城市軌道交通供電系統(tǒng)負回流分析及監(jiān)測

肖偉強 駱志勇 黃山山 常寶波

（1.廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510000；2.廣州市白云機電設備安裝工程有限公司，廣東 廣州 510540；3.廣州市揚新技術研究有限責任公司，廣東 廣州 510540）

城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)一般采用直流供電，在車站設置牽引變電所提供DC1500V 等電源，通過接觸網(wǎng)（軌）將電源正極布置到線路區(qū)間。列車通過受電弓（靴）從接觸網(wǎng)獲得正極供電，經(jīng)過列車負載后，電流通過鋼軌回到牽引變電所電源負極，該部分電流被稱為負回流。而鋼軌對地絕緣問題容易造成部分負回流經(jīng)由大地回到電源負極，導致出現(xiàn)雜散電流和鋼軌電位（以下簡稱軌電位）問題。雜散電流和軌電位過高問題一直是業(yè)內(nèi)難點及研究薄弱點。對負回流進行有效的監(jiān)測將有助于解決雜散電流和軌電位過高問題。

1 負回流對城市軌道交通供電系統(tǒng)的影響

1.1 負回流系統(tǒng)的構(gòu)成

以廣州地鐵為例，牽引供電系統(tǒng)牽引回流系統(tǒng)由鋼軌（回流軌）、負回流電纜以及上下行均流電纜等組成，鋼軌連接負回流電纜。在上下行鋼軌間安裝均流電纜，包括正線車站兩端、上下行隧道區(qū)間逃生通道等處[1]，如圖1所示。電流路徑為整流機組正極→直流開關柜→上網(wǎng)電纜→接觸網(wǎng)→列車→回流軌→回流線→負極柜→整流機組負極[2]。其中，回流軌→回流線→負極柜→整流機組負極區(qū)間的電流被稱為負回流。為防止鋼軌對地電位（簡稱軌電位）過高給乘客帶來危險，車站中還安裝了軌電位保護裝置，如果出現(xiàn)軌電位過高，軌電位保護裝置會動作，將鋼軌直接與大地連接。

圖1 負回流系統(tǒng)構(gòu)成

正常情況下，所有回流軌中總的負回流IDC大小如公式（1）所示。

如果某種情況下發(fā)生軌電位過高，導致均流軌電位裝置（OV2）動作，則有公式（2）。

式中：Iov2為軌電位柜2 電流；IHL為負極柜回流電流。

同樣地，如果軌電位裝置1（OV1）動作，則IHL的部分電流也會流入大地，即IOV1。IOV1 和IOV2最終通過大地、框架等途徑返回整流機組的負極。

目前，在牽引變電所內(nèi)設置了軌電位保護系統(tǒng)。當軌電位超過設定值后，軌電位系統(tǒng)內(nèi)的接觸器會馬上合閘，使鋼軌短時接地，降低軌電位，保障乘客上下車安全。傳統(tǒng)軌電位系統(tǒng)采用三段式保護手段，分別為Ⅰ段保護、Ⅱ段保護和Ⅲ段保護，其動作條件由電壓測量元件與晶閘管模塊配合完成[3]。以某地鐵線路軌電位裝置為例：當軌電位電壓大于90V 時，短路3 次后永久短路；大于等于150V 時，永久短路；大于等于600V 時，晶閘管與接觸器配合永久短路[4]。

理論上由于回流軌對地是絕緣的，因此負回流不會進入大地。實際運行中因種種原因，回流軌對地絕緣會出現(xiàn)問題，從而導致部分負回流經(jīng)由大地流回牽引變電所，該部分負回流被稱為雜散電流。雜散電流會對對土建結(jié)構(gòu)、管線等產(chǎn)生電腐蝕。同時會抬高鋼軌的電位，即軌電位升高。由于鋼軌與車輪、車體相連接，因此軌電位與乘客人身安全密切相關。在供電系統(tǒng)運維過程中，負回流也引發(fā)了一些問題，例如車輛段中負極對地接掛地線時打火、鋼軌電位限制裝置頻繁動作和軌電位過高誤觸發(fā)框架保護等[4]。目前，由負回流造成的雜散電流、軌電位問題是城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)研究的焦點之一。

