城轨供电变流设备应用对钢轨电位的影响分析

王洪杰 刘 钢 田 彩 朱 贺

1.广州地铁集团有限公司 广东广州 510330；2.重庆中车时代电气技术有限公司 重庆 401120

城轨地面牵引供电系统配有钢轨电位限制装置，在检测到负极与大地压差达到保护门槛时，大地与负极直接导通，地面供电系统由对地悬浮系统转变为直接接地系统，解决钢轨电位异常偏高问题，保障人身安全。在新型变流设备得到普遍应用的情况下，现有供电系统架构已有所不同，本文将对变流设备的应用在钢轨电位上的影响进行研究分析。

变流设备的核心器件为绝缘栅双极型晶体管IGBT，其高电压、大电流、脉冲干扰特性将对城轨供电系统回流系统带来一定的影响。近年来，国内外专家对大功率变流器电磁干扰机理开展了一定研究，但对城轨地面牵引供电系统的研究较少。城轨地面牵引供电系统其特殊的接地、回流方式，其电磁干扰机理及干扰电流流通路径存在较大差异，尚缺少相关研究。本文基于城轨地面牵引供电系统设计，分析了钢轨电位异常机理，并对变流设备应用后可能带来的问题进行分析，最后给出抑制共模干扰方案。

1 城轨供电及回流系统

传统的城轨牵引供电系统，由变电所内24脉波整流、车载制动电阻构成，变电所内24脉波整流为车辆牵引提供能量，在车辆制动时，由车载制动电阻将制动能量消耗掉。随着国家节能减排政策的深入，传统的城轨牵引供电系统架构在不断地改进，中压能馈装置的应用，取代了车载制动电阻，一方面减轻了车辆重量，另一方面可以将车辆制动时产生的制动能量返送至电网供其他负荷利用。

2020年3月，中国城市轨道交通协会正式发布《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》，提出了智慧城轨建设的指导思想，阐述了智慧城轨的标志和内涵，描述了智慧城轨建设的蓝图。纲要指出“推广直流牵引网的双向变流技术，可再生能源系统技术”，双向变流技术的应用再次将城轨供电系统的变革推上了历史新高度。

城轨牵引供电回流系统，为列车牵引电流返回变电所整流器负极提供的通道，主要有钢轨、均流电缆及防护装置组成，传统的地铁线路由走行轨作为回流轨，近年来为了更好地抑制杂散电流，部分线路设立了专用回流轨。

回流系统接地方式是根据线路运行工况进行改变的，当线路正常运行时，系统是悬浮的，钢轨与大地是不连接的；当检测到线路上钢轨电位异常偏高时，系统通过钢轨电位限制装置直接接地，此时存在钢轨与大地直接连接，电流直接注入大地，增加了杂散电流；当杂散电流监控系统监测到极化电位超标，控制排流柜导通，形成经二极管接地系统[1]。

配有专用回流轨的线路上，在大地与回流轨之间设置由单向导通装置，当大地与负极之间电压差高于二极管正向导通电压时，回流系统采用经二极管系统方式。

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2 钢轨电位偏高原因及影响分析

目前，钢轨电位偏高问题普遍存在，较为严重的情况下，钢轨电位限制装置无法分闸，处于常闭状态，对人身安全有较大威胁，严重影响线路的安全可靠性。通过对既有线路运行跟踪分析，导致钢轨电位异常的主要因素由以下几点[2]：

2.1 纵向电阻的影响

传统的城轨供电系统，由走行轨承担起回流的作用，钢轨的纵向电阻的大小，将直接影响车辆运行过程中钢轨电位的高低，随着钢轨纵向电阻的增大，钢轨电位也将增大。一般情况下，线路纵向电阻在31mΩ/km～38mΩ/km。

2.2 过渡电阻的影响

《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程CJJ49-92》中规定：对于在建或新建地铁线路不应小于15Ω·km，对于已投运地铁线路不应小于3Ω·km。在工程实际应用中，根据钢轨绝缘安装的情况，存在过渡电阻不均匀现象，影响不同区段的钢轨电位[3]。

