基于回流系统集中参数模型的地铁钢轨电位和杂散电流计算

2020-07-04李怀志

现代城市轨道交通 2020年6期

李怀志

摘要：地铁直流供电及回流系统中存在钢轨对地电位和杂散电流。钢轨对地电位对人身和设备存在直接安全隐患，杂散电流对地铁钢结构形成比较严重的电蚀。文章以具有 OVPD 装置的直流供电及回流系统为例，建立回流网集中参数电气模型，通过 multisim 软件仿真，计算钢轨对地电位和杂散电流，总结钢轨对地电位和杂散电流规律，为排流柜投入运行、OVPD 保护电压设置等提供依据。

关键词：地铁;回流系统;集中参数;钢轨电位;杂散电流;OVPD

中图分类号：U231.8

地铁直流接触网（轨）供电系统采用钢轨回流，节约建设成本。钢轨本身的纵向电阻和钢轨对地的过渡电阻构成回流系统的一部分，产生钢轨对地电位和杂散电流。GB 50157-2013《地铁设计规范》[1]中规定直流牵引供电系统应为不接地系统，牵引变电所中的直流牵引供电设备必须绝缘安装，正常双边供电运行时，站台处走行轨对地电位不应大于120V，车辆基地库线走行轨对地电位不应大于60 V。刘燕等[2]列举了严重杂散电流腐蚀危险，用微元法建立杂散电流分布的数学模型。陈超录等[3]提出限制钢轨对地电位的方法，计算出短路状态下钢轨电位限制装置（OVPD）晶闸管参数选取依据。本文旨在构建回流系统集中参数模型，基于multisim软件仿真，计算各工况下的钢轨电位和杂散电流数值，为排流柜投入运行、OVPD保护电压设置等提供依据。

1 地铁直流供电及回流系统

地铁直流供电及回流系统主要由牵引降压变压器、整流机组、接触网、直流馈线柜、排流柜、OVPD装置、回流钢轨、排流网、馈电线和回流线等组成。排流网用于收集杂散电流，OVPD装置用于限制钢轨对排流网的电位（对地电位），确保设备和人身安全。地铁直流供电及回流系统如图1所示。

2 回流系统集中参数模型

2.1 基本假设

地铁接触网一般采用双边供电，供电臂長度通常为2km。为了简化模型，现做如下假设：

（1）忽略接触网电阻;

（2）钢轨类型为60 kg/m;

（3）钢轨纵向电阻线性分布，忽略无缝钢轨接头的影响;

（4）钢轨各处对地的过渡电阻均匀等值。

2.2 回流系统微单元结构模型

根据CJJ 49-1992 《地铁杂散电流防护技术规程》中地铁走行轨回流系统要求，对于运行线路，取钢轨对地过渡电阻Rg = 3 Ω · km，60kg/m规格的钢轨纵向电阻Rr = 0.0153Ω/km。

由于钢轨的纵向阻值与其长度成正比，过渡电阻阻值与钢轨长度成反比，因此，每50m的钢轨纵向电阻R1 = 0.000765Ω;每100m的钢轨对地过渡电阻R2 = 30Ω。以每100m钢轨长度划分为1 个回流系统微单元，构建每100 m集中参数下的回流系统微单元结构模型，如图2所示。

2.3 单供电臂回流网集中参数电气模型

单边供电是双边供电的基础，基于回流系统微单元模型，构建长度为2km的单供电臂回流网集中参数电气模型，如图3所示。设一维坐标原点在钢轨0m处，坐标轴方向向右。

3 回流系统集中参数仿真模型

某城市4动2拖编组B型电客车，直流供电额定电压为1500V，定员载荷工况。OVPD设置在车站（车辆段），距离原点1850m处。不考虑列车运行时电流实时动态变化，假定列车从接触网取流为一段时间内的平均值，等效为一直流恒流源。查阅电客车牵引制动特性曲线，确定在牵引工况下受电弓取流IS = 2800A，制动工况下受电弓回流IS = 3500A，牵引负荷等效为直流电流源，并假定牵引工况取流为参考正方向，制动工况回流为反方向。利用multisim软件，建立回流系统集中参数仿真模型，如图4所示。利用万用表测试接地点G到V1、V2…直至V22点对地电位，利用电流探针测试排流网各处电流（I1～I19）。

4 仿真结果

4.1 工况 1：排流网未投入运行

正常工况下，排流网不投入运行，用multisim软件仿真测试V1～V22各点对G点电位和I1～I19各条支路杂散电流，钢轨电位分布如图5所示，杂散电流分布如图6所示。钢轨电位和杂散电流具有如下规律：

