城市轨道交通接触网 残压分析及抑制措施

慈明洋

（北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100044）

目前我国城市轨道交通牵引网供电制式普遍采用直流1 500V 架空接触网供电，走行轨回流。运营检修过程中普遍存在如下问题：当任一供电分区接触网隔离各方来电进行停电检修作业时，验电器仍然显示接触网带电，恢复送电时，直流馈线断路器线路测试不通过，接触网无法正常送电，即存在接触网残压问题。接触网残压直接威胁运营检修人员人身安全，影响变电所正常送电合闸，给城市轨道交通的运营检修带来影响。

城市轨道交通接触网的残压问题较为普遍，福州、宁波、西安、广州、南京、成都、天津等地的城市轨道交通均存在这一问题[1]。目前，对该问题的处理措施多为调高线路测试残压整定值[2]，避免接触网无法正常送电的情况，或调整送电组织流程，电调远方将正线出现残压问题区段的相邻供电分区停电后，再向出现残压问题的区段送电，没有采取针对性措施降低接触网残压。

下面以福州市轨道交通2 号线竹岐停车场出入场线接触网残压问题为例，通过对接触网残压进行理论分析与计算，结合残压测试数据，分析接触网残压产生的原因，提出一套降低接触网残压的措施。现场测试结果表明，该方法能够有效抑制接触网残压，并在城市轨道交通接触网运营检修中具有良好的应用前景。

1 接触网残压现象及危害

1.1 接触网残压现象

为满足城市轨道交通接触网运营维护需求，缩小故障事故影响范围，满足常态和故障时供电的灵活性[3]，将接触网划分为若干个供电分区。运营检修过程中，在正线夜间接触网停电检修作业时，车辆段、停车场接触网不停电，与车辆段、停车场相邻的正线供电分区验电仍然显示接触网带电，即接触网残压。正线停电检修作业完成后，在送电时系统对母线电压、馈线电压进行对比分析，当馈线电压低于系统工作电压且高于残压整定值时闭锁合闸[4]，与车辆段、停车场相邻的正线供电分区直流馈线断路器线路测试不通过，馈线断路器不能合闸，接触网无法正常送电。

根据对宁波、福州等地接触网残压问题的统计，接触网残压现象主要集中在车辆段和停车场，且多发生在出入线区段，接触网残压在雨、雾等气候条件下较为严重。

1.2 接触网残压危害

城市轨道交通接触网验电器报警电压值及直流馈线断路器的线路测试残压整定值一般为300 V[5]。根据现场测量，接触网残压最大值接近1 000 V，直接威胁运营检修人员的人身安全，影响正常的检修作业。接触网残压的主要危害如下：

1) 接触网停电检修作业挂接地线之前需进行验电，如果接触网残压值小于验电器报警电压值，则检修作业验电器显示接触网无电，但挂接地线时会出现打火现象，烧蚀接触网，且会造成运营检修人员的心理恐惧。

2) 如果接触网残压值大于验电器报警电压值，检修作业验电器显示接触网带电，按照运营安全操作规程不允许挂接地线，从而影响正常的检修作业，检修人员的人身安全得不到保障。

3) 停电检修作业完成后，直流馈线断路器线路测试检测网压超过整定值，馈线断路器不能合闸，接触网无法正常送电，会影响正常运营。

2 接触网残压产生的原因

2.1 静电感应电压

城市轨道交通接触网可以看成平行地面的导线，出场线、入场线为两条互相平行且与大地平行的导线。根据电容原理，出入场线接触网构成出场线与入场线间的电容，以及出入场线与大地间的电容，如图1 所示。

图1 电容分布示意 Figure 1 Diagram of capacitance distribution

两根平行导线间静电感应电压可以利用电磁场理论镜像法进行求解，也可以采用将静电场转变为电容网络用电路的方法进行求解，如图2 所示。

图2 静电感应电压计算 Figure 2 Calculation method of the electrostatic induction voltage

在图2(a)中，导线1、2 为与大地平行的导线，导线1′为导线1 相对于大地表面的镜像。设大地表面为零电位，导线1 的对地电位为+U1，那么其镜像导线1′的电位为-U1，可以得到导线1 在导线2 上产生的静电感应电压[6]为 式中，h 为导线及其镜像到地面的距离，R 为导线的半径，D 为导线2 与导线1 的镜像的中心距离，d 为导线1 与导线2 的中心距离。