2.3 越区供电的影响

线路运行过程中，是一个多列车多牵引变电所并行运行的系统，存在多辆列车制动及牵引共存的现象。由变电所24脉波整流特性可知，当一列车在某一站进行牵引时，会将就近变电所电压拉低，由空载的1650V降至1500V左右，此时临近的变电所出口电压较高，存在电压差，将为本变电所提供能量，存在较强的越区供电现象，会出现多个变电所为列车供电现象，此时回流的线路加长，线路上的压降增加，将会抬高供电区段的钢轨电位。

2.4 变电所间距的影响

城轨供电系统，线路正常运行时，采用双边供电模式，同一个供电臂上，两侧变电所同时供电。车辆运行过程中，由一个变电所驶向同供电臂上的变电所，在列车距离变电所较近时，钢轨电位和杂散电流最小，随着离变电所距离的增大，钢轨电位和杂散电流随之变大。在列车行驶到供电臂的中间位置时，回流路线最长，钢轨电位将达到顶峰最大值。变电所间距的远近将严重影响钢轨电位。

城轨供电系统中负荷特性的特殊性、单向导通装置及钢轨电位限制装置的操作过电压、回流系统的变更等都将影响线路钢轨电位的分布。

变流设备在城轨供电系统中的应用，是对线路回流系统的一种优化，减少了回流在钢轨上流通的路径，同时变流设备的应用，使得直流网压可控，在负荷一定的情况下，将有效地降低回流电流，变流设备的应用将影响线路钢轨电位的分布。

钢轨电位异常偏高，影响乘客人身安全，如异常的钢轨电位将导致钢轨电位限制装置长时间闭合，将导致电流经过钢轨电位限制装置内的直流接触器或反并联的晶闸管，注入大地，进一步导致杂散电流的增多，加重管道腐蚀，带来众多社会问题[4]；异常钢轨电位，可能会导致框架保护动作，通过保护逻辑，跳本站35kV交流开关柜及直流开关柜，双边联跳左右邻站直流开关柜，导致相关供电区段停电，线路无法正常运行。

为了降低钢轨电位异常带来的问题，现阶段一般会在线路上配置钢轨电位限制装置，该装置安装于走行轨和大地之间，其主要作用是防止在乘客上下车时由于其他列车的运行，使钢轨对地电位过高或其他异常电位(如变电所正极接地、走行区正负极短接等)对人身造成电击伤害。钢轨电位限制装置中主要短接装置是接触器支路和双向晶闸管支路共同组成的并联电路，用于短接走行轨和大地。钢轨电位限制装置工作时有2套短接装置直接检测钢轨对地电位，当钢轨对地电位超过设定的电压值时，钢轨电位限制装置按设定电压值的不同进行相应保护动作，一般分为3段保护，其中Ⅰ段、Ⅱ段保护利用接触器闭合实现接地，Ⅲ段保护利用钢轨电位限制器中双向晶闸管的快速动作特性实现接地。

当钢轨电位限制装置检测到钢轨与保护地之间的电压差大于装置一段动作电压U>时，接触器经过延时T1时间后进行合闸，并经过延时T2时间后自动恢复开断。当在规定的T3时间内装置连续动作达到规定的次数时，短路装置不再自动恢复开断而处在闭合状态。装置的一段动作电压可在DC25V～DC200V范围内调节。

当钢轨电位限制装置检测到钢轨与保护地之间的电压差大于150V(二段动作电压U>>)时，接触器须经规定的延时T4时间后进行永久合闸，并保持闭合状态。

当钢轨电位限制装置检测到钢轨和保护接地之间的电位差大于600V(三段动作电压U>>>)时，晶闸管在0.2ms内首先导通，将导轨接地，然后启动接触器合闸。接触器合闸后，晶闸管回路马上断开。