1.2 軌電位對雜散電流的影響

在列車正常運行時無雜散電流情況下，軌電位的理論上只與回流軌的電阻和回流電流相關，是一條直線。以廣州地鐵三號線為例，其五山站到天客站的軌電位理論分布如圖2所示。

圖2 軌電位分布理論示意圖

隨著運營年限增加及外界環(huán)境的影響等，鋼軌對地無法保證完全良好的絕緣，進而產(chǎn)生雜散電流。雜散電流的存在會導致軌電位的分布出現(xiàn)零點偏移，相應地軌電位的數(shù)值也會超出原設計值。當某一位置發(fā)生絕緣損壞時，該位置的軌地電位為零，但由于其余各處仍可近似看作均勻介質(zhì)，因此軌電位的分布曲線仍為一條直線[5]。

目前雜散電流及軌電位是城市軌道交通供電系統(tǒng)的研究焦點之一，常見的方法包括采用集中參數(shù)和分布參數(shù)的方法分析雜散電流和軌電位分布、利用等效電路計算雜散電流和軌電位的分布情況。在實際應用中，上述2 種方法均存在一定的誤差。主要原因是無法獲得各處軌電位的數(shù)值，需要靠回流軌和電纜的參數(shù)進行推算。在實際運行中，由于兩站之間鋼軌和電纜等距離較長，一般為2km～4km，回流軌和電纜的參數(shù)造成誤差被大幅放大，導致實際值與理論值相差較大。例如鋼軌電阻率與理論不符、線路上存在道岔和魚尾板等造成回路電阻與理想鋼軌不同、列車情況不同造成負荷電流的情況不同以及隧道內(nèi)上下行均流線的影響等，這將導致實際的軌電位情況與理論計算有較大差異[6]，進而導致雜散電流較高的分析誤差，給解決軌電位和雜散電流問題帶來較大的困擾。如果能夠獲得整個回流軌不同區(qū)間的軌電位，即可利用各個區(qū)間的回流軌參數(shù)計算出雜散電流的分布情況。

1.3 雜散電流的相關計算

雜散電流是由鋼軌對地絕緣存在泄漏點造成的。絕緣泄漏點可以發(fā)生在上下行鋼軌的任何位置，雜散電流可能會從任意位置流入大地。對雜散電流的分布進行監(jiān)測和計算，將有助于改善地鐵線網(wǎng)中雜散電流的治理。

可以將鋼軌劃分為若干區(qū)間，如圖3所示，將某段鋼軌劃分為S1～S4共4 個區(qū)間。

圖3 分布式軌電位示意圖

每個區(qū)間對應的軌電位、負回流和電阻分別為Un、In和Rn。假設S2和S3區(qū)間發(fā)生絕緣問題，部分負回流經(jīng)大地流走，形成雜散電流Ig。

1.3.1 鋼軌電阻的計算

各區(qū)間電阻R1、R2、R3、R4可以利用回流軌的參數(shù)與區(qū)間長度計算獲得。在已知鋼軌的電阻率、截面積等參數(shù)前提下，通過電阻計算公式可計算出鋼軌電阻，如公式（3）所示。

式中：ρ是電阻率，TB/T 2344—2012《43kg/m～75kg/m 鋼軌訂貨技術條件》標準中未對電阻率進行規(guī)定，經(jīng)咨詢鋼軌生產(chǎn)單位，如果鋼軌電阻率取2.95×10-7Ω·m，實際鋼軌電阻率不同地鐵可能不同。L是鋼軌的長度，S是鋼軌的橫截面積，根據(jù)我國定型生產(chǎn)的鋼軌標準P60，查閱相關資料得S=77.45cm2，這樣可算出每米鋼軌的電阻，如公式（4）所示。

由于上下行有4 根鋼軌，因此每米鋼軌等效電阻如公式（5）所示。

對不同區(qū)段的鋼軌電阻，可通過計算不同區(qū)段鋼軌的長度得出相應的電阻。根據(jù)實際情況，認為每段鋼軌的電阻是固定的，只隨長度的改變而改變，其他因素對其電阻的影響可忽略不計。

1.3.2 雜散電流的計算

根據(jù)歐姆定律，如公式（6）～公式（9）所示。

正常情況下，I1=I2=I3=I4。如果出現(xiàn)各區(qū)間電流不相等的情況，I1≠I2≠I3≠I4，則說明該區(qū)間發(fā)生的雜散電流泄漏，電流的差值即為雜散電流的大小，如公式（10）所示。

