地铁直流牵引供电系统钢轨运行电位安全分析

2015-06-29周大林庞开阳李鲲鹏

城市轨道交通研究 2015年6期

周大林庞开阳李鲲鹏

(1.广州市地下铁道总公司运营事业总部，510320，广州;2.广州地铁设计研究院有限公司，510010，广州∥第一作者，高级工程师)

广州地铁自1997年1号线开通运行，至2014年已有9 条线路投入运营，总长260.5 km，共设164 个车站。除APM(自动旅客输送系统)采用交流牵引供电系统外，其他线路均采用钢轨回流的DC 1 500 V 牵引供电制式，钢轨绝缘安装。钢轨具有一定的电位值是此种牵引供电方式中固有特征。为了保障站台区域乘客和工作人员的安全，在车站均设置了钢轨电位限制装置。广州等城市的每个车站站台设置2 台钢轨电位限制装置，部分城市仅设置1 台钢轨电位限制装置。

经对上海、广州、深圳、南京、苏州等城市已经运营的地铁线路调研发现，钢轨电位异常升高、钢轨电位装置动作频繁是目前城市轨道交通运行中普遍存在的问题［1－2］，已引起了运营管理人员和相关科研人员的关注。本文在深入分析钢轨电位数学模型的基础上，结合广州地铁线网的运营维护经验，对钢轨电位运行问题进行分析，并提出相关的解决措施。

1 钢轨电位数学模型

钢轨通过绝缘扣件进行绝缘安装，假设钢轨纵向阻抗和钢轨对地阻抗均匀分布，则根据电磁场的基本原理，钢轨(即回流轨)可等效为均匀传输线，可忽略回流系统中电感和电容的影响，而仅考虑回流钢轨与大地的阻性耦合［3］。经过微元离散化处理的钢轨回路等效电路模型如图1所示。为了限制杂散电流对隧道结构钢筋及隧道以外金属构件的腐蚀，在道床设计中均设置了道床杂散电流收集网。通过仿真计算分析可知，道床杂散电流收集网对钢轨电位的影响有限，在钢轨回流稳态分析中可不考虑道床杂散电流收集网的影响。

图1 轨道与大地之间的阻性耦合电路模型示意图

在实际的直流牵引供电系统中，多个牵引变电所并联运行。多列车同时在线运行，运行时钢轨电位由列车运行位置和牵引电流的取值所决定，是随着时间、空间而变化的。为了分析钢轨电位与钢轨电阻、牵引电流和运行位置的相互关系，现建立仅考虑阻性耦合的单个牵引变电所和单列车运行时的钢轨回流系统数学模型，给出钢轨电位和钢轨电流的解析表达式如下［4］:

式中:

u(x)——x 处的钢轨电位，x 为距离牵引变电所的距离;

L——列车距牵引变电所的距离;

I——列车牵引电流;

IS(x)——x 处的杂散电流;

Z0——特征阻抗，其值为

umax——钢轨中的最大电位。

从式(1)～式(2)可以明显看出，钢轨阻抗和流过钢轨的电流是影响钢轨电位的主要因素，几乎呈现近似线性正比例关系。在实际运行的线路中，由于受线路正线所有的牵引变电所并联运行、在线运行列车的牵引电流是列车运行位置和时间的函数等因素的影响，钢轨回流系统的边界条件比较复杂，难以用简明的数学式表达。但其基本满足线性叠加原理，回路中的电流和阻抗是影响钢轨电位的主要因素。

2 钢轨运行电位异常的原因分析

目前普遍认为，钢轨运行电位异常主要体现在，钢轨电位的实际运行值远高于设计预期，造成车站钢轨电位限制装置频繁动作，甚至长期接地运行。由钢轨电位的数学模型可知，影响钢轨电位主要因素有回路阻抗、回流电流和钢轨对地泄露电阻等。

