地鐵車(chē)輛段股道接觸網(wǎng)異常電壓分析

林明磊 任振強(qiáng)

摘? 要：廣州地鐵接觸網(wǎng)采用直流1500V供電方式，車(chē)輛段停車(chē)庫(kù)采用柔性接觸網(wǎng)用以給電客車(chē)供電。為保證供電靈活及方便檢修，停車(chē)庫(kù)接觸網(wǎng)采用單股道隔離開(kāi)關(guān)控制停送電方式，庫(kù)內(nèi)外接觸網(wǎng)采用分段絕緣器作為絕緣間隔。某車(chē)輛段自2017年投用以來(lái)，接觸網(wǎng)作業(yè)人員多次發(fā)現(xiàn)在停車(chē)庫(kù)內(nèi)有某條股道接觸網(wǎng)帶電時(shí)，其相鄰幾條股道接觸網(wǎng)在停電之后依然存在數(shù)百伏至上千伏不等的異常電壓，且長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法消除，給供電接觸網(wǎng)檢修帶來(lái)嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)?；诖藛?wèn)題，文章深入分析了該異常電壓產(chǎn)生的原因，并提出解決措施。

關(guān)鍵詞：地鐵;接觸網(wǎng);異常電壓

中圖分類(lèi)號(hào)：U231 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）04-0068-02

Abstract： The catenary of Guangzhou Metro is powered by 1500V DC power supply. The parking garage of the depot is powered by flexible catenary. In order to ensure flexible power supply and convenient maintenance， single-track disconnector is used to control power outage in the catenary of parking garage， and sectional insulator is used to insulate the catenary inside and outside the garage. Since a parking lot was put into operation in 2017， catenary operators have repeatedly found that when a catenary is live in the parking garage， several adjacent catenary still have abnormal voltages ranging from hundreds to thousands of volts after power failure， which can not be eliminated for a long time， bringing serious safety to the overhaul of power supply catenary. Risk. Based on this problem， this paper thoroughly analyzed the causes of the abnormal electric bladder， and proposed solutions.

Keywords： metro; catenary; abnormal electrodes

廣州地鐵某車(chē)輛段2017年投用以來(lái)，接觸網(wǎng)作業(yè)人員在股道接觸網(wǎng)停電檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，在停車(chē)庫(kù)內(nèi)有股道不停電的情況下，其余股道在停電后依然會(huì)帶有數(shù)百伏電壓，峰值達(dá)到上千伏，且長(zhǎng)時(shí)間下降緩慢，不能消除，給接觸網(wǎng)的停電作業(yè)檢修帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。

1 異常電壓分析

經(jīng)檢查，相應(yīng)股道隔離開(kāi)關(guān)均已斷開(kāi)，排除開(kāi)關(guān)漏斷的可能性。在庫(kù)外接觸網(wǎng)帶電的情況下，斷開(kāi)所有股道隔離開(kāi)關(guān)，庫(kù)內(nèi)接觸網(wǎng)無(wú)電，排除股道分段絕緣器絕緣下降的可能性。將股道隔離開(kāi)關(guān)全部斷開(kāi)，且接地刀閘不接觸的情況下，在庫(kù)內(nèi)對(duì)某一條股道加壓2500V，其相鄰幾條股道均發(fā)現(xiàn)帶有異常高電壓情況，經(jīng)測(cè)試，電壓從1800V-2300V不等。

在單股道帶電的情況下，其余股道在停電后依然會(huì)帶有異常高電壓，其原因主要有以下三種：

（1）接觸網(wǎng)殘壓。由于接觸網(wǎng)股道間絕緣部件性能下降，無(wú)法完全阻隔帶電設(shè)備與停電設(shè)備，導(dǎo)致在停電股道接觸網(wǎng)上存在殘壓。

（2）感應(yīng)電壓。單條股道停電，相鄰股道不停電正常運(yùn)行時(shí)，帶電運(yùn)行的接觸網(wǎng)通過(guò)容性耦合在相鄰?fù)ｋ姷慕佑|網(wǎng)上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。

（3）電阻分壓。接觸網(wǎng)的布置方式，在停車(chē)庫(kù)內(nèi)通過(guò)結(jié)構(gòu)框架、股道間設(shè)置橫向固定繩，采用絕緣子作為股道間絕緣隔離的元件，接觸網(wǎng)股道與股道間、接觸網(wǎng)股道與框架結(jié)構(gòu)間均存在絕緣電阻。把帶電股道接觸網(wǎng)看成一個(gè)有源節(jié)點(diǎn)后，其他股道接觸網(wǎng)作為回路上的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)基爾霍夫定律，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上根據(jù)電阻值大小都會(huì)存在一定的電壓。

