南京地铁1号线轨电位异常的抑制方法*

宋奇吼 杨 飏 童岩峰 潘世航

（南京铁道职业技术学院，210031，南京∥第一作者，教授）

目前，世界上拥有城市轨道交通的城市己经超过170个，城市轨道交通营业里程接近10 000 km。截至2016年7月，我国共有27个城市开通运营城市轨道交通营，运营里程总计3 288 km。

我国城市轨道交通均采用直流供电。例如南京地铁采用DC1500 V牵引供电系统，变电所正极馈出牵引电流到接触网上供列车取流，电流最终通过钢轨与地的并联回路流回到牵引变电所。但由于钢轨自身存在阻抗及泄漏杂散电流的影响，轨地之间会产生电位差可危及人身与设备安全。

国内外地铁线路普遍存在钢轨对地电位过高的情况，使得轨电位限制装置动作频繁，该问题一直没有得到很好的解决。南京地铁1号线自投入运营以来，红山动物园—迈皋桥区段由于采用单边供电方式，工况较为复杂，始终存在着轨电位异常升高的问题。目前，国内地铁公司的常规做法是将轨电位限制装置调整为永久接地状态。此举固然可降低钢轨电位，然而钢轨电位限制装置永久接地后，大量回流电通过其汇入地网中，杂散电流会对车站、隧道金属结构造成严重腐蚀，大大缩短地铁使用寿命。过高的轨电位还会使地铁中的框架保护设备产生误动，影响电动车组的正常运行；电气设备的内部绝缘发生损坏时又极易引发事故［1］。

从根本上消除泄漏杂散电流即可防止杂散电流腐蚀，在实际工程中目前遵循“以防为主、防排结合”的原则。其常用手段分为以下3种：①分析杂散电流的产生原因，减少杂散电流的泄漏量，围堵杂散电流的泄漏途径；②对杂散电流的作用物加强防护；③对杂散电流的大小进行实时监测，以便在数值超标时及时采取措施。以上3种方法在国内外既有运行线路上均有采用，但效果并不理想。

国内外研究人员对此问题做了大量研究。文献［2］对回流系统进行了详细分析，建立了以牵引电流、轨地过渡电阻与钢轨电阻为变量的回流系统连续模型；文献［3］对同流轨不同接地形式（完全接地、极性接地、不接地）下杂散电流的分布进行了建模分析，研究表明钢轨不接地虽可有效减少杂散电流但会使轨电位提升，因此认为钢轨极性接地模式是不错的选择；文献［4］研究认为，结构钢电阻率对轨电位的高低无太大影响，而轨电位的数值变化对钢轨电阻率、轨地过渡电阻、列车电流以及供电区间长度等参数的影响较为敏感；文献［5］研究了钢轨经二极管接地时钢轨对地电位的分布，发现钢轨通过二极管接地，虽可减少杂散电流，但会提高轨电位。

上述研究虽然在钢轨电位的测量方法、定性计算及控制方面取得了一些成果，但其与现场测量的数据，很难吻合。因此，研究能够准确测量真实钢轨电位参数算法，探索既有运行线路杂散电流防护新方法具有现实意义［6-12］。

1 杂散电流及轨电位分布原理

根据基尔霍夫电路定理，对钢轨电位的分布、杂散电流的通路及泄漏进行分析。图1为杂散电流的对外泄漏情况及轨电位的分布。

图2 排流网杂散电流分布及轨道电压分布原理图

图1中，r为接触网电阻，单位为Ω/km；Rg为轨地过渡电阻（为简化模型，将轨道对排流网、排流网对地的电阻合并为Rg），单位Ω/km；Rs为轨道纵向电阻，单位Ω/km；RR为埋地金属结构电阻，Ω/km。

排流网杂散电流分布及轨道电压分布原理如图2所示。

假定在坐标x处的轨道对地电压为u（x），则位于坐标x处的轨道回流电流大小为i（x），坐标x处轨道对地泄漏的杂散电流为ig（x）；电动车组距变电所距离为L，其从接触网上取得的负荷电流为I。

根据基尔霍夫电路定理分析可得：

由图2 c）可知：

u（x）=di（x）·Rg/dx（3）

由式（2）对x求导，结合式（1）可得：

轨电位基本满足以下关系：

在x点进行检测，若x为已知数值，则x点的u1（x），u（x）均为已知数据。距离L和负荷电流I也可以通过测量得到。建立模型后，采用牛顿迭代法求解式（5）即可解出 Rs和 Rg。

从式（5）可知，在地铁系统实际条件下，钢轨自身的纵向电阻Rs要远远小于其对地过渡电阻Rg。故钢轨纵向电阻、供电距离、牵引电流（负荷电流）三者的变化会对轨电位的分布产生显著影响。

2 红山动物园—迈皋桥区段供电系统模型

红山动物园—迈皋桥段供电系统采用单边供电方式，牵引变电所设置在红山动物园站。其供电回流系统如图3所示。

图3 红山动物园—迈皋桥区段供电回流图

现场钢轨参数测量如下：

钢轨平均电阻29.11×10-3Ω/km；

轨地平均电阻6.75×10-3Ω/km；

线岔接头电阻3 Ω。

模型线路以南京地铁1号线迈皋桥站至红山动物园站区间外加折返段为例，线路全长约为1.5 km，仿真单元长度设置为200 m。采用Matlab/simulink软件对系统进行建模，建立完整的牵引系统的理论模型，其供电系统仿真图如图4所示。

