城市軌道交通軌地過渡電阻變化影響分析

賈坤翔

城市軌道交通軌地過渡電阻變化影響分析

賈坤翔

賈坤翔

上海申通地鐵集團有限公司

城市軌道交通普遍采用直流牽引供電方式，牽引電流由正母線經(jīng)接觸網(wǎng)流至機車，回流電流由機車經(jīng)走行軌回流至牽引變電所負極。為減少雜散電流泄漏問題帶來的影響，鋼軌與地之間需要絕緣。實際運行的線路中，普遍存在軌地絕緣值較低的問題。本文為研究軌地過渡電阻變化時回流系統(tǒng)的軌道電壓，軌道電流及雜散電流的變化情況，建立了回流系統(tǒng)仿真模型。通過仿真分析了軌地過渡電阻變化與回流系統(tǒng)其他參數(shù)變化的非線性，為地鐵運營及維護提供理論依據(jù)。

概述

直流供電牽引即地鐵列車運行時，其正極連接到接觸軌獲取直流電，牽引電流經(jīng)軌道最終流回牽引所負極母排。直流牽引供電系統(tǒng)能夠為列車和其他設(shè)備提供電能，是整個軌道交通的核心部分，它主要由牽引所、接觸軌、回流系統(tǒng)構(gòu)成。牽引所將電網(wǎng)高壓線路輸送的電進行降壓，然后再整流成直流電輸送給接觸軌，再將直流電供給列車，經(jīng)走行軌最終回流到牽引所整流機組的負極母排。因為走行軌具有一定阻抗，牽引電流經(jīng)過軌道時軌道與地之間存在電位差，而軌道對大地不可能完全絕緣，這就難免會有部分電流經(jīng)軌道流入大地，然后由大地流回軌道最后流回到牽引所，而這一小部分流入大地的電流就叫做雜散電流。在城市軌道交通系統(tǒng)中，直流牽引方式下帶來的負面問題之一就是產(chǎn)生雜散電流。軌道與大地之間絕緣水平越差，雜散電流就會越多。因為雜散電流會對鋼軌及其附件、混凝土中鋼筋結(jié)構(gòu)以及埋地管線等產(chǎn)生電化學腐蝕，被雜散電流腐蝕后，埋地鋼筋結(jié)構(gòu)強度被破壞，埋地管線使用壽命也會縮短，更嚴重者會造成人員傷亡。

研究及實踐表明，軌地過渡電阻變化會引起回流系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的變化，主要有軌道電壓，軌道電流及雜散電流等參數(shù)。本文通過分析直流牽引回流系統(tǒng)，建立回流系統(tǒng)分析模型，并通過仿真分析了軌地過渡電阻連續(xù)變化時，回流系統(tǒng)軌道電壓、軌道電流及雜散電流等參數(shù)的變化情況。

直流牽引回流系統(tǒng)分析模型

為分析軌地過渡電阻連續(xù)變化時，回流系統(tǒng)軌道電壓、軌道電流及雜散電流的變化情況，需要建立直流牽引回流系統(tǒng)分析模型。分析模型主要可以分為連續(xù)型模型及離散型模型。為確定雜散電流相關(guān)參數(shù)與軌地過渡電阻之間的變化關(guān)系，本文根據(jù)已有文獻基礎(chǔ)，建立直流牽引回流系統(tǒng)連續(xù)模型進行分析。為方便推導計算，可做以下假設(shè)。

（1）Rz（軌道縱向電阻）是均勻分布的；

（2）Rg（軌道對地過渡電阻）是均勻分布的；

（3）r（饋電線路的阻抗）是無窮小的，可當作零。

利用圖1分析軌道電流、軌道電壓及雜散電流的分布解析式。

圖1 軌道電壓、軌道電流及雜散電流分布原理圖

可得

綜合上述公式可得：

其通解為：

假設(shè)A、B 為待定常數(shù)，將式上式兩邊對x 求導，可得：

則：

將A 、B式代入，得到如下結(jié)果：

軌道電壓：

軌道電流：

雜散電流：

由公式（11）、（12）、（13）可以得出軌地過渡電阻Rg與軌道電壓U、軌道電流I及雜散電流Is之間的關(guān)系。將回流系統(tǒng)的其他幾個影響參數(shù)固定，改變軌地過渡電阻Rg即可得到軌道電壓、軌道電流及雜散電流隨過渡電阻變化的曲線。

仿真分析

為分析軌地過渡電阻連續(xù)變化時軌道電壓、電流及雜散電流等相關(guān)參數(shù)的變化情況，針對第2節(jié)中得到的回流系統(tǒng)分析模型進行仿真分析。

圖2 軌地過渡電阻不同時軌道電壓U（x）的分布曲線

圖3 軌地過渡電阻不同時軌道電流I（x）的分布曲線

圖4 軌地過渡電阻不同時雜散電流Is（x）的分布曲線

由仿真結(jié)果可知，軌地過渡電阻連續(xù)變化時，回流系統(tǒng)參數(shù)中軌道電壓、軌道電流、雜散電流會呈非線性變化。當過渡電阻低于0.5Ω·km時，軌道電壓、軌道電流及雜散電流變化較大；過渡電阻大于15Ω·km后，隨著過渡電阻進一步增加，軌道電壓、軌道電流及雜散電流基本不再變化。因此，過渡電阻在運營過程中如果低于0.5Ω·km后，回流系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)會發(fā)生較大變化。

結(jié)語

本文通過建立直流牽引供電系統(tǒng)分析模型，分析了軌地過渡電阻連續(xù)變化時回流系統(tǒng)軌道電壓、軌道電流及雜散電流相關(guān)參數(shù)的變化情況。雜散電流相關(guān)參數(shù)的非線性變化情況表明，城市軌道交通線路運營過程中，軌地過渡電阻如果低于0.5Ω?km，雜散電流泄漏量增加較大。軌地過渡電阻大于15Ω?km后，雜散電流相關(guān)參數(shù)不會有較大的改變。該變化曲線可為實際軌道交通線路運營維護提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.01.050