城市轨道交通多层排流网投入运行研究

杜贵府 张栋梁 吴培林

（中国矿业大学信息与电气工程学院，221116，徐州∥第一作者，博士研究生）

我国城市轨道交通采用直流牵引供电系统，通过走行轨回流。由于钢轨与地之间无法保证良好绝缘，因此会产生杂散电流，会对地铁结构及其附近管线造成腐蚀。为防止杂散电流引起的危害，在城市轨道交通系统中设置排流网，以收集杂散电流并将其引回变电所负极。城市轨道交通排流网一般设三层，分别位于道床内部的主排流网、隧道内部结构钢筋形成的辅助排流网，以及地排流网。排流网结构及杂散电流形成示意图如图1所示。

图1 地铁排流网结构及杂散电流形成示意图

目前，由于城市轨道交通系统排流控制策略不完善，当杂散电流达到阀值后，排流网会全部投入运行；投入运行的多层排流网在收集杂散电流的同时，也会引起负面问题。本文建立了更接近实际的“钢轨－主排流网－辅助排流网－地排流网”四层结构杂散电流电阻分布模型，并对多层排流网的投入进行理论分析研究。

1 杂散电流分布模型建立

杂散电流单向流动，对多结构的电力系统来说，传统杂散电流分布模型显然存在局限性。因此，在传统杂散电流分布模型基础上，建立更完善的“钢轨－主排流网－辅助排流网－地排流网”四层结构杂散电流分布模型。将每层结构均简化为纯阻性集中参数线路，四者相互之间的电气联系可表征为过渡电阻（见图2）。

在新建杂散电流分布模型中，回流系统结构间相互存在电流流动，使杂散电流分布更加连贯，整个系统更完整，更符合工程实际。

通过杂散电流分布模型得出的杂散电流连续分布数学函数过于复杂。为简化理论分析，建立杂散电流离散分布数学模型。将每公里轨道区间等分成n个小区间，列车距变电所距离为x个小区间长度，忽略接触网及馈线电阻。杂散电流离散分布数学模型等效电路如图3所示。

图2 四层结构杂散电流电阻分布模型

图3 杂散电流离散分布数学模型等效电路

确定n、x的取值，便能得到新模型下杂散电流的分布规律。其中，n的取值越大，杂散电流离散分布数字模型越接近于连续模型。

2 排流仿真研究

2.1 多层排流仿真研究

城市轨道交通多层排流网投入运行研究，可在杂散电流分布模型基础上增加排流装置，三层排流网分别通过排流支路与变电所负极相连。

假定排流网投入运行时排流支路限流电阻为0.15 Ω，不投入运行时排流支路限流电阻为1 000Ω。采用单机车双边供电仿真模型，直流1 500 V牵引供电系统，牵引电流取值2 000 A，双边供电区间长度为4 km，机车位于区间中间位置。纵向电阻Rg＝0.026Ω／km，Rzp＝0.001Ω／km，Rfp＝0.01Ω／km，Rd＝0.001 Ω／km。过渡电阻Rgz＝15Ω·km，Rgf＝3Ω·km，Rgd＝3Ω·km，Rzf＝3Ω·km，Rzd＝3Ω·km，Rfd＝3Ω·km。

运用MATLAB仿真软件，分别对仅主排流网排流、主排流网和辅助排流网同时排流、三层排流网同时排流三种情况下地铁杂散电流及钢轨电位进行仿真。仿真结果如图4、图5所示。

图4 多层排流杂散电流分布

通过杂散电流及钢轨电位分布图分析可知，投入运行的排流网层数越多，虽然加强了对杂散电流收集作用，但地铁系统中总杂散电流会增大，同时钢轨电位也有明显增加。总杂散电流的增大，会加快轨地绝缘的老化，进而加剧杂散电流的泄露。

2.2 隔层排流仿真研究

仿真参数不变，在主排、辅排同时排流及主排、地排同时排流两种情况进行MATLAB 仿真。杂散电流及钢轨电位分布仿真结果如图6、图7所示。

图5 多层排流钢轨电位分布

图6 隔层排流杂散电流分布

图7 隔层排流钢轨电位分布

由图6、图7可知，两种排流情况下地铁杂散电流分布基本一致，并没有明显差别；但在主排、地排同时排流情况下钢轨电位明显高于主排、辅排同时排流情况。

对两种排流情况下从辅助排流网流出电流及地排流网流过电流的仿真结果如图8、图9所示。

图8 辅助排流网流出电流

图9 地排流网流过电流

对上图8、图9进行分析：主排、辅排同时排流情况下辅助排流网流出电流为负值，电流为流入，杂散电流对其并没有腐蚀作用；而在主排、地排同时排流情况下，存在一定量杂散电流流出辅助排流网进入地排，会对辅助排流网产生严重腐蚀危害；同时，后者排流情况下，地排流网流过电流明显高于前者排流情况，地排流网流过电流越大，势必会加大钢轨与地排流网间金属结构的腐蚀危险。

通过对多层排流及隔层排流的分析研究可知，应尽可能减少排流网投入运行的层数；需要两层排流网投入运行时，需避免隔层排流，以防止产生过高的钢轨电位及过大的杂散电流腐蚀危害。

3 结语

在传统杂散电流分布模型基础上建立新的分布模型，并对多层排流网的投入运行进行仿真研究。仿真结果表明：多层排流会引起过高的钢轨电位及过大的杂散电流；隔层排流虽然对总杂散电流影响甚微，但明显增大钢轨电位，加剧钢轨与地排流网间金属结构的腐蚀。因此，在工程实际中，要尽量不多层排流，避免隔层排流，以保证地铁的安全稳定运行。

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