針對(duì)原因（1），經(jīng)測(cè)試，只要在停車(chē)庫(kù)9-13道任一股道加壓，其余四條股道均會(huì)測(cè)出對(duì)應(yīng)接觸網(wǎng)帶有高低不等的電壓。同理在14-18道亦然。檢查絕緣部件無(wú)發(fā)現(xiàn)裂紋、絕緣下降情況，且若是單一絕緣部件的絕緣性能下降，不會(huì)導(dǎo)致幾條股道均出現(xiàn)同類(lèi)現(xiàn)象。基本可以排除第（1）種原因。

針對(duì)原因（2），根據(jù)理論計(jì)算[1]，處于接觸網(wǎng)靜電感應(yīng)范圍內(nèi)的金屬導(dǎo)線(xiàn)上的靜電感應(yīng)電壓的通用計(jì)算公式為：

式中，Ut為處于接觸網(wǎng)靜電感應(yīng)范圍內(nèi)的金屬導(dǎo)線(xiàn)上的靜電感應(yīng)電壓，Uj為接觸網(wǎng)網(wǎng)壓，a為接觸網(wǎng)與金屬導(dǎo)線(xiàn)的水平距離，b為接觸網(wǎng)對(duì)地的平均距離，c為金屬導(dǎo)線(xiàn)的對(duì)地高度，K為計(jì)算系數(shù)。一般情況下，計(jì)算系數(shù)K在單線(xiàn)區(qū)段取為0.4，在復(fù)線(xiàn)區(qū)段取為0.6，簡(jiǎn)單懸掛計(jì)算系數(shù)取為0.263。停車(chē)庫(kù)接觸網(wǎng)為簡(jiǎn)單懸掛方式，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量接觸網(wǎng)實(shí)際情況，取a=3.4m，b=4.8m，c=4.8m，Uj=2500V，K=0.263，則通過(guò)公式計(jì)算得出相鄰股道的感應(yīng)電壓Ut=262.8V。而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量在股道接觸網(wǎng)加壓2500V時(shí)，相鄰股道接觸網(wǎng)電壓高達(dá)2300V以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)計(jì)算所得的感應(yīng)電壓理論值，證實(shí)感應(yīng)電壓并非異常高電壓產(chǎn)生的主因。

針對(duì)原因（3），車(chē)輛段停車(chē)庫(kù)接觸網(wǎng)為L(zhǎng)-9道到L-18道，共計(jì)10條股道。由3個(gè)供電分區(qū)進(jìn)行供電，L-9道到L-11道由NSD5區(qū)供電，L-12道到L-16道由NSD6區(qū)供電，L-17道、L-18道由NSD7區(qū)供電。其中L-9道到L-13道接觸網(wǎng)作為一個(gè)橫跨用橫向固定繩進(jìn)行連接，L-14道到L-18道接觸網(wǎng)作為一個(gè)橫跨用橫向固定繩進(jìn)行連接，股道間接觸網(wǎng)采用絕緣子作為絕緣間隔。為簡(jiǎn)化分析，把每一個(gè)絕緣子等效為一個(gè)理想電阻，其等效電阻分壓模型如圖1所示。

由于接觸網(wǎng)絕緣子的絕緣電阻（兆歐級(jí)）遠(yuǎn)大于接觸線(xiàn)線(xiàn)路電阻和鋼軌對(duì)地電阻（微歐級(jí)），因此后兩者的電阻值可以在等效電阻計(jì)算中忽略不計(jì)。根據(jù)基爾霍夫定律，當(dāng)在L-9道加壓U9時(shí)，則L-10道的電壓U10 ×U9。即L-10道的電壓由10道的對(duì)地絕緣電阻值以及L-9道與L-10道間的絕緣電阻值共同決定，如果兩者相差不大，則理論上L-10道的電壓可以達(dá)到L-9道電壓的約一半。如果股道間絕緣電阻遠(yuǎn)大于股道對(duì)地絕緣電阻，則L-10道的電壓會(huì)遠(yuǎn)小于L-9道電壓。如果股道間絕緣電阻遠(yuǎn)小于股道對(duì)地絕緣電阻，則L-10道電壓會(huì)近似等于L-9道電壓。

