城市轨道交通供电系统负回流分析及监测

肖伟强 骆志勇 黄山山 常宝波

（1.广州地铁集团有限公司，广东 广州 510000；2.广州市白云机电设备安装工程有限公司，广东 广州 510540；3.广州市扬新技术研究有限责任公司，广东 广州 510540）

城市轨道交通牵引供电系统一般采用直流供电，在车站设置牵引变电所提供DC1500V 等电源，通过接触网（轨）将电源正极布置到线路区间。列车通过受电弓（靴）从接触网获得正极供电，经过列车负载后，电流通过钢轨回到牵引变电所电源负极，该部分电流被称为负回流。而钢轨对地绝缘问题容易造成部分负回流经由大地回到电源负极，导致出现杂散电流和钢轨电位（以下简称轨电位）问题。杂散电流和轨电位过高问题一直是业内难点及研究薄弱点。对负回流进行有效的监测将有助于解决杂散电流和轨电位过高问题。

1 负回流对城市轨道交通供电系统的影响

1.1 负回流系统的构成

以广州地铁为例，牵引供电系统牵引回流系统由钢轨（回流轨）、负回流电缆以及上下行均流电缆等组成，钢轨连接负回流电缆。在上下行钢轨间安装均流电缆，包括正线车站两端、上下行隧道区间逃生通道等处[1]，如图1所示。电流路径为整流机组正极→直流开关柜→上网电缆→接触网→列车→回流轨→回流线→负极柜→整流机组负极[2]。其中，回流轨→回流线→负极柜→整流机组负极区间的电流被称为负回流。为防止钢轨对地电位（简称轨电位）过高给乘客带来危险，车站中还安装了轨电位保护装置，如果出现轨电位过高，轨电位保护装置会动作，将钢轨直接与大地连接。

图1 负回流系统构成

正常情况下，所有回流轨中总的负回流IDC大小如公式（1）所示。

如果某种情况下发生轨电位过高，导致均流轨电位装置（OV2）动作，则有公式（2）。

式中：Iov2为轨电位柜2 电流；IHL为负极柜回流电流。

同样地，如果轨电位装置1（OV1）动作，则IHL的部分电流也会流入大地，即IOV1。IOV1 和IOV2最终通过大地、框架等途径返回整流机组的负极。

目前，在牵引变电所内设置了轨电位保护系统。当轨电位超过设定值后，轨电位系统内的接触器会马上合闸，使钢轨短时接地，降低轨电位，保障乘客上下车安全。传统轨电位系统采用三段式保护手段，分别为Ⅰ段保护、Ⅱ段保护和Ⅲ段保护，其动作条件由电压测量元件与晶闸管模块配合完成[3]。以某地铁线路轨电位装置为例：当轨电位电压大于90V 时，短路3 次后永久短路；大于等于150V 时，永久短路；大于等于600V 时，晶闸管与接触器配合永久短路[4]。

理论上由于回流轨对地是绝缘的，因此负回流不会进入大地。实际运行中因种种原因，回流轨对地绝缘会出现问题，从而导致部分负回流经由大地流回牵引变电所，该部分负回流被称为杂散电流。杂散电流会对对土建结构、管线等产生电腐蚀。同时会抬高钢轨的电位，即轨电位升高。由于钢轨与车轮、车体相连接，因此轨电位与乘客人身安全密切相关。在供电系统运维过程中，负回流也引发了一些问题，例如车辆段中负极对地接挂地线时打火、钢轨电位限制装置频繁动作和轨电位过高误触发框架保护等[4]。目前，由负回流造成的杂散电流、轨电位问题是城市轨道交通牵引供电系统研究的焦点之一。

1.2 轨电位对杂散电流的影响

在列车正常运行时无杂散电流情况下，轨电位的理论上只与回流轨的电阻和回流电流相关，是一条直线。以广州地铁三号线为例，其五山站到天客站的轨电位理论分布如图2所示。

图2 轨电位分布理论示意图

随着运营年限增加及外界环境的影响等，钢轨对地无法保证完全良好的绝缘，进而产生杂散电流。杂散电流的存在会导致轨电位的分布出现零点偏移，相应地轨电位的数值也会超出原设计值。当某一位置发生绝缘损坏时，该位置的轨地电位为零，但由于其余各处仍可近似看作均匀介质，因此轨电位的分布曲线仍为一条直线[5]。

目前杂散电流及轨电位是城市轨道交通供电系统的研究焦点之一，常见的方法包括采用集中参数和分布参数的方法分析杂散电流和轨电位分布、利用等效电路计算杂散电流和轨电位的分布情况。在实际应用中，上述2 种方法均存在一定的误差。主要原因是无法获得各处轨电位的数值，需要靠回流轨和电缆的参数进行推算。在实际运行中，由于两站之间钢轨和电缆等距离较长，一般为2km～4km，回流轨和电缆的参数造成误差被大幅放大，导致实际值与理论值相差较大。例如钢轨电阻率与理论不符、线路上存在道岔和鱼尾板等造成回路电阻与理想钢轨不同、列车情况不同造成负荷电流的情况不同以及隧道内上下行均流线的影响等，这将导致实际的轨电位情况与理论计算有较大差异[6]，进而导致杂散电流较高的分析误差，给解决轨电位和杂散电流问题带来较大的困扰。如果能够获得整个回流轨不同区间的轨电位，即可利用各个区间的回流轨参数计算出杂散电流的分布情况。

