城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)鋼軌電位升高原因及控制措施

段立新

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，710043，西安∥教授級(jí)高級(jí)工程師）

采用直流牽引供電系統(tǒng)的城市軌道交通，運(yùn)營中會(huì)出現(xiàn)鋼軌電位超標(biāo)的情況。對此，出于運(yùn)營安全考慮，常采用將鋼軌電位限制裝置（OVPD）接地的措施來降低鋼軌電位，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)多處OVPD接地的情況。這樣做雖能降低鋼軌電位，但也會(huì)導(dǎo)致雜散電流過大的現(xiàn)象產(chǎn)生。投入排流柜雖能減少雜散電流危害，但又會(huì)引起鋼軌電位升高。當(dāng)OVPD與排流柜同時(shí)投入時(shí)，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱而燒損元器件。本文通過對城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)運(yùn)營中出現(xiàn)的鋼軌電位超標(biāo)、OVPD及排流柜故障等問題的深入分析，提出了相應(yīng)的解決措施和相關(guān)建議。

1 直流牽引供電系統(tǒng)的構(gòu)成及回流系統(tǒng)主要設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)

1.1 直流牽引供電系統(tǒng)的構(gòu)成

城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)由牽引系統(tǒng)及回流系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

與交流牽引供電系統(tǒng)相比，直流牽引系統(tǒng)電壓低，同等荷載情況下直流牽引電流數(shù)倍于交流系統(tǒng)；列車取流均來自接觸網(wǎng)，走行鋼軌作為回流軌使用，回流電流也數(shù)倍于交流系統(tǒng)；無論是軌回流還是入地的少量電流最終都匯聚至牽引變電所負(fù)極側(cè)。

直流牽引供電系統(tǒng)其回流系統(tǒng)的電流非常大，鋼軌又存在內(nèi)阻，因此承擔(dān)回流的鋼軌其電位本身就比較高；再加之行車密度高，列車起動(dòng)頻繁，因此會(huì)導(dǎo)致鋼軌電位的進(jìn)一步升高。若將OVPD接地，變電所附近的鋼軌電位會(huì)由低負(fù)值變?yōu)?，能夠保證人員安全（如圖2中的曲線2所示）。這樣雖降低了變電所附近的鋼軌電位，但卻升高了其它地方的鋼軌電位，列車車頭所在位置處的鋼軌電位最高，為最高正值。

鋼軌作為牽引電流回路，雖然其對地絕緣安裝，但仍有部分雜散電流流入道床；同時(shí)還有部分雜散電流經(jīng)道床流入結(jié)構(gòu)鋼筋等金屬管線，但最終都由鋼軌經(jīng)回流電纜流入變電所負(fù)極。

圖2 鋼軌電位分布示意圖

1.2 回流系統(tǒng)主要設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)

1.2.1 OVPD運(yùn)行特點(diǎn)

設(shè)置OVPD是為限制鋼軌與地之間的電位，以避免軌道區(qū)域中的高電位危及人身安全。如果軌電位超出規(guī)定值，OVPD會(huì)自動(dòng)將軌道短時(shí)接地，斷開軌對地之間的連接。OVPD的動(dòng)作保護(hù)根據(jù)不同的電壓區(qū)段和延時(shí)按一、二、三段動(dòng)作保護(hù)來考慮。OVPD接線原理如圖3所示。

圖3OVPD接線原理示意圖

1.2.2 排流柜運(yùn)行特點(diǎn)

一般情況下，當(dāng)檢測結(jié)構(gòu)鋼筋極化電位受雜散電流影響超過規(guī)定的0.5 V時(shí)投入排流柜，將匯集的來自道床收集網(wǎng)等處的雜散電流引入排流柜的負(fù)極柜。排流柜接線示意圖如圖4所示。

2 回流系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題

GB 50490—2009規(guī)定，正線鋼軌電位不應(yīng)超過90 V。EN 50122—1規(guī)定，鋼軌電位在120 V以內(nèi)，不應(yīng)威脅到人身安全。出于經(jīng)濟(jì)性考慮，很多線路雙邊供電時(shí)按90 V控制正線鋼軌電位，而大雙邊供電時(shí)按120 V控制鋼軌電位。

OVPD檢測走行軌對保護(hù)地的電位差。當(dāng)該電位差較大時(shí)，如正線鋼軌電位超過OVPD一段保護(hù)動(dòng)作閥值90 V時(shí)，OVPD一段保護(hù)動(dòng)作；當(dāng)電位差超過OVPD二段保護(hù)動(dòng)作閥值150 V時(shí)，OVPD頻繁報(bào)警動(dòng)作甚至閉鎖。

