直流牽引供電系統(tǒng)接地方式對雜散電流的影響

胡維鋒

摘 要 直流牽引供電系統(tǒng)負(fù)極接地有非接地方式、直接接地方式和極性接地方式。不同的接地方式下雜散電流的分布不同。文章通過建立直流牽引供電系統(tǒng)仿真模型，對三種接地方式下的雜散電流分布規(guī)律進(jìn)行研究，對不同接地方式的雜散電流大小及適用情況進(jìn)行總結(jié)。

關(guān)鍵詞 直流牽引供電系統(tǒng)；接地方式；雜散電流；仿真模型

中圖分類號：U223 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）02-0039-04

目前，國內(nèi)多個城市為解決交通矛盾，已開始運營或正在建設(shè)城市軌道交通線路。城市軌道交通供電系統(tǒng)普遍采用直流牽引供電方式，該方式下直流牽引供電系統(tǒng)主要由牽引變電所、接觸網(wǎng)和回流系統(tǒng)構(gòu)成。牽引變電所將電網(wǎng)中的交流電壓通過整流變壓器變成1500 V或750 V直流電，機(jī)車通過接觸網(wǎng)從牽引變電所獲取電能，然后經(jīng)過回流系統(tǒng)回流至牽引變電所負(fù)極。在回流軌與大地不能完全絕緣的情況下，機(jī)車運行時，牽引電流不會全部經(jīng)軌道回流至牽引變電所，而是會有一部分回流電流通過鋼軌與大地之間的絕緣薄弱點泄漏至大地，再由大地流回牽引變電所負(fù)極，形成雜散電流。雜散電流不僅會對城市軌道交通系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)設(shè)施造成腐蝕，還會對系統(tǒng)附近的埋地金屬管線造成腐蝕，根據(jù)計算1 A電流一年可腐蝕9.13 kg鋼鐵，這對城市軌道交通系統(tǒng)及其他城市系統(tǒng)的安全運營造成隱患。因此，有必要對雜散電流的分布規(guī)律進(jìn)行研究。

直流牽引供電系統(tǒng)的接地方式是指整流器負(fù)母線與大地的連接方式，通常有非接地、直接接地和極性接地方式。本文通過建立直流牽引系統(tǒng)離散模型，分析直流牽引供電系統(tǒng)的接地方式對雜散電流的影響。

1 直流牽引供電系統(tǒng)接地方式

典型的非接地系統(tǒng)如圖1所示，整流器的負(fù)極與系統(tǒng)接地網(wǎng)和結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)間沒有任何的金屬導(dǎo)體連接。使用這種接地的牽引供電系統(tǒng)，要求軌道與大地間須保持高度絕緣，使得回流電流能盡可能多地經(jīng)由回流軌道回到牽引變電所負(fù)母線。該接地方式下有可能導(dǎo)致鋼軌對地電位過高，在乘客上下車時，有可能會接觸到較大的跨步電壓。

圖1 非接地系統(tǒng)示意圖

典型的直接接地系統(tǒng)如圖2所示，變電所直流負(fù)母線直接經(jīng)金屬導(dǎo)體與系統(tǒng)接地網(wǎng)或結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)直接連接。該接地方式可以降低鋼軌與地之間的電位，但增加了雜散電流的泄漏，對城市軌道交通自身及周邊金屬設(shè)施會造成較大的腐蝕。

圖2 直接接地系統(tǒng)示意圖

極性接地系統(tǒng)是直接接地與非接地的一種折衷方式，典型的極性接地系統(tǒng)如圖3所示的二極管接地系統(tǒng)，直流負(fù)母線和地或結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)之間經(jīng)由一個二極管裝置連接。

圖3 二極管接地系統(tǒng)示意圖

2 直流牽引供電系統(tǒng)仿真模型的建立

利用離散模型對城市軌道交通雜散電流進(jìn)行分析的基本思路是從問題的物理離散模型出發(fā)，將整個系統(tǒng)劃分為有限個回路單元在節(jié)點上相連的結(jié)合體。然后對回路單元進(jìn)行分析，根據(jù)回路列出回路電流方程，并推導(dǎo)出單元阻抗矩陣。接著對網(wǎng)絡(luò)中的各單元回路進(jìn)行分析，建立整個網(wǎng)絡(luò)各單元回路的電壓平衡方程，求出各單元回路電流。最后根據(jù)各單元回路電流求得所需支路電流和電壓。

如圖4所示。其中，為鋼軌的縱向電阻，為鋼軌對排流網(wǎng)的過渡電阻，為排流網(wǎng)縱向電阻，為離散的單元個數(shù)，顯然越大離散模型越接近實際連續(xù)系統(tǒng)。

圖4 直流牽引供電系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)基爾霍夫電流定律（KCL）可得，不排流時每個網(wǎng)絡(luò)單元回路電壓平衡方程：

（1）

電阻參數(shù)和機(jī)車牽引流電流為已知，可以得到每個回路單元的電流，。根據(jù)歐姆定律，可以得到雜散電流分布的幾個參數(shù)表達(dá)式：

鋼軌電壓：

， （2）

鋼軌電流：

， （3）

泄漏雜散電流：

（4）

以及軌道與大地之間的跨接電流：

， （5）

3 仿真驗證

通過對直流牽引系統(tǒng)仿真模型的建立，分別對非接地系統(tǒng)、直接接地系統(tǒng)及極性接地系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

3.1 非接地系統(tǒng)

（a）鋼軌電位分布曲線

（b）雜散電流分布曲線

圖5 軌道對排流網(wǎng)過渡電阻變化時參數(shù)曲線圖

可以建立該接地方式下回流系統(tǒng)離散電路模型，進(jìn)行仿真分析。假設(shè)該接地方式下，鋼軌縱向電阻=0.03 ，排流網(wǎng)縱向電阻=0.01 ，牽引電流=1000 ，供電區(qū)間=2 ，離散有限單元=100。

