地铁车辆段杂散电流分析与防护方案

金文辉

地铁车辆段杂散电流分析与防护方案

金文辉

（西安工程大学电子信息学院，西安 710600）

目前，普遍采用单向导通装置减少地铁车辆段杂散电流，但车辆段杂散电流问题依旧突出。本文对正线段和车辆段进行建模仿真，通过机车牵引计算得到机车取流与时间的关系，将机车取流代入单向导通装置处的电阻网络模型，模拟机车处于不同工况时对车辆段轨道电压、电流及杂散电流的影响，并对车辆段杂散电流产生的原因进行分析，就此原因对传统单向导通装置进行优化改进，采用大功率集成门极换流晶闸管（IGCT）作为新式智能单向导通装置控制器件，在满足地铁复杂运行环境的同时大大提高了单向导通装置的可靠性，还可有效降低车辆段杂散电流。

城市轨道交通；车辆段；单向导通装置；杂散电流防护

0 引言

在地铁运行中，地铁采用钢轨作为机车回流线路，使牵引电流流回变电站负极柜中。随着列车长时间运营，钢轨某一点处的绝缘性能变差，会导致部分牵引回流泄漏到大地，使地铁地下钢筋结构及埋设管道等金属体发生电解，遭受电化学腐蚀。地铁车辆段一直是绝缘性能的薄弱区，再加上段内线路复杂，且无法像正线段一样铺设排流网，导致车辆段杂散电流居高不下，严重影响了工人作业时的生命安全及车辆段的使用寿命[1-2]。

加设单向导通装置可以减少车辆段杂散电流，很多学者对单向导通装置进行了一系列研究。文献[3]对车辆段杂散电流进行测试分析，解释了杂散电流流通路径，但并没有对造成该问题的单向导通装置提出具体的改进方法。文献[4]提出在单向导通装置的消弧部位使用大功率可关断晶闸管（gate turn- off thyristor, GTO）器件，但现场无法满足GTO器件关断条件，还需设计专门的可控关断电路。文献[5]为预防杂散电流泄漏，对单向导通装置提出使用正向晶闸管和反向晶闸管，但地铁供电系统中的电压、电流相对较大，晶闸管并不适用于大功率环境。

对于上述存在的问题，本文首先对正线段及车辆段连接处即单向导通装置处进行建模仿真，分析正线段机车在牵引加速、匀速、减速情况下对车辆段杂散电流的影响，并对现有单向导通装置存在的问题提出改进措施，可在满足地铁复杂运行环境的同时减少车辆段杂散电流。

1 车辆段传统杂散电流防护方案

目前认为车辆段的杂散电流主要来源于钢轨电流的泄漏，因此采取相应措施减少钢轨电流在轨道上的回流路径。首先在车辆段库内与库外之间、出入场线区与正线段区之间设置轨道绝缘节，保证正线段与车辆段电气隔离，阻止正线段电流流入车辆段；其次为保证列车运行通过绝缘节时可正常回流，在绝缘节处加设单向导通装置。

传统单向导通装置示意图如图1所示[6]，主要由二极管、隔离开关、消弧装置组成，一般安装于车辆段与正线段轨道绝缘节处，方向由车辆段处指向正线段处。二极管使钢轨电流无法从正线段流入车辆段，减少了车辆段钢轨电流的流通。隔离开关可在二极管发生故障时手动或电动合闸，保证机车运行时轨道电流不断流。消弧装置保证机车通过绝缘节时不会发生拉弧现象，灼烧钢轨。

图1 传统单向导通装置示意图

在现场实际应用中，工人在车辆段作业时经常发生挂接地线放电现象，威胁工人生命安全，且车辆段的杂散电流问题依旧没有得到解决。

2 建模仿真分析

2.1 回流模型建立

地铁正线段杂散电流分布模型如图2所示，为简化问题，在公式推导过程中采用单边供电和单一负荷，且假设各电阻均匀分布[7-12]。则在电路分析过程中可以按线性回路考虑，从而使用叠加原理，利用微元法建立正线段轨道电流、排流网电流、大地电流和轨道电压、排流网电压的微分方程，进而求出杂散电流和轨道电位。图2中，z为钢轨的纵向电阻，p为排流网纵向电阻，M为埋地金属纵向电阻，g1为钢轨与排流网之间的过渡电阻，g2为排流网与埋地金属之间的过渡电阻，g3为埋地金属与大地之间的过渡电阻，DC为牵引变电站，1为牵引变电站内阻，b1为再生制动的串联电阻，p为排流网电流，M为埋地金属电流，为机车取流，1为机车回流。杂散电流流通线路如图3所示，其中为测量点距离变电所的距离（km）；为机车距离变电所的距离（km）。画出节点电压和电流图如图4～图7所示。