采用电磁场的方法和电容电路的方法是等效的，图2(b)中导线1、2 之间以及两导线与大地之间存在电容，对三者之间的电容进行计算，可得到与式(1)相同的结果。由式(1)可知，静电感应电压的大小主要取决于以下因素[7]。

1) 平行导线的间距：导线间距越小，产生的静电感应电压越大。

2) 导线的电压：接触网线路电压越高，产生的静电感应电压越大，静电感应电压与接触网中有无电流无关。

3) 静电感应电压与两线的平行长度无关。

2.2 绝缘电阻分压

接触网相邻供电分区多由分段绝缘器或绝缘子实现电气隔离，建立相邻供电分区A 和B 的电阻分布，如图3 所示。

图3 A 分区与B 分区电阻分布 Figure 3 Resistance distribution of Zone A and Zone B

根据图3，计算A 分区绝缘电阻如下：

式中，RJ为单个绝缘子电阻，RL为绝缘子间接触网导线电阻，n 为A 分区绝缘子总数。

接触网导线电阻(刚性接触网13.8 μΩ/m，柔性接触网44.6 μΩ/m)远小于绝缘子及分段绝缘器电阻(不小于100 MΩ)，可忽略不计。简化式(2)可得A 分区绝缘电阻，有

同理，可计算得到A 分区与B 分区之间绝缘电阻R2及B 分区绝缘电阻R3，忽略其余相邻供电分区的影响，建立A 分区和B 分区等效电路模型如图4 所示。

根据图4 所示等效电路可以得出，当B 分区带电、A 分区不带电时，A 分区电阻分压值为

由式(4)可知，A 分区接触网残压值取决于A 分区和B 分区之间电气隔离分段绝缘器，或绝缘子等效电阻R2，以及A 分区绝缘电阻R1，与B 分区绝缘电阻R3无关。

图4 A 分区与B 分区等效电路 Figure 4 Equivalent circuit of Zone A and Zone B

当B 分区带电1 500 V 时，令A 分区与B 分区之间的等效绝缘电阻R2=50 MΩ 不变，绘制A 分区残压UA随A 分区绝缘电阻R1变化的曲线，如图5 所示。

图5 A 分区UA-R1 关系曲线 Figure 5 Relation curve of UA-R1

当B 分区带电1 500 V 时，令A 分区等效绝缘电阻R1=50 MΩ 不变，绘制A 分区残压UA随A 分区与B 分区之间等效绝缘电阻R2变化的曲线，如图6 所示。

图6 UA-R2 关系曲线 Figure 6 Relation curve of UA-R2

根据图5 及图6 的关系曲线可知，降低A 分区绝缘电阻R1或提高A 分区与B 分区之间的等效绝缘电阻R2，均可以降低接触网残压。由于降低绝缘电阻对牵引供电系统稳定运行存在诸多不利影响，因此在保证接触网对地绝缘电阻不变的情况下，通过提高分区间分段绝缘器及绝缘子的电阻值，从而有效地抑制接触网残压。

2.3 残压产生的原因

根据本文第1.1 节接触网残压现象分析，接触网残压在雨、雾等气候条件下较为严重。由于静电感应电压不会随天气而变化，推断静电感应电压不是接触网残压产生的主要原因。由于出入线处分段绝缘器、绝缘子安装于室外，现场环境较为复杂，容易受到雨、雾、灰尘等环境条件的影响，导致分段绝缘器、绝缘子的绝缘水平降低，从而导致接触网残压升高，因此推断绝缘降低是接触网残压产生的主要原因。根据上述分析推断接触网残压主要是由于电阻分压产生，通过提高分区间的分段绝缘器及绝缘子的电阻值，可有效地降低接触网残压。

3 案例分析与现场测试

3.1 接触网残压案例分析

福州市轨道交通2 号线工程竹岐停车场自2020 年3 月2 日送电启用以来，与其相邻的苏洋站分别在3 月9 日、3 月18 日、3 月19 日、3 月22 日、3 月31 日(当日均为大雾阴雨潮湿天气)出现接触网残压问题。