2 異常電壓測(cè)試

為驗(yàn)證實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)股道間絕緣電阻對(duì)接觸網(wǎng)電壓分布的影響，將接觸網(wǎng)停車(chē)庫(kù)所有股道隔離開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，同時(shí)斷開(kāi)接地刀閘，并逐個(gè)對(duì)單股道接觸網(wǎng)進(jìn)行絕緣及加壓測(cè)試。經(jīng)測(cè)試得知，直接測(cè)量同橫跨各股道間接觸網(wǎng)絕緣電阻約為1-2MΩ左右，在L-13道和L-14道之間，因相隔網(wǎng)架結(jié)構(gòu)支柱，不屬于同一橫跨，絕緣電阻測(cè)試達(dá)287MΩ。當(dāng)對(duì)單股道加載2500V電壓時(shí)，隨著股道相距越來(lái)越遠(yuǎn)，相隔的絕緣子數(shù)量越來(lái)越多，各股道電壓呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，符合絕緣電阻分壓模型。當(dāng)越過(guò)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)柱后，絕緣電阻分壓全部消失（網(wǎng)架結(jié)構(gòu)柱相鄰兩股道間絕緣電阻大于股道對(duì)地絕緣電阻）。然而，當(dāng)對(duì)某一股道加壓時(shí)，相鄰股道的絕緣電阻分壓均超過(guò)2000V，按照絕緣電阻分壓模型，造成此情況的原因?yàn)楣傻篱g絕緣電阻遠(yuǎn)小于該股道對(duì)地的絕緣電阻。

3 仿真分析

為進(jìn)一步分析接觸網(wǎng)絕緣電阻匹配關(guān)系對(duì)停電時(shí)接觸網(wǎng)懸空狀態(tài)（既不是帶電狀態(tài)也不是接地狀態(tài)）下的接觸網(wǎng)電壓分布，針對(duì)NSD5、NSD6區(qū)所在上蓋網(wǎng)架（L-9道～L-13道）接觸網(wǎng)電壓分布情況進(jìn)行仿真分析。當(dāng)所有絕緣電阻均理想化為1GΩ，對(duì)NSD5區(qū)（L-9道～L-11道）設(shè)置2500V電壓時(shí)，L-12道（NSD6區(qū)）接觸網(wǎng)電壓約為666V，L-13道（NSD6區(qū)）接觸網(wǎng)電壓約為166V，如圖2所示。當(dāng)股道間絕緣電阻為0.1GΩ，股道對(duì)地絕緣電阻為1GΩ，對(duì)NSD5區(qū)（L-9道～L-11道）設(shè)置2500V電壓時(shí)，L-12道（NSD6區(qū)）網(wǎng)壓約為1432V，L-13道（NSD6區(qū)）網(wǎng)壓約為651V，如圖3所示。通過(guò)以上仿真分析，顯然，股道間絕緣電阻與股道對(duì)地絕緣電阻的匹配關(guān)系直接影響停電時(shí)接觸網(wǎng)懸空狀態(tài)（既不是帶電狀態(tài)也不是接地狀態(tài)）下的接觸網(wǎng)電壓分布。如果想要降低電阻分壓的影響，則需要增大股道間絕緣電阻值，使其相對(duì)于股道對(duì)地絕緣電阻要越大越好。

針對(duì)以上測(cè)試發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，組織對(duì)庫(kù)內(nèi)股道間絕緣子進(jìn)行全面更換，更換備件絕緣子的絕緣電阻均為10GΩ以上。更換絕緣子后，重新測(cè)試股道間絕緣電阻平均達(dá)到100MΩ以上，較更換前大幅提高。重新進(jìn)行加壓2500V測(cè)試，發(fā)現(xiàn)相鄰股道的電壓大幅降低，數(shù)值降到500V以下，大大降低了作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

自發(fā)現(xiàn)車(chē)輛段場(chǎng)異常電位問(wèn)題開(kāi)始，根據(jù)停車(chē)庫(kù)接觸網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布置情況，建立接觸網(wǎng)的絕緣電阻分壓模型并仿真分析，歷時(shí)4個(gè)月多次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試停車(chē)庫(kù)接觸網(wǎng)現(xiàn)有布置方式的絕緣電阻對(duì)接觸網(wǎng)停電后電壓分布的影響，并通過(guò)更換股道間絕緣子改善了異常電位問(wèn)題。充分說(shuō)明單股道接觸網(wǎng)在停電后不掛設(shè)地線(xiàn)而同一橫跨內(nèi)其余股道正常供電時(shí)，其電壓分布是由接觸網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)絕緣電阻分壓比例關(guān)系決定，是采用絕緣子絕緣間隔的接觸網(wǎng)固有特性。當(dāng)出現(xiàn)相鄰股道不停電時(shí)，接觸網(wǎng)絕緣電阻匹配關(guān)系引起的殘壓現(xiàn)象不可避免，這種情況對(duì)車(chē)輛段停車(chē)庫(kù)影響尤為顯著。為降低此影響，在停車(chē)庫(kù)股道設(shè)計(jì)安裝階段必須考慮絕緣電阻的匹配情況，盡量確保接觸網(wǎng)股道間絕緣電阻遠(yuǎn)大于股道接觸網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻。在接觸網(wǎng)工程驗(yàn)收階段，要對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行絕緣測(cè)試，在絕緣電阻滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的條件下，保證股道間絕緣電阻不小于股道對(duì)地絕緣電阻

參考文獻(xiàn)：

[1]董昭德，李嵐.接觸網(wǎng)工程與設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2014.