图2 地铁正线段杂散电流分布模型

图3 杂散电流流通线路

图4 电压节点图1

结合基尔霍夫电压定律，由图4可得

图6 电压节点图2

图7 电流节点图2

由图5得

由图6得

由图7得

由图3得

将式（5）代入式（1）～式（4）并整理成矩阵形式得

令

则有

上述微分方程所对应的齐次方程组为

根据式（7）和式（8）可得

将式（10）代入式（9）可得

由矩阵形式表示为

根据排流网结构的边界初始条件，对式（7）进行求解，即可得到轨道电压、杂散电流、轨道电流的表达式。

2.2 不同工况下的车辆段仿真

表1 机车牵引运行仿真参数

地铁机车运行中的阻力采用经验公式，即

2.3 仿真结果分析

根据机车最快速牵引策略计算，通过Matlab仿真，得到不同工况下的机车速度-时间-位移如图8所示，机车牵引功率-时间如图9所示，机车取流-时间如图10所示。

图8 不同工况下机车速度-时间-位移

图9 不同工况下机车牵引功率-时间

图10 不同工况下机车取流-时间

由图8～图10可知，机车运行时间为79s，机车在出发第16.5s时，达到最高限速80km/h，此时牵引功率和机车取流也达到最大，随后由牵引加速转为匀速行驶，在第52.6s时，机车由匀速行驶进入制动减速阶段。机车在加速过程中最大牵引功率为4 474.3kW，机车最大取流为2 982.8A，在减速过程中最大制动功率为5 313.3kW，机车制动取流为3 542.2A。

由于地铁车辆段与正线段之间通过单向导通装置连接，在Simulink中搭建正线段与车辆段电阻网络模型如图11所示，将机车牵引计算所得到的机车取流作为电流源来模拟机车不同的运行工况，并对车辆段钢轨电位和杂散电流进行分析。

图11 单向导通装置处电阻网络模型

图12所示为不同工况下车辆段轨道电压、轨道电流和杂散电流变化曲线，当机车处于牵引加速或匀速行驶工况时，机车通过受电弓从接触网取流并通过钢轨回流，此时机车位置对于钢轨电位为正，则单向导通装置负极端处电位也为正，此时因二极管的单向导通性，单向导通装置电流几乎为零，但当机车处于减速工况时，电流方向发生改变，单向导通装置负极端所对电位为负，电流流过单向导通装置。

图12 车辆段轨道电压、轨道电流、杂散电流变化曲线

图13所示为车辆段杂散电流-时间-位移，图14所示为车辆段轨道电压-时间-位移，由仿真结果可以看出，车辆段的杂散电流和轨道电位与正线段的列车运行工况息息相关，车辆段钢轨电流最大值为22A，杂散电流最大值为19A，轨道电压最大值为-53V。

图13 车辆段杂散电流-时间-位移

图14 车辆段轨道电压-时间-位移

单向导通装置造成的杂散电流流通路径如图15所示，从正线段钢轨-正线段过渡电阻-大地-埋地金属-车辆段过渡电阻-车辆段钢轨-单向导通装置-正线段钢轨最终返回变电站负极，无论车辆段是否有机车运行，传统的单向导通装置都会受到正线段电流的影响，单向导通装置二极管无法关断的特性为杂散电流的持续流通提供了一条通路。

图15 车辆段杂散电流流通路径

在实际测量中，工人在挂接地线进行工作时，多次出现接触线烧融的现象，在对车辆段杂散电流的在线监测中，其值可达几百安，远远大于仿真预计值，这对车辆段工人作业及附近钢筋结构具有极大的危害。

3 车辆段杂散电流优化方案

针对车辆段绝缘性能相比于正线段差的问题，应对单向导通装置进行优化升级。目前所使用的单向导通装置因使用二极管器件[14-15]，正线段杂散电流会通过大地和单向导通装置形成回路流回变电所负极，造成车辆段一直存在杂散电流。根据第2节所分析的车辆段钢轨电位及杂散电流产生原因，以及目前单向导通装置所存在的问题，本文设计一款新式智能单向导通装置。

新式智能单向导通装置技术要求如下：

1）器件应选择大功率全控型器件。

2）集成门极换流晶闸管（integrated gate-com- mutated thyristor, IGCT）支路设计容量为额定容量的1.5～2倍。

3）应设计相应保护电路。

4）应具备数据采集及远程通信系统。

新型智能单向导通装置示意图如图16所示，主要包括主控系统（STM32）、传感器模块（绝缘节两端电压检测模块、支路电流检测模块）、辅助电源电路模块、485通信模块、支路保护电路、IGCT器件。

图16 新型智能单向导通装置示意图

单向导通器件：地铁供电系统普遍采用1 500V直流供电，以钢轨作为回流轨道，牵引电流通常可达2 000A以上。考虑到地铁牵引电流，宜采用大容量全控器件作为单向导通的主器件，IGCT将绝缘栅双极晶体管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）与GTO的优点结合起来，符合地铁系统高电压、大电流的使用条件，因此选用IGCT作为智能单向导通装置的主器件。