OVPD接地后，鋼軌回流入地，附屬結(jié)構(gòu)中鋼筋網(wǎng)回流加大，極化電位升高；由于附屬結(jié)構(gòu)雜散電流是通過排流柜進(jìn)入負(fù)極柜的，因此排流柜也投入運(yùn)行。此時(shí)雜散電流進(jìn)一步加大，最后出現(xiàn)排流柜電阻箱與母線排搭接處發(fā)紅及電阻箱燒損等問題。排流柜內(nèi)電阻箱及母線排接線燒傷的現(xiàn)場照片如圖5所示。

圖4 排流柜接線示意圖

圖5 排流柜內(nèi)電阻箱與母排接線燒傷現(xiàn)場照片

3 鋼軌電位超標(biāo)及相關(guān)設(shè)備問題主因

3.1 鋼軌電位升高或超標(biāo)原因

由于鋼軌存在內(nèi)阻，因此牽引回流在鋼軌上有電位差。該電位差的大小與線路上行駛或起動(dòng)的列車數(shù)量、列車功率、牽引所間距等具體情況有關(guān)。列車功率越大，距牽引變電所距離越遠(yuǎn)，鋼軌電位越高。比如采用大雙邊供電時(shí)，其鋼軌電位比單邊供電的高。

如果發(fā)生接觸網(wǎng)與鋼軌或與架空地線短路、DC設(shè)備框架泄漏等故障，則會(huì)導(dǎo)致鋼軌電位升高；回流通道中，比如道岔的回流跳線，以及回流電纜與鋼軌或與回流箱、負(fù)極柜的母排連接等位置存在缺陷，也會(huì)導(dǎo)致鋼軌電位超標(biāo)。

3.2 OVPD不正常動(dòng)作原因分析

根據(jù)某條城市軌道交通線路的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在約24 h的測試過程中，控制室記錄數(shù)據(jù)顯示，OVPD曾發(fā)生一段、二段保護(hù)同時(shí)動(dòng)作6次，一、二、三段保護(hù)同時(shí)動(dòng)作3次。截取其中9∶15—9∶22的一次記錄，如圖6和圖7所示，發(fā)現(xiàn)鋼軌電位與回流電流的變化趨勢一致，鋼軌電位隨著回流電流的增加而增加；在記錄時(shí)段，OVPD一段、二段電壓保護(hù)同時(shí)動(dòng)作。

圖6 鋼軌電位現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)截圖

圖7 鋼軌回流電流現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)截圖

圖6 中，當(dāng)鋼軌電位超過一段電壓保護(hù)動(dòng)作閾值90 V時(shí)，OVPD一段保護(hù)動(dòng)作正常；但OVPD一、二段保護(hù)間隔出現(xiàn)了一定延時(shí)，一、二段保護(hù)分別動(dòng)作，此時(shí)也出現(xiàn)了OVPD閉鎖。從現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)看，OVPD發(fā)生一段、二段保護(hù)動(dòng)作時(shí)，鋼軌電位均沒有超過二段保護(hù)動(dòng)作閾值150 V，因此OVPD二段保護(hù)動(dòng)作不是由于鋼軌電位異常偏高引起的。OVPD二段保護(hù)動(dòng)作時(shí)刻記錄的約550 V電壓值，應(yīng)是接觸器合閘所產(chǎn)生的操作過電壓。文獻(xiàn)［2］也提到個(gè)別線路中發(fā)生OVPD一、二、三段保護(hù)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，動(dòng)作時(shí)刻記錄的最高電壓為886 V，遠(yuǎn)超過了OVPD三段保護(hù)動(dòng)作的閾值600 V。

分析后認(rèn)為，引起OVPD二、三段保護(hù)異常動(dòng)作的主要原因是：接觸器分合閘次數(shù)較多，導(dǎo)致接觸器觸頭磨損嚴(yán)重，從而在分合閘時(shí)產(chǎn)生異常過電壓；在OVPD二、三段保護(hù)電路中，有可能因晶閘管損壞而使得導(dǎo)通電壓不正常；OVPD中PLC（可編程邏輯控制器）保護(hù)算法異常以及其他可能的保護(hù)裝置故障。

3.3 投入OVPD和排流柜后問題分析

3.3.1 OVPD長時(shí)間接地后果

OVPD長時(shí)間接地與直流系統(tǒng)為不接地系統(tǒng)的方式相矛盾。OVPD長時(shí)間接地會(huì)抬升其他位置的鋼軌電位和增加該區(qū)段的人身安全隱患。因?yàn)槊總€(gè)變電所都設(shè)有OVPD，若存在多處OVPD接地的情況，雜散電流擴(kuò)散嚴(yán)重。

3.3.2 直接排流法的不足

排流柜排流時(shí)，鋼軌接地后電位為0，電流沿電纜和二極管流向負(fù)母線，負(fù)母線的負(fù)電位變?yōu)榻咏汶娢唬瑑勺冸娝g軌對地電位增加1倍，兩變電所均成為陽極區(qū)域，則雜散電流上升了數(shù)倍。

