直流牽引供電系統(tǒng)鋼軌電位限值問題及其治理方案*

高圣夫劉煒鄭杰李群湛陳繼勇

直流牽引供電系統(tǒng)鋼軌電位限值問題及其治理方案*

高圣夫1劉煒1鄭杰2李群湛1陳繼勇2

（1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，610031，成都；2.成都地鐵運(yùn)營公司，610081，成都//第一作者，博士研究生）

闡述了鋼軌電位過高的原因及危害，對國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于鋼軌電位限值和最大允許接觸電壓的合理性進(jìn)行了分析；探討了鋼軌電位限制裝置保護(hù)、電壓型框架保護(hù)、人體耐受電壓限值三者之間的匹配關(guān)系?？偨Y(jié)了鋼軌電位過高的治理方法及今后的改進(jìn)方向。

直流牽引供電系統(tǒng)；鋼軌電位；鋼軌電位限制裝置

First-author′s addressSchool of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，610031，Chengdu，China

目前，我國地鐵牽引供電系統(tǒng)普遍采用DC 1 500 V/750 V供電及鋼軌作為回流導(dǎo)體的方案。牽引變電所從AC 35 kV/10 kV母線取電，通過牽引變壓器和整流器轉(zhuǎn)化為列車所需的DC 1 500 V/ 750 V。牽引變電所輸出的電能通過直流饋線傳輸至接觸網(wǎng)或接觸軌，列車通過受電弓或集電靴接觸取電。電流通過鋼軌和回流線回流至牽引變電所，在鋼軌中產(chǎn)生縱向電壓降落和鋼軌對地電位。目前，因鋼軌電位過高導(dǎo)致鋼軌電位限制裝置頻繁投入使用，已成為城市軌道交通供電系統(tǒng)運(yùn)營中面臨的難題。

本文回顧了鋼軌電位限值標(biāo)準(zhǔn)制定和修改的歷程，探討了鋼軌電位限制裝置保護(hù)、電壓型框架保護(hù)、最大人體接觸電壓三者之間的匹配關(guān)系，總結(jié)了鋼軌電位過高問題的部分治理方案。這對鋼軌電位限制裝置保護(hù)的整定原則、鋼軌電位過高的治理有一定參考意義。

1 鋼軌電位問題

為抑制直流牽引供電系統(tǒng)中的雜散電流，現(xiàn)代城市軌道交通普遍采用二極管接地系統(tǒng)或不接地系統(tǒng)。文獻(xiàn)［1-4］通過仿真和現(xiàn)場實(shí)測，對二極管接地系統(tǒng)的改進(jìn)方式以及不同接地方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了探討。二極管接地系統(tǒng)能在控制雜散電流的同時降低牽引變電所附近的鋼軌電位，同時也會抬高供電區(qū)間的鋼軌電位，此問題在DC 1 500 V的牽引供電系統(tǒng)中更為突出，因此不適用于國內(nèi)的牽引供電系統(tǒng)。

國內(nèi)地鐵的牽引供電系統(tǒng)全部采用不接地系統(tǒng)，該系統(tǒng)雖然有效抑制了雜散電流，但導(dǎo)致鋼軌電位過高。鋼軌與大地理論上是絕緣安裝的，但在工程實(shí)踐中無法達(dá)到完全絕緣，鋼軌和大地間仍然存在不低于3～15Ω/km的過渡電阻［5］，因此，鋼軌和大地間有電流通路，從而形成電位差。鋼軌自身也存在40 mΩ/km左右的縱向直流電阻，而列車的牽引電流可達(dá)4 000 A，甚至更高，當(dāng)牽引電流流過鋼軌時，將在鋼軌上產(chǎn)生電壓降。列車加速時從接觸網(wǎng)取流，在列車附近形成較高的正向鋼軌對地電位；在牽引變電所附近鋼軌電位較低，甚至呈負(fù)極。鋼軌電位過高會威脅乘客和工作人員的人身安全，同時也可能導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置誤動作［6］。

2 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的分析

為避免鋼軌電位過高威脅乘客和工作人員的人身安全，國內(nèi)外制定的鋼軌電位和最大允許接觸電壓相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要有：GB/T 10411—2005《城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)》，GB 50490—2009《城市軌道交通技術(shù)規(guī)范》，GB 51057—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》，GB/T 28026.1—2011，《軌道交通地面裝置第1部分：電氣安全和接地相關(guān)的安全性措施》,IEC 62128-1—2013《Railway Applications-Fixed Installations-Electrical Safety，Earthing and the Return Circuit》等。這些標(biāo)準(zhǔn)均對城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的鋼軌電位限制進(jìn)行了規(guī)定，對鋼軌電位保護(hù)的整定和治理指導(dǎo)性作用，但有些也存在局限性。

