地铁钢轨电位限制装置Ⅲ段频繁动作分析研究

吴志斌

摘 要：文章就某沿海城市地铁1号线部分车站的钢轨电位限制装置Ⅲ段频繁动作进行研究，从钢轨电位的影响因素分析，找出可能影响钢轨电位限制装置Ⅲ段频繁动作的原因，并提出相对应的治理措施。

关键词：钢轨电位；钢轨电位限制装置；回流系统；暂态参数；功率分配

中图分类号：U231+.8 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）12-0055-03

Abstract： This paper studies the frequent movement of rail over-voltage protection device （OVPD） Ⅲ section in some stations of Metro Line 1 in a coastal city. From the analysis of the influencing factors of rail potential， the reasons that may affect the frequent movement of rail over-voltage protection device Ⅲ section are found out and the corresponding control measures are put forward.

Keywords： rail potential； rail over-voltage protection device （OVPD）； reflux system； transient parameters； power distribution

1 概述

目前国内各城市地铁均采用直流750V或1500V供电，电客车通过接触网或接触轨取流，牵引电流通过走行轨返回牵引变电所整流机组负极。由于钢轨自身存在阻抗及杂散电流的影响，在钢轨上产生电压降落，即为钢轨电位。钢轨电位的产生主要会造成以下3点危害：（1）危及乘客人身安全；（2）钢轨正向平均电位越高，杂散电流会越大，从而加快杂散电流对土建结构钢筋、设备金属外壳及地下金属管线产生腐蚀；（3）造成轨旁设备如屏蔽门、转辙机出现频繁打火放电现象，严重时可导致直流框架保护动作，引起大规模停电。因此为了限制钢轨电位，在工程设计时采用在车站变电所设置钢轨电位限制装置（Rail Over-Voltage Protection Device，OVPD），其一端接钢轨，另一端接地母排，内设置隔离开关，在正常运行状态下是隔离开关处于分位，当OVPD内部控制器检测到钢轨和接地母排之间的电位差达到整定电压值时，OVPD合闸，将钢轨和地短接，达到设定的延迟时间后自动断开。某沿海城市地铁1号线根据欧标提供的人体耐受曲线要求，当电位到150V人体的耐受时间为300s，从而将整定电压值设置为三段：Ⅰ段整定值为120V，Ⅱ段整定值为150V，Ⅲ段整定值为500V。下文就某沿海城市地铁1号线部分车站的钢轨电位限制装置Ⅲ段频繁动作进行分析研究。

2 钢轨电位的影响因素

表1为在一段运行期间有电客车或没有电客车运行时，部分车站变电所的OVPD Ⅲ段动作记录情况。从表中可以看出，吕厝站和湖滨东路站的OVPD 直接跳过Ⅰ段和Ⅱ段，Ⅲ段直接动作，甚至吕厝站在有电客车经过时处于长时间合闸状态。现从影响钢轨电位的主要因素（回流系统的通畅性、系统功率分配情况对钢轨电位的影响、回流系统暂态参数影响和排流对钢轨电位影响）进行分析。

2.1 回流系统的通畅性

回流系统的通畅性直接决定钢轨电位水平，回流不畅会引起钢轨电位抬升。从电流的流通路径可以看出，轨道纵向电阻、轨道接缝电阻和回流电缆与轨道接触电阻为回流通路电阻的重要组成部分。因此，利用DZ2变压器直流电阻测试仪分别对吕厝往火炬园方向的上、下行，吕厝往湖滨东路方向的上、下行接触网与钢轨回流通路电阻进行测量，如图2至图5所示。

根据CJJ49《杂散电流腐蚀防护规程》中规定：地铁轨道钢轨纵向电阻值不应大于10mΩ/km；钢轨接缝电阻不得大于1米钢轨电阻；厂家提供的60kg单根钢轨电阻为40mΩ/km，接轨网电阻不大于14mΩ/km；经测试回流电缆与钢轨连接处连接好的情况电阻几乎很小。结合规范理论计算出图2回流系统电阻大约为0.5*14+0.5*=17 mΩ，图3回流电阻与图2一样大约为17mΩ，图4回流电阻大约为0.78*14+0.78*=26.52 mΩ，图5回流电阻与图4一样大约为26.52mΩ。综合考虑直流电阻测试仪、回流电缆与钢轨连接处电阻和钢轨接缝电阻，图3与图4从理论计算值与实际测量值相比较相近，图2和图5理论值与实测值相差较大，可以判断出，吕厝站往火炬园站方向上行与吕厝站往湖滨东路站下行的回流系统不通畅，抬升了钢轨电位。