3.3.3 排流柜故障

OVPD接地后增加的雜散電流到一定程度后排流柜會(huì)投入；當(dāng)排流柜處于排流狀態(tài)時(shí)，鋼軌電位會(huì)上升甚至超標(biāo)，此時(shí)OVPD又會(huì)投入。這兩種情況均造成OVPD與排流柜同時(shí)投入。根據(jù)文獻(xiàn)［3］中等效的軌道-埋地金屬-大地的電阻分布網(wǎng)絡(luò)（見圖8），泄漏到地下的雜散電流is（x）可用式（1）簡化計(jì)算。

圖8 軌道-埋地金屬-大地的電阻分布網(wǎng)絡(luò)圖

式中：

L——列車車頭距牽引變電所的距離；

I——列車電流；

Rs——鋼軌電阻；

Rr——排流網(wǎng)電阻；

Rg——軌對地過渡電阻。

若 L為 4 km，I取 3 500 A，Rs為 0.019 Ω/km，Rr為 0.05 Ω/km，Rg分別取 15.00 Ω·km 和 0.02 Ω·km時(shí)，計(jì)算得到最大is（x）分別為9 A和825 A。軌對地過渡電阻接近0時(shí)，測算靠近變電所的鋼軌和埋地金屬結(jié)構(gòu)之間跨接電流超過900 A。分析后認(rèn)為，最不利的情況下同時(shí)投入OVPD和排流柜時(shí)，排流柜支路電流遠(yuǎn)超過自身額定電流值，造成排流柜相關(guān)器件因通過電流增大而發(fā)熱甚至燒壞。

4 應(yīng)對措施

4.1 降低鋼軌電位

目前，我國各城市的軌道交通線路在運(yùn)營初期的行車對數(shù)就達(dá)到了遠(yuǎn)期高峰小時(shí)的指標(biāo)，因此，應(yīng)使客流預(yù)測及系統(tǒng)能力配套適應(yīng)超預(yù)期客流增長的需要，做到防患于未然。

減少回流通路電阻，也可采取與軌道并聯(lián)電纜、增加回流電纜的截面積等措施，但其并聯(lián)的范圍及電纜的截面積需要通過測試或計(jì)算來確定。

應(yīng)仔細(xì)檢查回流通道中回流線或電纜與鋼軌、道岔、匯流箱、負(fù)極柜等連接處接頭的牢固程度。

可采用如低溫軟釬焊加栓接的方式將L形銅排與鋼軌連接，或?qū)㈦娎|與銅牌預(yù)留孔通過螺栓連接，完成回流或均流電纜與軌之間的連接。

4.2 防止OVPD頻繁動(dòng)作及閉鎖

若出現(xiàn)OVPD頻繁動(dòng)作及閉鎖的現(xiàn)象，應(yīng)重點(diǎn)檢修接觸器觸頭及保護(hù)電路用晶閘管等部件；還可按文獻(xiàn)［2］的方法，采取在接觸器兩端加裝過電壓抑制電路的方法。

4.3 避免同時(shí)投入OPVD及排流柜

文獻(xiàn)［1］認(rèn)為，OVPD具有保護(hù)人身安全的作用，其重要程度比排流柜等級(jí)高。當(dāng)OVPD投入時(shí)應(yīng)避免與排流柜通過地連接。為此應(yīng)對排流柜做短時(shí)屏蔽，當(dāng)確認(rèn)OVPD斷開后才能投入排流柜。

因OVPD與排流柜在各變電所相互獨(dú)立，因此可將所有OVPD和排流柜信號(hào)信息上傳至SCADA（電力監(jiān)控）系統(tǒng)進(jìn)行檢測，若檢測到OVPD動(dòng)作，則給相應(yīng)的排流柜發(fā)出斷開信號(hào)。

5 結(jié)語

直流牽引供電系統(tǒng)較為復(fù)雜，存在以鋼軌回流為主的鋼軌電位超標(biāo)、回流通路不暢、雜散電流泄漏，以及雜散電流擴(kuò)散引起主體結(jié)構(gòu)金屬腐蝕等問題。因此，應(yīng)綜合考慮，避免出現(xiàn)如鋼軌電位超標(biāo)等諸多問題。一旦出現(xiàn)鋼軌電位超標(biāo)，應(yīng)及時(shí)查找并排除接觸網(wǎng)短路及OVPD等設(shè)備故障，檢查并保持回流通路通暢，采取防止OVPD操作過電壓措施，采用邏輯控制和加強(qiáng)監(jiān)測等方式避免OVPD與排流柜同時(shí)動(dòng)作問題，避免故障范圍擴(kuò)大。另外，建議新建城市軌道交通線路的直流牽引供電系統(tǒng)采用單獨(dú)設(shè)置回流軌方案。這個(gè)方案可從根本上解決直流牽引供電系統(tǒng)中諸多以走行軌回流為主的問題。