2.1 GB/T 10411—2005

GB/T 10411—2005《城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)》［7］為現(xiàn)行推薦國標(biāo)。該標(biāo)準(zhǔn)7.4.2條規(guī)定：利用鋼軌回流，且最大負(fù)載時，軌上任意一點(diǎn)電位差不大于90 V。

對于正線的鋼軌電位，正常運(yùn)營狀態(tài)下鋼軌電位過高只會對車站的乘客及相關(guān)工作人員帶來安全隱患，但正線全線鋼軌電位低于90 V是不必要的，運(yùn)營部門也無法監(jiān)測全線的鋼軌電位。因此，“軌上任意一點(diǎn)電位差不大于90 V”欠妥。

2.2 GB 50490—2009

GB 50490—2009《城市軌道交通技術(shù)規(guī)范》［8］自2009年1月1日起實(shí)施，為強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)8.1.4條規(guī)定：在直流牽引供電系統(tǒng)中，電氣安全防護(hù)措施應(yīng)與雜散電流防護(hù)措施相協(xié)調(diào)，在二者相互矛盾時，應(yīng)優(yōu)先考慮電氣安全防護(hù)。因此，當(dāng)鋼軌電位過高且超過規(guī)定值時，應(yīng)犧牲雜散電流防護(hù)，優(yōu)先考慮如何降低鋼軌電位，使其恢復(fù)到允許范圍內(nèi)。該標(biāo)準(zhǔn)8.1.12第4條對鋼軌電位的限值規(guī)定：正常運(yùn)營狀態(tài)下，正線鋼軌電位不得超過DC 90 V，車輛基地中鋼軌電位不得超過DC 60 V，若鋼軌電位瞬時值超過限值時應(yīng)采取可靠的安全保護(hù)措施。

GB 50490-2009標(biāo)準(zhǔn)對正線鋼軌電位限值的規(guī)定未限定測量點(diǎn)，因此，以上規(guī)定難以考察。

2.3 GB 51057—2013

GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》［9］從前期設(shè)計(jì)的角度，對地鐵系統(tǒng)的各組成部分的設(shè)計(jì)提出了要求。該標(biāo)準(zhǔn)15.7節(jié)中第16條對鋼軌電位進(jìn)行了規(guī)定（為需強(qiáng)制執(zhí)行的條文），內(nèi)容為：正常雙邊供電運(yùn)行時，站臺處走行軌對地電位不應(yīng)大于120 V，車輛基地庫線走行軌對地電位不應(yīng)大于60 V；當(dāng)走行軌對地電壓超標(biāo)時，應(yīng)采取短時接地措施。

相比于《城市軌道交通技術(shù)規(guī)范》，《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》對鋼軌電位限制的條件、考察地點(diǎn)以及超標(biāo)后的處理措施進(jìn)行了更具體的規(guī)定，有利于標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施與考核，為鋼軌電位過高的治理提出了更具體的要求。

2.4 EN 50122-1/IEC 62128-1/GB/T 28026.1

GB/T 28026.1—2011《軌道交通地面裝置第1部分：電氣安全和接地相關(guān)的安全措施》［10］等同采用IEC 62128-1-2003標(biāo)準(zhǔn)［11］；IEC 62128-1—2003標(biāo)準(zhǔn)的制定又基于EN 50122-1—1997標(biāo)準(zhǔn)［12］。IEC 62128-1-2013標(biāo)準(zhǔn)［13］等同采用EN 50122-1—2011標(biāo)準(zhǔn)［14］。以下內(nèi)容以IEC 62128-1—2013標(biāo)準(zhǔn)作為探討對象。

IEC 62128-1—2013標(biāo)準(zhǔn)提出了對交直流牽引系統(tǒng)及可能受牽引系統(tǒng)影響的地面電氣設(shè)備的電氣安全和保護(hù)措施的要求。對于持續(xù)時間長短的界定方面，IEC 62128-1—2013標(biāo)準(zhǔn)未沿用IEC 62128-1—2003標(biāo)準(zhǔn)的“瞬時制、短時制、長時制”，而將持續(xù)時間為0.7 s以上稱為長時制（long-term），將持續(xù)時間小于0.7 s的稱為短時制（short-term）。表1給出了不同持續(xù)時間對應(yīng)的最大允許人體壓降（body voltage）和最大允許接觸電壓（effective touch voltage）。表1中數(shù)據(jù)的技術(shù)基礎(chǔ)包含于IEC 60479-1—2005標(biāo)準(zhǔn)中［15］，且在如下前提下得出：①電路由單手經(jīng)雙腳接地；②人體電阻大于設(shè)定值的概率為50%；③不考慮心室纖維化的情況；④在大于0.5 s的情況下忽略手、腳的接觸電阻，小于0.5 s的情況下將1 000 Ω的額外電阻計(jì)入人體電阻（舊濕鞋的等效電阻）。