3 变流设备应用影响分析

越区供电作为钢轨电位异常的重要原因，变流装置在地面牵引供电系统中的应用，可有效地降低钢轨电位。能量回馈装置在城轨供电系统的应用，可将列车制动产生的能量就近返送至电网，通过电网为其他负荷提供能量，减少了制动能量在直流网上的流动，降低钢轨电位；双向变流装置的应用，改变了牵引供电系统特性，直流牵引的特性更加有韧性，将现有的不可控整流变为可控整流，根据需要提高直流牵引网压，在列车负荷一定的情况下，明显减小线路电流，减小线路回流，同时直流网压韧性的提高减少越区供电，可有效降低钢轨电位。

变流设备在城轨供电系统中的应用是对地面供电跨越式的推进，将现有的不可控系统，赋予一定的意识，具有一定的自主性，但不可避免地也将变流设备固有特性带入了城轨地面牵引供电系统。线路负极与大地存在众多寄生参数，变流设备共模电压特性问题，势必会对线路负极与大地的电位产生影响。

3.1 共模电压影响

变流设备工作过程中，可控器件IGBT处于快速通断状态，IGBT模块的集电极、发射极之间会产生一种电压脉冲。此种电压脉冲将产生一个宽频带电磁干扰，频率范围为几千赫兹到数十兆赫兹，它是变流器系统最主要的电磁干扰源。变流器系统传导EMI产生的机理为：IGBT在开关过程中产生非常高的电压电流变化率，使得电压电流中均含有丰富的高次谐波，通过变流器内部线路上的寄生电感和线路间或线路与柜体(或散热器)间的分布电容产生强烈的瞬态噪声，从而在电路中产生传导干扰[5]。

变流设备所采用的功率开关器件是系统电磁噪声源，按照耦合路径不同，电磁干扰可以分为差模形式和共模形式。

共模干扰是指通过功率器件对地寄生参数、其他零部件对地参数形成耦合路径，其特征是各相线上共模干扰幅值相同，相位相同。

城轨牵引供电系统，在线路正常运行时，变电所内的变流设备内的可控器件IGBT处于快速通断状态，测控系统通过不同的调制算法，输出一系列的PWM波，对IGBT的工作状态进行控制。变流设备工作过程中，IGBT将产生大量热量，为了更好地散热，IGBT模块配备了较好的散热器，散热器与电缆、屏柜外壳等部分存在较多的寄生参数，这些寄生参数的存在，成为共模干扰传播的途径。可控器件开关过程中产生的dv/dt对寄生参数进行充放电，从而形成共模干扰电流。变电所内供电系统，本是悬浮系统，在共模干扰存在的情况下，将影响负地电位，影响钢轨电位，导致钢轨电位异常偏高。

城轨牵引供电系统中，回流轨与大地虽然进行绝缘安装，但存在大量的寄生、分布参数。变流设备工作过程中，三相PWM方波不对称(变流器特性)，导致三相交流电压不对称。不对称的三相交流电压产生共模电压，共模电压作用在线路寄生、分布参数上，将对负地电压造成影响，导致钢轨电位异常。经研究随着回流轨与大地绝缘水平的提高，共模电压的影响越严重。

3.2 抑制措施

为了降低共模干扰，一般可采用改变电路拓扑结构、优化控制策略、降低开关频率等方式，但可能会影响设备性能。减少IGBT开关频率是降低共模干扰电压的常用手段，但不适用于高电压等级、大功率、低开关频率的牵引系统。较低的开关频率共模干扰电流的最大峰值在速率后没有明显变化，但峰值电流频率降低，干扰电流的频谱曲线变化不大。

在不对现有设备进行改造的情况，采用在负极与大地间加装Y电容的方式，有效地降低共模噪声源在寄生参数上的分压，从而降低钢轨电位。经测试，在加装Y电容后，钢轨电位电压的有效值、峰峰值得到了较好的抑制。

结语

本文对变流设备在城轨牵引供电系统中应用后产生的影响，进行了研究分析。新技术应用后，能减少越区供电，降低钢轨电位，同时可能会作为干扰源带来一定的问题，但共模干扰可以通过多种方法进行优化解决。