轨纵向电阻=0.03 ，排流网纵向电阻=0.01 ，钢轨对排流网10 ，牵引电流=1000 ，供电区间=2 ，离散有限单元=100。图7为直接接地和非接地两种系统情况下，参数分布规律。endprint

（a）钢轨电位分布曲线

（b）杂散电流分布曲线

图7 直接接地和非接地情况下仿真

直接接地系统可以使牵引变电所处负母线的电位在零电位的附近，保证安全。但可使得经由轨道回流的牵引电流有机会从轨道泄漏至大地，并经由阻抗较低的金属结构如建筑物的钢筋结构或地下金属管道为路径回流至牵引变电所的负母线，增大了泄漏的杂散电流，造成腐蚀，降低了结构物及轨道本身的安全使用年限。一般只在车辆段采用此种接地方法，其它区域并不建议使用。

3.3 极性接地系统

由于存在非线性元件二极管，为了便于发现规律，在SIMULINK中搭建仿真电路模型进行仿真。仿真模型中可以观察任何一点的电压电流，因此可以得到机车在任何位置时，轨电位和杂散电流分布规律。

假设该排流方式下，排流电阻=2 ，钢轨纵向电阻=0.03 ，排流网纵向电阻=0.01 ，钢轨对排流网10 ，牵引电流=1000 ，二极管导通电压0.7 V，供电区间=2 ，离散有限单元=100。

（a）钢轨电位分布曲线

（b）杂散电流分布曲线

图8 三种接地系统情况下轨电位、杂散电流分布规律

利用极性排流半导通器件的单方向导通特性，电流将从地或结构钢筋网流回整流器负端，可以使牵引变电所处负母线的电位在零电位的附近，保证安全，同时可以阻止牵引电流从变电站负端流向地或结构钢筋网，以避免当牵引机车减速造成变电站处轨道电位上升时，有电流从变电站处直接泄漏出去的情况。在极性接地系统中也有杂散电流腐蚀的现象，主要是当出现轨道绝缘相对薄弱区域的钢轨及扣件，由于也存在一低电阻的排流回路，使该区域总是维持杂散电流泄漏的状态造成轨道腐蚀。城市轨道交通中，广泛采用极性排流方式，但从上述仿真可看出进行排流后，会使系统的钢轨电位升高以及轨电流损失量增加。因此，应该合理利用极性排流法，控制其排流量，避免过排流。

4 结论

本文通过建立直流牵引回流系统模型，利用仿真分析了非接地、直接接地及极性接地三种不同接地方式下的杂散电流、轨电位分布情况。通过仿真分析，直流牵引系统非接地情况下只要钢轨对地保持绝缘良好，不发生轨对地短路现象，杂散电流将会非常小，一般可用于新建线路。直接接地系统可以使牵引变电所处负母线的电位在零电位的附近，保证安全，但杂散电流泄漏量大，一般用于车辆段接地。极性接地可以使牵引变电所处负母线的电位在零电位的附近，保证安全，同时可以减少杂散电流的泄漏，但应该合理利用极性排流法，避免过排流造成轨电位升高。

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