竹岐停车场入场线2C01+2A01 分区通过分段绝缘器FD1及辅助馈线绝缘子J1，与竹岐停车场2P02分区实现电气隔离，分区间设置2001 常开电动隔离开关；竹岐停车场出场线2C02+2B01 分区通过分段绝缘器FD2及辅助馈线绝缘子J2，与竹岐停车场2P01 分区实现电气隔离，分区间设置2002 常开电动隔离开关；竹岐停车场出场线2C02+2B01 分区通过横承力索绝缘子J3，与竹岐停车场2P02 分区实现电气隔离。

正线夜间停电检修作业时，竹岐停车场接触网不断电，苏洋站及出入场线2C01+2A01、2C02+2B01 分区验电器显示接触网带电，需要检修人员确认隔离开关状态，因而影响正常检修作业。停电检修作业完成后，苏洋站211、212 直流馈线断路器线路测试检测网压超过整定值300 V，馈线断路器不能合闸，2C01+2A01、2C02+2B01 分区送电失败。现场抢修人员检查设备无异常后，就地退出线路测试，电调远方送电成功。供电分段如图7 所示。

图7 竹岐停车场出入场线供电分段示意 Figure 7 Power supply in sections of a single line in the Zhuqi parking lot

3.2 接触网残压理论分析

3.2.1 由分段绝缘器隔离的相邻供电分区

出入场线与正线间采用分段绝缘器及馈线绝缘子来实现电气隔离，出场线2C02+2B01 分区绝缘电阻R1是所有悬挂点绝缘子电阻并联后的电阻值，R2为分段绝缘器FD2与馈线绝缘子J2并联的电阻值，停车场2P01 分区绝缘电阻R3为所有悬挂点绝缘子电阻并联后的电阻值。接触网导线电阻忽略不计，忽略其余相邻供电分区的影响。根据本文第2.2 节的等效电路模型，在停车场 2P01 分区带电的情况下，出场线2C02+2B01 分区的接触网残压值为

3.2.2 由绝缘子隔离的相邻供电分区

出场线和入场线平行布置，接触网多在同一组门型架内悬挂安装，两线间通过上下部固定绳上绝缘子实现电气隔离。2P02 分区绝缘电阻R6是所有悬挂点绝缘子电阻并联后的电阻值，R7为2P02 分区与2C02+2B01 分区之间横承力索绝缘子电阻。接触网导线电阻忽略不计，忽略其余相邻供电分区的影响。根据本文第2.2 节等效电路模型，在停车场2P02 分区带电情况下，出场线2C02+2B01 分区残压值为

由式(4)和式(5)可知，在保证2C02+2B01 分区绝缘电阻R1不变的情况下，采取相应措施，提高分段绝缘器和馈线绝缘子的电阻R2，以及2P02 分区与2C02+2B01 分区之间的绝缘电阻R7，可以有效地抑制接触网残压。

3.3 接触网残压测试分析

对福州市轨道交通2 号线工程竹岐停车场发生残压事件的出入场线区段进行测试与分析。

3 月18 日为阴雨潮湿天气，在出现接触网残压问题后，记录了接触网残压值，在竹岐停车场2P01、2P02分区带电的情况下(1 650 V)，入场线2A01+2C01 分区残压值为797 V，出场线2B01+2C02 分区接触网残压值为1 019 V。

分别在晴天干燥天气及阴雨潮湿天气时对各分区绝缘电阻进行测试，测试结果如表1 所示。

表1 各分区绝缘电阻的测试结果 Table 1 Insulation resistance test results of each zone MΩ

将以上测试数据代入式(5)、(6)中，得到入场线2A01+2C01 分区残压值为695.8 V，出场线2B01+2C02分区接触网残压值为940.9 V。

考虑分区间绝缘子对接触网残压的影响，在分区绝缘子R7处串联绝缘子R8，并将两绝缘子中间做接地处理，详见图8。改造完成后，出场线2C02+2B01 分区接触网的残压值由1 019 V 下降至873 V。

图8 分区间绝缘子改造 Figure 8 Insulator reconstruction between different zones

改造完成后，根据式(4)计算得到出场线2C02+ 2B01 分区接触网残压值，由940.9 V 下降至832.6 V，与实测值相符。

经过现场测试及理论计算分析，分区间绝缘子改造后，接触网残压下降约100 V，具备一定效果，但是效果不显著，残压过高主要是分段绝缘器处电阻值较低造成的。

以出场线分段处电阻R2为例进行分析，出场线分段处电阻R2由分段绝缘器的本体电阻、分段绝缘器的绝缘拉杆电阻、馈线绝缘子电阻、上网电缆表皮电阻并联组成。对以上部分电阻进行测试，得到如表2 所示的结果。