（1）钢轨各处对地电位呈线性规律，杂散电流呈抛物线规律;

（2）坐标原点处，钢轨对地电位为41.93V和-52.413V，坐标1000m处杂散电流为6.99A和-8.73A;

（3）坐标1000 m处钢轨对地电位最低，接近0 V;

（4）制动工况下钢轨最高电位绝对值比牵引工况下钢轨最高电位高。

4.2 工况 2：排流网投入运行

由于列车大多数时间运行在牵引工况，为简化问题，本文只讨论牵引工况下排流网投入运行情况，即排流网作用结果相当于图4中A点和B点短接。用multisim软件仿真测试各点在牵引工况下钢轨对地电位和杂散电流，结果分别如图7和图8所示。钢轨电位和杂散电流具有如下规律：

（1）钢轨各处对地电位呈线性规律，杂散电流呈抛物线规律;

（2）坐标原点处钢轨对地电位最高，为83.445 V，杂散电流为0 A;

（3）坐标2000 m处钢轨对地电位为0 V，杂散电流最大为27.7 A;

（4）排流网投入运行时钢轨对地电位最大值增加，杂散电流最大值增加。

4.3 工况 3：OVPD 装置动作

根据钢轨对地电位高低，OVPD装置动作。当车站钢轨对地电位超过120 V（车辆段钢轨对地电位超过60V）时，OVPD装置接触器触点与地短接，相当于图 4中V19点与G点短接。此时钢轨各点电位和杂散电流如图9和图10所示。钢轨电位和杂散电流具有如下规律：

（1）钢轨各处对地电位呈线性规律，杂散电流呈抛物线规律;

（2）坐标1850 m处，钢轨对地电位为0 V，杂散电流为23.8 A;

（3）坐标原点处钢轨对地电位为77.260 V，杂散电流为0 A;

（4）OVPD装置动作时钢轨对地电位最大值增加，杂散电流最大值增加。

4.4 结果比较

通过分析地铁供电回流系统在正常（排流网未投入运行）、排流网投入运行和OVPD装置动作3种工况下钢轨对地电位和杂散电流数据，由图11可以看出排流网投入运行时钢轨对地电位最高，杂散电流最大。

5 结论及建议

当回流网杂散电流检测系统检测到杂散电流过大时，排流网投入运行，减小流经钢结构中的电流，导致总的杂散电流值增加，钢轨对地电位升高。当OVPD装置动作时也会增加钢轨对地电位和杂散电流值。因此，减小钢轨对地电位和隧道钢结构中杂散电流的最好方案是及时有效维护钢轨下的减震绝缘胶垫、轨枕固定螺栓和蝶形弹簧，增加钢轨对地过渡电阻;规范标准钢轨接缝的焊接工艺，减小钢轨纵向电阻;利用参比电极做好杂散电流监测，减少排流网投入运行次数（甚至不投入运行）;安装更加智能的OVPD保护装置，减少OVPD装置误动作次数和钳位时间。

参考文献

[1]GB 50157-2013地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[2]刘燕，王京梅，赵丽，等.地铁杂散电流分布的数学模型[J].工程数学学报，2009（4）：571-576.

[3]陈超录，杨洋，解培金，等.城市轨道交通钢轨电位限制技术研究[J].机车电传动，2018（6）：97-101.

[4]黄焕隆.南宁地铁2号线钢轨电位异常升高原因分析[J].铁道运营技术，2019，25（4）：23-25.

[5]王璐璐. 基于DCAT牵引供电系统的地铁杂散电流治理技术[D].北京：北京交通大学，2019.

[6]李猛猛. 新型城市轨道交通雜散电流监测防护系统研究[D].北京：中国矿业大学，2019.

[7]冯祥，陈民武，胥伟，等.地铁钢轨电位限制装置电压保护异常动作分析及解决方案[J].电工技术，2018（21）：110-114，117.

[8]肖梓康. 红壤地区地铁杂散电流分布及腐蚀防护研究[D].江西南昌：华东交通大学，2018.

[9]王沛沛.城市轨道杂散电流和钢轨过渡电阻研究[D].四川成都：西南交通大学，2018.

[10] 李立勃.北京地铁大兴线钢轨电位限制装置瞬动原因分析与优化设计[J].现代城市轨道交通，2018（3）：10-14.

[11] 杜贵府，张栋梁，王崇林，等.直流牵引供电系统电流跨区间传输对钢轨电位影响[J].电工技术学报，2016（11）：129-139.