改變軌道對排流網(wǎng)過渡電阻來觀察和的變化規(guī)律。圖5為非接地系統(tǒng)，分別取0.1 ，1 ，10 ，100時，、的變化曲線。

假設(shè)軌道對排流網(wǎng)過渡電阻為100 ，但區(qū)間線路某位置發(fā)生軌道絕緣局部損壞。圖6為非接地系統(tǒng)在距離變電所1.5 處發(fā)生絕緣損壞，軌道與結(jié)構(gòu)鋼電氣連接時，和的變化規(guī)律。

對于非接地系統(tǒng)，只要鋼軌對地保持絕緣良好，不發(fā)生軌對地短路現(xiàn)象，雜散電流將會非常小。但其缺點是在機(jī)車和牽引變電所處軌道對地電位較高，對人員安全威脅較大，所以需采用加強(qiáng)站臺絕緣、加裝軌電位限制裝置等措施，避免造成乘客觸電的危險。對于軌道絕緣良好的線路，尤其是新建線路，由于雜散電流泄漏不大，一般均采用非接地方式運行。目前非接地系統(tǒng)是城市軌道交通領(lǐng)域廣泛采用的直流負(fù)母線接地形式。

（a）鋼軌電位分布曲線

（b）雜散電流分布曲線

圖6 軌道絕緣局部損壞時參數(shù)曲線變化

3.2 直接接地系統(tǒng)

根據(jù)離散模型思路，建立該方式下回流系統(tǒng)離散電路模型，進(jìn)行仿真分析。假設(shè)該排流方式下，排流電阻=2 ，鋼軌縱向電阻=0.03 ，排流網(wǎng)縱向電阻=0.01 ，鋼軌對排流網(wǎng)10 ，牽引電流=1000 ，供電區(qū)間=2 ，離散有限單元=100。圖7為直接接地和非接地兩種系統(tǒng)情況下，參數(shù)分布規(guī)律。endprint

（a）鋼軌電位分布曲線

（b）雜散電流分布曲線

圖7 直接接地和非接地情況下仿真

直接接地系統(tǒng)可以使?fàn)恳冸娝庁?fù)母線的電位在零電位的附近，保證安全。但可使得經(jīng)由軌道回流的牽引電流有機(jī)會從軌道泄漏至大地，并經(jīng)由阻抗較低的金屬結(jié)構(gòu)如建筑物的鋼筋結(jié)構(gòu)或地下金屬管道為路徑回流至牽引變電所的負(fù)母線，增大了泄漏的雜散電流，造成腐蝕，降低了結(jié)構(gòu)物及軌道本身的安全使用年限。一般只在車輛段采用此種接地方法，其它區(qū)域并不建議使用。

3.3 極性接地系統(tǒng)

由于存在非線性元件二極管，為了便于發(fā)現(xiàn)規(guī)律，在SIMULINK中搭建仿真電路模型進(jìn)行仿真。仿真模型中可以觀察任何一點的電壓電流，因此可以得到機(jī)車在任何位置時，軌電位和雜散電流分布規(guī)律。

假設(shè)該排流方式下，排流電阻=2 ，鋼軌縱向電阻=0.03 ，排流網(wǎng)縱向電阻=0.01 ，鋼軌對排流網(wǎng)10 ，牽引電流=1000 ，二極管導(dǎo)通電壓0.7 V，供電區(qū)間=2 ，離散有限單元=100。

（a）鋼軌電位分布曲線

（b）雜散電流分布曲線

圖8 三種接地系統(tǒng)情況下軌電位、雜散電流分布規(guī)律

利用極性排流半導(dǎo)通器件的單方向?qū)ㄌ匦?，電流將從地或結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)流回整流器負(fù)端，可以使?fàn)恳冸娝庁?fù)母線的電位在零電位的附近，保證安全，同時可以阻止?fàn)恳娏鲝淖冸娬矩?fù)端流向地或結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)，以避免當(dāng)牽引機(jī)車減速造成變電站處軌道電位上升時，有電流從變電站處直接泄漏出去的情況。在極性接地系統(tǒng)中也有雜散電流腐蝕的現(xiàn)象，主要是當(dāng)出現(xiàn)軌道絕緣相對薄弱區(qū)域的鋼軌及扣件，由于也存在一低電阻的排流回路，使該區(qū)域總是維持雜散電流泄漏的狀態(tài)造成軌道腐蝕。城市軌道交通中，廣泛采用極性排流方式，但從上述仿真可看出進(jìn)行排流后，會使系統(tǒng)的鋼軌電位升高以及軌電流損失量增加。因此，應(yīng)該合理利用極性排流法，控制其排流量，避免過排流。

4 結(jié)論

本文通過建立直流牽引回流系統(tǒng)模型，利用仿真分析了非接地、直接接地及極性接地三種不同接地方式下的雜散電流、軌電位分布情況。通過仿真分析，直流牽引系統(tǒng)非接地情況下只要鋼軌對地保持絕緣良好，不發(fā)生軌對地短路現(xiàn)象，雜散電流將會非常小，一般可用于新建線路。直接接地系統(tǒng)可以使?fàn)恳冸娝庁?fù)母線的電位在零電位的附近，保證安全，但雜散電流泄漏量大，一般用于車輛段接地。極性接地可以使?fàn)恳冸娝庁?fù)母線的電位在零電位的附近，保證安全，同時可以減少雜散電流的泄漏，但應(yīng)該合理利用極性排流法，避免過排流造成軌電位升高。

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