2.1 回流阻抗的影响分析

地铁正线整个回流系统的阻抗不仅与正线钢轨的本体电阻有关，还与无缝钢轨焊接的接头电阻、道岔区钢轨的连接电阻、回流电缆及其与钢轨的连接电阻等有关。目前，北京、广州和上海等城市地铁线路的正线回流钢轨一般为60 kg/m 钢轨。运营部门和有关机构对已运营的广州地铁6号线和8号线的钢轨纵向电阻进行了测试，其直流电阻约为35 ～38 mΩ/km。钢轨纵向电阻的实际测试值大于牵引供电系统设计仿真分析中的设定值。运营部门还对钢轨运行电位异常的8号线琶万区间回流状况进行了检查，并通过增加并联电缆以改善区段内钢轨接头处、道岔接头处的接续电缆和鱼尾板等处的导流能力。通过对道岔区段内回流能力的改造后，钢轨电位动作次数明显下降，说明道岔区回流阻抗是影响钢轨电位异常的主要因素之一。

随着线路的开通运行，正线局部区段根据钢轨磨耗情况需要换轨。局部更换的钢轨不能简单地进行鱼尾板连接，从而增大回流阻抗，而应进行钢轨焊接。这也是在轨道日常运营维护中需要注意的事项。

2.2 回流电流对钢轨电位的影响分析

一般6 辆编组的地铁列车在AW2(额定)载荷下的最大牵引电流I 为2 800 ～3 400 A，最大制动电流为4 500 A;8 辆编组列车AW2 载荷下的最大牵引电流为3 800 ～4 500 A，最大制动电流为6 000 A。目前，城市轨道交通直流牵引供电系统中的常规参数值如下:刚性接触网π 型汇流排的单位阻抗Rc=13.8×10－3Ω/km，回流轨 (60 kg/m)纵向电阻为Rr=20×10－3Ω/km，Rg=15 Ω/km，L=3 km。根据式(4)可以计算出单列车单边供电牵引运行时最大钢轨电位为 84 ～102 V(6 辆编组)和 114 ～ 135 V(8 辆编组);列车制动时最大钢轨电位为135 V(6 辆编组)和180 V(8 辆编组)。由此可见，回流电流对钢轨电位的影响是非常明显的。通过调整运行图优化列车牵引电流，可以有效地降低钢轨电位［5－6］。

2.3 钢轨电位限制装置的整定值分析

车站钢轨电位限制装置一般设置为三段式电压(U1、U2、U3)保护，其常规整定值如表 1所示。

表1 车站钢轨电位限制装置常规整定值

我国有关设计规范规定钢轨电位限制整定值分90 V 和120 V 两种标准，但没有规定电压允许持续时间。现行的《地铁设计规范》将钢轨电位的限制确定为120 V。根据目前运营线路的钢轨电位限制装置的动作情况，若将U1的整定值调整为120 V，则轨电位限制装置的动作次数将会大幅度降低。

3 钢轨电位限制装置的风险与相应建议

车站钢轨电位限制装置过于频繁动作而长期接地或站台屏蔽门系统绝缘安装失效使得站台区域钢轨等效直接接地，其直接的后果是将原悬浮的回流系统转变为直接接地的回流系统，使得系统的杂散电流泄露增大。运营部门组织了对车站钢轨电位限制装置直接接地合闸运行时的泄露电流测试。测试结果表明，钢轨电位限制装置合闸后泄漏电流随列车运行工况不断改变，呈现低频交流特性，泄漏电流最大值约为440 A，回流电流最大值约630 A。通过实测分析可以证明，钢轨局部长期接地运行会造成大量的电流泄漏，对整个系统的杂散电流防护是一种危害，虽然短期内对整个地铁系统的安全运行不会有直接明显的危害，但长期对车站主体结构产生的影响不能被忽视。

钢轨电位限制装置的频繁动作本身就是此类设备所具有的固有特性，应该是允许的。除了进一步提高钢轨电位限制装置的可靠性之外，还需要重点研究实际运行与设计期望之间的差距。另一方面钢轨电位限制装置整定值的合理性也是需要重新审核的，实践证明原先U1的整定值90 V 偏低，需要调整为120 V。