2.2 系统功率分配情况对钢轨电位的影响

通过建立动态仿真平台，将牵引供电系统的各项参数输入仿真系统后得到图6和图7，运用系统电流追踪分析法，结合图1车站分布图（吕厝站和湖滨东路与相邻的车站相距最多1公里多）可以看出，即使本站未有电客车经过，但是相邻车站电客车进站或离站时，会对本站的钢轨电位产生影响，而且距离越近，影响越明显。这也说明系统功率的分配会对钢轨电位的抬升产生影响，即便是在钢轨对地绝缘较好、轨道纵向电阻符合要求的情况下，多列车动态运行時系统的牵引电流分配对钢轨电位也有影响。

2.3 回流系统暂态参数影响

OVPD属于回流系统的一部分，其内部晶闸管的性能及OVPD的闭锁问题，这也可能造成OVPD的Ⅲ段直接动作。为了检验OVPD的晶闸管质量，我们通过逐步加压至500V，判断晶闸管是否在500V以下不导通，到达500V及以上导通。通过现场测量，吕厝站和湖滨东路站的OVPD内部晶闸管的质量没有问题。针对OVPD的闭锁问题，到吕厝站现场测试，记录到多次钢轨电位加压升高至I 段保护动作，延时10s后，接触器分闸导致钢轨电位瞬间升高至500V以上，OVPD Ⅲ段保护动作，钢轨电位限制装置闭锁，而钢轨电位限制装置未设闭锁则OVPD Ⅲ段未动作。记录如图8和图9所示，这表明OVPD的Ⅲ段动作可受到回流系统暂态参数影响。

2.4 排流对钢轨电位影响

通过杂散电流监测装置检测出，目前吕厝站和湖滨东路站的杂散电流极化电位值都低于设计规范0.5V，且变电所内设置的排流柜并未投入，所以吕厝站和湖滨东路站的OVPD Ⅲ段动作不受排流影响。

3 OVPD Ⅲ段频繁动作的处理措施

3.1 针对回流系统通畅性处理措施

根据图2和图5的测试结果，初步判断吕厝站和湖滨东路站的回流系统不通畅，针对该问题我们重点考虑回流轨与回流电缆之间连接方式，回流轨之间的焊接方式。回流轨与电缆的连接方式主要分焊接和栓接2种，焊接方式与栓接方式相比对钢轨的损伤较大，国内部分地铁线路在高架區段由于焊接操作未按照规范要求进行，出现过严重灼伤钢轨情况，但栓接方式相对于焊接方式则容易引起回流不畅、拉弧等现象，造成钢轨电位升高。因此，建议回流轨与回流电缆的连接方式采用快速铜热焊连接方式，并对连接工艺严格控制，及时进行焊接处的钢轨探伤检测。回流轨采用无缝钢轨，回流轨之间连接采用闪光接触焊。另外采用分点分段测试钢轨对地电阻，如果发现电阻偏高，则说明轨对地绝缘未满足设计要求，需对其进行绝缘处理。

3.2 针对回流系统暂态参数影响的处理措施

对OVPD的分闸条件改进可以减少回流系统暂态参数影响OVPD Ⅲ动作。通过对直流牵引回流系统暂态模型及产生尖峰过电压的理论分析，尖峰过电压峰值表达式为：Ucmax=。直流牵引回流系统的自身暂态参数电感L与电容C是很难进行改变的，只有通过降低分闸时刻流经OVPD的电流来减小分闸操作产生的尖峰过电压。因此，对OVPD的控制优化可通过改进分闸条件实现。当OVPD合闸动作完成后，需检测流经OVPD的泄漏电流绝对值I0，如果I0值较大，大于分闸电流的整定值I，则OVPD不应该进行分闸操作，当检测到较小的泄漏电流I0时，OVPD可以进行相应的分闸操作，这样就可以避免过高尖峰过电压的产生，减少OVPD不必要的闭锁操作。

4 结束语

通过对钢轨电位主要影响因素逐项分析排查，某沿海城市地铁1号线的个别车站钢轨电位抬升的原因基本可以确定，并采取相应的措施进行了整改。后续线路需综合考虑钢轨电位的各项影响因素，在设计阶段提前采取措施进行优化，且在施工过程中对回流系统节点验收，重点关注回流电缆与回流轨连接和轨对地电阻，运营过程定期检验如轨道灰尘较多等影响因素立即处理。

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