地铁直流供电接触轨残压检测及机理研究

何志辉

摘 要 当前我国经济迅速发展，地铁建设日益繁荣。针对城市轨道交通直流牵引供电系统的接触轨停电后停电作业区域产生的接触轨残压，导致现场停电检修无法正常开展，以及送电时因残压值较高线路测试通不过，无法恢复接触轨送电的现象，对接触轨残压进行实地测试，通过录波、数据分析，提出并验证了接触轨线间电容和线路长度对接触轨残压和线路测试的影响，为地铁运营公司和设计院改进PSCADA系统遥调合闸时序和提高直流开关综合保护装置线路测试中的接触轨残压值提供了依据。

关键词 直流牵引供电系统;线路测试;线间电容;线路长度接触轨残压

概述

随着我国经济的快速增长，城市扩张的速度不断增加，城镇车辆数目的不断增加，城市交通压力越来越大。地铁因其无污染和节省土地等等的优点逐渐为广大中大型城市接受，并且成为解决当下城市交通运输拥挤的最佳方案。直流供电控制和保护作为地铁直流牵引供电系统的核心部分，研制一种高性能和可靠的直流保护对促进地铁的长久发展具有重要作用。

1地铁直流供电方案

1.1 直流供电方案简介

地铁直流供电系统一般包括主变电所、中压网络、牵引供电系统和动力照明系统。主变电所接受城网110kV高压电源，主变压器降压，再经中压网络给牵引变电所供电。牵引变电所降压、整流后给接触网。接触网电压普遍采用DC750V、DC1500V。

1.2 地铁直流供电方案目前存在的三大顽症

地铁的直流供电虽已非常成熟，但杂散电流腐蚀、发电反馈能量回收、直流断路器灭弧问题这三大顽症一直没有得到有效解决。

（1）杂散电流腐蚀。在地铁直流供电系统中，走行轨和大地之间不可能完全绝缘，一部分电流经钢轨流回牵引变电所，另一部分电流则经大地流回，这部分大地中的直流电流称为杂散电流。杂散电流流经金属设施时发生电化学反应，金属失去电子被氧化而受到腐烛。直流的流通方向是固定的，流经路线是固定的，日积月累这种腐蚀就会对设施、管线造成严重破坏。目前虽然采用很多措施来解决这个问题，但只能减弱杂散电流腐蚀的影响，不可能杜绝。

（2）发电反馈能量回收。地铁站间距离一般比较短，其运行过程为：启动→加速→惰行→制动。制动采用发电反馈制动，电动机作发电机运行，消耗机车行进过程中的巨大动能来产生制动力。发电反馈制动产生的电能占列车牵引电能的40%，甚至更多。地铁直流供电系统中，牵引整流机组是单向导电的，电能不能回馈到电力系统，这将导致接触网电压升高。传统上制动电能经制动电阻消耗掉，现在人们采用蓄电池、超级电容、飞轮储能的方式来回收再利用，或是在牵引整流机组环节增加逆变装置使该电能反馈给电力系统。无论哪种方式都存在很多技术难点，并大量增加设备投资和建设费用。

（3）直流断路器灭弧。在地铁直流供电系统中，牵引变电所设置有直流断路器。交流断路器利用电流过零点达到电弧间介质恢复从而熄灭电弧。在直流断路器中，直流不存在电流过零的情况，需要创造过零点来熄灭电弧，技术难度非常高。目前，我国地铁供电系统中98%以上的直流断路器都是昂贵的进口设备。即便如此，直流断路器故障率仍然很高，降低了供电可靠性，提高了维修成本。总之，杂散电流腐蚀、发电反馈能量回收、直流断路器灭弧问题的根本原因在于牵引供电采用的是直流系统，无论采取什么办法，都不会改变直流的性能，因而也不可能从根本上解决。扬汤止沸，不若釜底抽薪。不采用直流系统，这些问题就根本不存在了。下面讨论地铁采用交流供电系统的供电方案[1]。

2残压主动检测方案

2.1 检测目的

通过高速数据采集仪扫描检测并记录馈线柜HSCB分闸合闸前后馈线电压的暂态过程，对接触轨残压形成机理进一步进行研究探讨，验证接触轨线间电容和线路长度对接触轨残压和线路测试的影响，为地铁运营公司和设计院改进PSCADA系统遥调合闸时序和提高直流开关综合保护装置线路测试中的接触轨残压值提供依据。

2.2 检测方案

馈线电压测量采用分压采样电阻和KNICK信号隔离放大器的方案，设置四组屏蔽线作为信号采集通道，并用高速数据采集仪（自带隔离且超过8通道）扫描检测并记录馈线电压的暂态过程：①测试馈线上电典型波形和断电残压衰减典型波形;②测试PSCADA系统遥调合闸、分闸时序和典型波形;③测试大双边断电残压衰减典型波形;④通过波形分析残压形成机理和应对措施[2]。

3接触轨残压实测与分析

3.1 接触轨残压实测

国内多条地铁线路开通以来，在接触轨线路较长的区间混合所和停车场车辆段恢复送电时多次发生接触轨残压值较高导致线路测试无法通过的情况，且持续时间不长、各设备绝缘强度经测试稳定可靠，考虑到这些区段线路较长，初步推断线间电容是造成接触轨产生残压的主要因素之一，并以此作为进一步测试分析的依据。本次检测选择地铁直流开关柜发生线路测试不通过较为频繁的站点变电所。

3.2 残压衰减和线间电容分析

根据电工理论，任何电容器在通电后都带有等值电压和相应电荷。在外部电源中断后，由于存在大地回路，电容器会缓慢放电。馈线电压衰减时间常数及线间电容与供电距离正相关，进行线路较长的大单边供电、大双边供电时，线间电容较大，受接触轨残压较高影响合闸断路器线路测试无法通过。

4结束语

针对城市轨道交通直流牵引供电系统的接触轨停电后停电作业区域產生的接触轨残压导致无法恢复接触轨送电的现象，本文以电工理论为基础，粗略地进行了理论分析，并与现场实地测试的录波数据比对分析，验证了接触轨线间电容和线路长度对接触轨残压和线路测试的影响，是采用三轨供电方式的接触网固有特性。当牵引变电所恢复供电和进行线路较长的大单边供电、大双边供电时，接触轨残压影响较为明显，对运营和检修造成不利影响。

参考文献

[1] 薛小强，赵垒，王晓博.地铁牵引变电所高压电流开关合闸故障的处理[J].城市轨道交通研究，2013，（5）：133.

[2] 王晓博，尚志坚，赵垒.城市轨道交通直流牵引供电系统接触网残压研究[J].城市轨道交通研究，2015，（9）：55.