表2 分段处绝缘电阻的测试结果 Table 2 Insulation resistance test results of the section insulator

从表2 可知，影响分段处电阻的主要因素为馈线绝缘子及分段绝缘器拉杆处上网电缆电阻。在馈线绝缘子J1及J2处串联绝缘子，并在两绝缘子中间做接地处理(见图9)，以消除馈线绝缘子对分段处电阻的影响。

图9 馈线绝缘子改造 Figure 9 Feeder insulator reconstruction

原方案接触网上网电缆由分段绝缘器处接触网上网电缆通过悬吊拉索敷设，如图10(a)所示；改造后上网电缆通过结构梁敷设，如图10(b)所示。改造后上网电缆不经过绝缘拉杆，可消除上网电缆对分段处电阻的影响。

经上述调整后，现场测试出场线2C02+2B01 分区的接触网残压值降低至171 V，小于接触网验电器启动电压及线路测试整定值300 V，有效地抑制了接触网残压。通过计算得到分段绝缘器处的绝缘电阻值为144 MΩ，根据式(5)计算得到残压值为245.7 V，理论计算结果与现场测试结果相符，但存在一定的差异。这是因为现场条件较为复杂，空气湿度、灰尘等因素的变化会给绝缘电阻带来不同程度的影响，理论计算基于表1、2 的测量数据，现场测试接触网残压时与绝缘电阻测试时的环境条件不可能完全一致。

图10 上网电缆敷设路径改造 Figure 10 Reconstruction of the cable-laying path

由以上测试及理论计算分析可知，造成接触网残压的主要原因是分段绝缘器处的绝缘电阻值。通过消除馈线绝缘子电阻的影响，调整分段绝缘器处上网电缆敷设安装形式，可以有效提高分段绝缘器处的绝缘电阻，从而有效抑制接触网残压值。

4 降低接触网残压的措施

由接触网残压理论分析及现场测试结果分析可知，接触网残压主要是由接触网系统内部电阻分压造成的，无法避免，主要会影响车辆段、停车场出入线区段。为此，可以通过采取合理措施，有效地抑制接触网残压，从而减小接触网残压的危害。

1) 在分段绝缘器设备选型时，应提高出入段线与正线间分段绝缘器的绝缘电阻值，采用阻值更高的分段绝缘器。通过改进设备工艺，提高分段绝缘器的耐污性和自洁净性，从而减少外部环境对分段绝缘器设备绝缘性能的影响。

2) 分段绝缘器处的上网电缆应设计单独上网路径，可采用单独架设三角腕臂、架设电缆爬架，或利用土建结构敷设上网电缆，避免上网电缆通过分段绝缘器的绝缘棒，从而有效提高分段绝缘器电阻。

3) 目前，出段线和入段线接触网通常在同一组门型架内悬挂安装，两线间采用绝缘子来实现电气隔离，往往会造成电阻分压而形成残压。因此，在设计阶段尽可能将出入段线分开悬挂，减少分区之间绝缘子数量，可以有效地增大分区间的绝缘电阻值，从而降低接触网通过电阻分压形成的残压。如果无法避免在同一组门型支架内悬挂，则应采用双绝缘子，并将其中

间做接地处理，从而消除分区间绝缘子的影响。对于无法设置双绝缘子的情况，应增大分区绝缘子的爬电距离，目前直流1 500 V 系统通常采用爬电距离为250 mm的绝缘子，而不同供电分区间绝缘子可采用爬电距离为400 mm 的绝缘子[8]。

4) 出段线和入段线的上网电缆避免在同一组门型支架上敷设，可采用过轨埋管方式敷设对侧上网电缆。

5) 配置可视化接地管理系统[9]，以便消除手动挂接地线打火时检修人员的恐惧心理。

5 结语

笔者针对福州市轨道交通2 号线工程竹岐停车场出入场线接触网残压问题，以电工理论为基础，对接触网残压进行了理论分析与计算。同时，结合现场残压测试数据，分析了接触网残压产生的原因。最后，结合现场实际情况，提出了降低接触网残压的措施。现场测试结果表明，该方法能够有效抑制接触网残压，在城市轨道交通接触网运营检修中具有良好的应用前景。