主控系统：为准确控制单向导通装置的通断、减少杂散电流，设计一款传感器。该传感器须具备两个功能：①必须准确判断有无机车通过钢轨绝缘节，并能有效过滤非机车物体（如人），传感器将信号传至主控系统，作为导通IGCT的判断依据，此时智能单向导通装置为列车提供回流路径；②具备绝缘节两侧钢轨电压、电流的采集功能，当两侧电压差过大，超过起弧电压时，同样将信号传至主控系统导通IGCT，此时智能单向导通装置作为消弧装置使用，避免灼烧钢轨。

保护电路：在地铁高电压、大电流的环境下，应设置相应的保护电路，共分为三种：短路保护、断路保护和过电压保护。

1）短路保护

短路保护采用反向电流保护方式。在每个IGCT一端设有霍尔电流传感器，依靠逆向电流通过霍尔电流传感器测得的数据可知IGCT的故障，确保在IGCT发生故障时能可靠地发出信号。

2）断路保护

装置中每个支路均应在符合要求的条件下选用特性相同的IGCT，即在单向导通装置正常运行导通时，每个IGCT流过的电流都是相同的。如果其中一个IGCT损坏造成该支路断路，支路中没有电流时，应在该支路加入霍尔电流传感器，通过霍尔电流传感器来找出故障，并发出报警信号。

3）过电压保护

每个支路需要配备阻容吸收装置，在机车起动加速时及直流系统短路时，可以吸收产生的涌流，保护相应器件。为抑制过电压，在阻容吸收装置支路上可并联一个压敏电阻，当支路两端电压过高时，压敏电阻工作，自动将支路旁路，保护元器件不受损坏，当电压下降恢复正常时，压敏电阻也随之恢复正常。

通信功能及上位机设计：地铁系统已具有完整的地铁数据采集与监控（supervisory control and data acquisition, SCADA）系统，为方便实时监测智能单向导通装置运行状态，主控系统需要将钢轨绝缘节电压差、支路电流、隔离开关状态、IGCT短路、断路状态实时上传地铁SCADA系统，以便工作人员实时获知设备状态。

新型单向导通装置关闭后的车辆段钢轨电位、钢轨电流和杂散电流如图17所示。52.6s时单向导通装置闭合前后对比见表2。

图17 新型单向导通装置关闭后的车辆段钢轨电位、钢轨电流和杂散电流

表2 52.6s时单向导通装置闭合前后对比

由图17和表2可知，当机车在正线段运行时，若无机车经过绝缘节或绝缘节两侧轨道电压没超过主系统设定值时，单向导通装置保持关闭，即截断杂散电流流通路径，杂散电流几乎为零，大大降低了杂散电流，进而减少杂散电流对车辆段的腐蚀破坏。因此，在无机车经过绝缘节时，单向导通装置保持关闭对于抑制杂散电流是切实可行的。

4 结论

本文首先对正线段进行建模计算，并获取轨道电压、电流及杂散电流的分布情况，随后引入机车牵引计算，通过机车牵引计算得到机车取流与时间的关系，并将机车取流代入单向导通装置处的电阻网络模型，模拟机车处于不同工况下对车辆段轨道电压、电流及杂散电流的影响，分析了车辆段杂散电流产生的原因，并由此提出了一种新的智能单向导通装置，有效解决了传统单向导通装置因无法关断而为杂散电流提供流通路径的问题，从而减少了地铁杂散电流的泄漏。此外，钢轨电位限制装置对车辆段钢轨电位的影响，可在后续工作中进行进一步研究与分析。

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Analysis and protection scheme of stray current in subway depot

JIN Wenhui

(School of Electronics and Information, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710600)

One-way conduction devices are widely used to reduce the stray current in the depot, but the problem of stray current in the depot is still prominent. In this paper, the main line segment and the depot are modeled and simulated. The relationship between the locomotive flow and time is obtained through the locomotive traction calculation, and the locomotive flow is brought into the resistance network model at the one-way conduction device to simulate the locomotive in different working conditions. The influence of voltage, current and stray current is analyzed, and the causes of stray current in the depot are analyzed. For these reasons, the traditional one-way conduction device is optimized and improved, and high-power integrated gate-commutated thyristor (IGCT) is used as the new intelligent one-way conduction device control device. While satisfying the complex operating environment of the subway, the reliability of the one-way conduction device is greatly improved, and the stray current of the depot is greatly reduced.

urban rail transit; depot; one-way conduction device; stray current protection

2022-08-31

2022-09-28

金文辉（1995—），男，陕西省渭南市合阳县人，硕士研究生，主要研究方向为轨道交通杂散电流治理与防护。