图4 红山动物园—迈皋桥区段牵引供电模型

地铁牵引变电所采用24脉波整流装置，输出为24脉波DC 1 500 V直流电。变压器参数设为一次侧电源的短路容量为100 MVA,额定容量3 450 kVA，一次侧额定电压35 kV，二次侧额定电压1 180 V。其仿真模型如图5所示。

图5 地铁牵引整流机组仿真模型

3 数据仿真及实测对比

为了验证仿真模型的有效性，本文选取了不同工况下的仿真计算并与实测值进行对比。

3.1 两列车运行工况分析

选取一列车在红山动物园—迈皋桥区间运行、另一列车在迈皋桥折返线运行的工况下进行仿真计算，并将计算结果与实测值进行比较。仿真结果如图6所示，实测值如图7所示。

将图6与图7比较后可以发现，仿真结果与实测结果较为吻合，两列车运行时轨电位数值普遍较低，各采集点的轨电位值均不超过40 V。

3.2 一列车运行一列车启动工况分析

选取一列车在红山动物园—迈皋桥区间运行、另一列车在折返线启动的工况下进行仿真计算，并将计算结果与实测值进行比较。仿真结果如图8所示，实测值如图9所示。

将图8与图9比较后可以发现，仿真结果与实测结果较为吻合。一列车在红山动物园-迈皋桥区间运行，另一列车在折返线启动的情况是这个区间检测到的最恶劣情况，红山动物园站轨电位最高为125.68 V，迈皋桥站轨电位为113.6 V，区间为96.3 V，轨电位情况较为恶劣。由于涉及到两列车在不同工况、不同位置下运行，各点轨电位的变化与单独一列车相比较而言，电流趋势的一致性并不明显。但在列车启动时，其轨电位基本都是正向变化趋势。

图6 两列车运行仿真结果

图7 两列车运行实测结果

4 轨电位异常控制技术方案分析

地铁的建设运营方在项目的规划设计、施工建设、设备采购、运营管理等方面都对轨电位异常的问题加以关注，并采取了一系列措施试图解决此问题，但一直以来效果不佳，这正说明轨电位的相关研究尚存未解决的问题。

图8 一列车运行—列车启动仿真结果

轨电位限制装置的瞬间合闸虽可降低高轨电位对人身和设备造成的安全隐患，但同时相当于使轨道接地，大幅杂散电流的通路恶化了其腐蚀程度。降低轨电位与减少杂散电流两者，在现阶段存在着矛盾，无法同时满足，只能追求这两者之间的平衡，即理想情况就是既能将轨电位限制在合理范围内，杂散电流的泄漏量也尽可能减少。

在设计和施工阶段，可以采取降低负荷电流、缩短供电距离、降低钢轨电阻以及采用四轨供电等方式以达到上述效果。

牵引网电压、供电距离、钢轨电阻这3项参数在地铁建成投入运营后难以改变，实施改造工程的难度很大。随着运行时间的推移，现场运行条件逐步恶化，在运营阶段提高钢轨的对地绝缘程度难度很大。所以只能考虑排流法或专设回流电缆这两种方式对轨电位控制进行优化

图9 一列车运行一列车启动实测结果

排流法治标不治本，且其施工难度较大、运行成本较高，仅能作为降低轨电位的补救方案。采用回流电缆方案的好处是，由于回流电缆和钢轨是并联关系，因此部分回流电流将由钢轨分流至电缆中，钢轨中的电流将大幅减少，从钢轨对地泄漏的杂散电流量也会大大降低，且易于实施，可以满足既有线路对降低轨电位的急迫需求。

由于红山动物园—迈皋桥区段采用单边供电，车辆运行工况较为复杂而造成轨电位限制装置频繁动作，因此提出采用钢轨并联分流电缆的方式。仿真条件为：在迈皋桥折返段处设置一辆启动列车，列车采用恒流源模型，电流大小为2 200 A。迈皋桥至红山动物园站区间中设置另外一辆恒流源列车，列车电流设置为800 A。回流电缆采用DC 1 500 V，单芯、交联聚乙烯（XLPE）绝缘、低烟、无卤、A类阻燃电力电缆，截面为1×400 mm2，电缆电阻率为0.124 Ω，4根并联，回流电缆分别在红山动物园站和折返段与回流轨连接。仿真结果如图10所示。

图10 回流电缆并联前后轨电位仿真结果对比

在不加并联电缆的情况下，最高点的轨电位达到104 V，该电位点位于迈皋桥站附近。并联回流电缆后轨电位最高为58 V，轨电位可降低55%。从仿真结果来看，并联回流电缆的方案在降低轨电位方面效果明显。

5 结语

本文搭建了南京地铁1号线红山动物园—迈皋桥区段轨电位仿真模型，仿真计算该区段在电动车组不同工况下轨电位的分布情况并与实测值进行了比较，验证了仿真模型的有效性。提出采用并联回流电缆的技术措施来降低轨电位。仿真结果表明该方案能够大幅降低轨电位的分布值，减少轨电位限制装置动作次数，从而在不增加杂散电流的前提下有效降低轨电位。

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