1.3 杂散电流的相关计算

杂散电流是由钢轨对地绝缘存在泄漏点造成的。绝缘泄漏点可以发生在上下行钢轨的任何位置，杂散电流可能会从任意位置流入大地。对杂散电流的分布进行监测和计算，将有助于改善地铁线网中杂散电流的治理。

可以将钢轨划分为若干区间，如图3所示，将某段钢轨划分为S1～S4共4 个区间。

图3 分布式轨电位示意图

每个区间对应的轨电位、负回流和电阻分别为Un、In和Rn。假设S2和S3区间发生绝缘问题，部分负回流经大地流走，形成杂散电流Ig。

1.3.1 钢轨电阻的计算

各区间电阻R1、R2、R3、R4可以利用回流轨的参数与区间长度计算获得。在已知钢轨的电阻率、截面积等参数前提下，通过电阻计算公式可计算出钢轨电阻，如公式（3）所示。

式中：ρ是电阻率，TB/T 2344—2012《43kg/m～75kg/m 钢轨订货技术条件》标准中未对电阻率进行规定，经咨询钢轨生产单位，如果钢轨电阻率取2.95×10-7Ω·m，实际钢轨电阻率不同地铁可能不同。L是钢轨的长度，S是钢轨的横截面积，根据我国定型生产的钢轨标准P60，查阅相关资料得S=77.45cm2，这样可算出每米钢轨的电阻，如公式（4）所示。

由于上下行有4 根钢轨，因此每米钢轨等效电阻如公式（5）所示。

对不同区段的钢轨电阻，可通过计算不同区段钢轨的长度得出相应的电阻。根据实际情况，认为每段钢轨的电阻是固定的，只随长度的改变而改变，其他因素对其电阻的影响可忽略不计。

1.3.2 杂散电流的计算

根据欧姆定律，如公式（6）～公式（9）所示。

正常情况下，I1=I2=I3=I4。如果出现各区间电流不相等的情况，I1≠I2≠I3≠I4，则说明该区间发生的杂散电流泄漏，电流的差值即为杂散电流的大小，如公式（10）所示。

因此，可以通过测量回流轨各区间的轨电位推算杂散电流的分布。

在实际应用中，还必须考虑上下行均流线的影响，如图4所示。

图4 上下行均流线示意图（单位：mm2）

如果上下行钢轨存在电位差，则部分电流会在上下行均流线中流动，显然这部分电流不属于杂散电流。因此需要在原式Ig=I2-I3的基础上将均流线中的电流修订进去。如公式（11）所示。

式中：Iline为与计算区间所连的均流线中的电流。

在目前的常规设计中，轨电位系统监测点设在车站内的钢轨，该方式无法全面反映包括区间范围内整体负回流和杂散电流的分布的情况[7-8]。该文针对该情况提出了一种城轨牵引供电负回流监测技术方案。

杂散电流是由钢轨对地绝缘存在泄漏点造成的。绝缘泄漏点可以发生在上下行钢轨的任何位置，杂散电流可能会从任意位置流入大地。对杂散电流的分布进行监测和计算，将有助于改善地铁线网中杂散电流的治理。

2 负回流监测系统的设计

2.1 整体方案

以广州地铁3 号线五山站至天客站区间为例。

系统包括底层数据采集装置和云端软件。底层数据采集装置安装在车站和隧道内，采集负极柜回流电流、车站内上下行钢轨轨电位、隧道内各区间的上下行钢轨轨电位和上下行钢轨均流线电流。数据采集装置采集的轨电位和电流数据通过4G/5G 无线路由器传输到云端。云端进行分析计算后将结果传送给后台机，进行杂散电流和轨电位分布的分析。拓扑如图5所示。

图5 系统拓扑图

2.2 监测设备布局

首先，车站内。馈线柜、排流柜、轨电位柜内安装电压/电流变送器和电流电压采集装置，采集馈线电流和车站内轨电位。馈线柜的电流之和为总电流，负回流的大小等于馈线柜电流之和。在该方案中，需要采集五山站和天客站2 个站点的数据。

其次，隧道内。每隔一段距离在五山站和天客站上下行钢轨安装分布式轨电位采集装置，采集各个区间的轨电位。通过霍尔元件和电流采集装置采集上下行钢轨之间的均流线电流。

考虑实施的成本，均流线敷设的位置安装分布式轨电位传感器和霍尔元件、数据采集装置。

该方案在城轨实际线路区段、牵引变电所设置各电气量等监测设备，结合列车动态运行组织等数据，数据实时系统全面，能够实现牵引负回流的科学管理，可以实时监测到轨电位、接触网电流和杂散电流情况，能够分析出各区段负回流的分布情况。能够从全局中找到各区段牵引负回流通流能力的瓶颈位置、钢轨对地绝缘薄弱位置等问题，并找到负回流、杂散电流存在的问题。

3 结语

城轨牵引负回流系统的运行状态质量将直接影响乘客人身安全和其他专业系统的运行环境，具有重要意义。该文监测方案跳出了目前在牵引变电所内对轨电位进行监测的束缚，从全局对牵引负回流进行系统监测，分析现场中的薄弱位置问题并进行处理，极大地减少了户外现场维修处置的工作量，提高了效率和牵引负回流的运行质量，达到了降低轨电位、保证乘客人身安全、提高负回流通流能力、降低负回流电能损耗、控制杂散电流以及降低其他设备系统电腐蚀的风险的目标，具有重要意义及经济价值。