因此，可以通過測量回流軌各區(qū)間的軌電位推算雜散電流的分布。

在實際應用中，還必須考慮上下行均流線的影響，如圖4所示。

圖4 上下行均流線示意圖（單位：mm2）

如果上下行鋼軌存在電位差，則部分電流會在上下行均流線中流動，顯然這部分電流不屬于雜散電流。因此需要在原式Ig=I2-I3的基礎上將均流線中的電流修訂進去。如公式（11）所示。

式中：Iline為與計算區(qū)間所連的均流線中的電流。

在目前的常規(guī)設計中，軌電位系統(tǒng)監(jiān)測點設在車站內(nèi)的鋼軌，該方式無法全面反映包括區(qū)間范圍內(nèi)整體負回流和雜散電流的分布的情況[7-8]。該文針對該情況提出了一種城軌牽引供電負回流監(jiān)測技術方案。

雜散電流是由鋼軌對地絕緣存在泄漏點造成的。絕緣泄漏點可以發(fā)生在上下行鋼軌的任何位置，雜散電流可能會從任意位置流入大地。對雜散電流的分布進行監(jiān)測和計算，將有助于改善地鐵線網(wǎng)中雜散電流的治理。

2 負回流監(jiān)測系統(tǒng)的設計

2.1 整體方案

以廣州地鐵3 號線五山站至天客站區(qū)間為例。

系統(tǒng)包括底層數(shù)據(jù)采集裝置和云端軟件。底層數(shù)據(jù)采集裝置安裝在車站和隧道內(nèi)，采集負極柜回流電流、車站內(nèi)上下行鋼軌軌電位、隧道內(nèi)各區(qū)間的上下行鋼軌軌電位和上下行鋼軌均流線電流。數(shù)據(jù)采集裝置采集的軌電位和電流數(shù)據(jù)通過4G/5G 無線路由器傳輸?shù)皆贫?。云端進行分析計算后將結(jié)果傳送給后臺機，進行雜散電流和軌電位分布的分析。拓撲如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)拓撲圖

2.2 監(jiān)測設備布局

首先，車站內(nèi)。饋線柜、排流柜、軌電位柜內(nèi)安裝電壓/電流變送器和電流電壓采集裝置，采集饋線電流和車站內(nèi)軌電位。饋線柜的電流之和為總電流，負回流的大小等于饋線柜電流之和。在該方案中，需要采集五山站和天客站2 個站點的數(shù)據(jù)。

其次，隧道內(nèi)。每隔一段距離在五山站和天客站上下行鋼軌安裝分布式軌電位采集裝置，采集各個區(qū)間的軌電位。通過霍爾元件和電流采集裝置采集上下行鋼軌之間的均流線電流。

考慮實施的成本，均流線敷設的位置安裝分布式軌電位傳感器和霍爾元件、數(shù)據(jù)采集裝置。

該方案在城軌實際線路區(qū)段、牽引變電所設置各電氣量等監(jiān)測設備，結(jié)合列車動態(tài)運行組織等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)實時系統(tǒng)全面，能夠?qū)崿F(xiàn)牽引負回流的科學管理，可以實時監(jiān)測到軌電位、接觸網(wǎng)電流和雜散電流情況，能夠分析出各區(qū)段負回流的分布情況。能夠從全局中找到各區(qū)段牽引負回流通流能力的瓶頸位置、鋼軌對地絕緣薄弱位置等問題，并找到負回流、雜散電流存在的問題。

3 結(jié)語

城軌牽引負回流系統(tǒng)的運行狀態(tài)質(zhì)量將直接影響乘客人身安全和其他專業(yè)系統(tǒng)的運行環(huán)境，具有重要意義。該文監(jiān)測方案跳出了目前在牽引變電所內(nèi)對軌電位進行監(jiān)測的束縛，從全局對牽引負回流進行系統(tǒng)監(jiān)測，分析現(xiàn)場中的薄弱位置問題并進行處理，極大地減少了戶外現(xiàn)場維修處置的工作量，提高了效率和牽引負回流的運行質(zhì)量，達到了降低軌電位、保證乘客人身安全、提高負回流通流能力、降低負回流電能損耗、控制雜散電流以及降低其他設備系統(tǒng)電腐蝕的風險的目標，具有重要意義及經(jīng)濟價值。