長時制下有效接觸電壓不得超過表1所示人體壓降限值，短時制下有效接觸電壓不超過表1所示的值，則認(rèn)為人體壓降低于限值。IEC 62128-1—2013標(biāo)準(zhǔn)中的最大允許接觸電壓限值略低于IEC 62128-1—2003標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定對于車輛基地及類似場所，長時制下有效接觸電壓不得超過60 V，短時制依照表1執(zhí)行。

該系列標(biāo)準(zhǔn)在規(guī)定最大允許接觸電壓限值時考慮了持續(xù)時間的情況。鋼軌電位限制裝置的整定值和動作時限可參照該系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制定，在保證安全的前提下可減少鋼軌電位限制裝置的動作次數(shù)。

3 鋼軌電位限制裝置及其存在的問題

3.1 工作原理

鋼軌電位限制裝置（OVPD或RPCD）是防止鋼軌電位過高的主要措施。OVPD設(shè)置于鋼軌和保護(hù)地之間，正常運(yùn)營狀態(tài)下處于斷開狀態(tài)。目前國內(nèi)地鐵投入使用的OVPD普遍采用三段式整定，其整定原理如下［16］。

表1 不同持續(xù)時間對應(yīng)的最大允許人體壓降和接觸電壓（直流）

Ⅰ段：當(dāng)檢測到的電位差達(dá)到整定值時，經(jīng)t1延時接觸器合閘；當(dāng)電位差低于整定值時，OVPD延時t2后自動復(fù)位，斷開鋼軌與地的連接；若在t3內(nèi)連續(xù)動作3次，延時復(fù)位閉鎖，接觸器處于恒定合閘狀態(tài)，直到人工復(fù)位為止。

Ⅱ段：當(dāng)檢測到的電位差大大超過整定值時，OVPD不設(shè)延時，于t4內(nèi)動作，接觸器永久合閘，直到人工復(fù)位為止。

Ⅲ段：當(dāng)檢測到的電位差極大超過整定值時，晶閘管迅速導(dǎo)通（0.1 ms），將鋼軌與地短接。

3.2 存在的問題

目前OVPD在使用中存在如下問題。

（1）部分車站OVPD頻繁動作，縮短了OVPD的使用壽命。如成都地鐵1號線錦城廣場站的OVPD在2011年1月至2012年1月14日期間動作29次。部分運(yùn)營部門選擇將OVPD長期合閘以緩解此問題，但OVPD長期合閘會導(dǎo)致大量雜散電流在地網(wǎng)中流通，相當(dāng)于直接接地，該措施是不可取的。應(yīng)采取其他措施以降低鋼軌電位，如適當(dāng)調(diào)高OVPD的整定值、改善鋼軌回流、通過OVPD間的實(shí)時通信對保護(hù)的動作進(jìn)行優(yōu)化以減少不必要的動作等［16］。

（2）OVPD整定值設(shè)置不合理。OVPD存在最小接地電壓，若整定值低于該值，則不能進(jìn)一步降低鋼軌電位，反而會增大雜散電流［17］。文獻(xiàn)［16］認(rèn)為OVPD的整定值應(yīng)和電壓型框架保護(hù)以及標(biāo)準(zhǔn)人體耐受電壓-時間曲線配合，在保護(hù)人身安全的同時避免電壓型框架保護(hù)誤動作。因此，在相同持續(xù)時間下，電壓型框架保護(hù)的動作電壓應(yīng)低于IEC 62128-1—2013標(biāo)準(zhǔn)中的最大允許接觸電壓值；OVPD的動作值應(yīng)低于電壓型框架保護(hù)的動作值，以避免電壓型框架保護(hù)誤動作。

基于IEC 62128-1—2013標(biāo)準(zhǔn)的鋼軌電位限制裝置保護(hù)整定曲線與電壓型框架保護(hù)整定曲線如圖1所示。圖1中的虛線為IEC 62128-1—2003標(biāo)準(zhǔn)最大允許接觸電壓（直流）-時間曲線：當(dāng)t＜0.5 s或t＞0.7 s時，IEC62128-1—2013標(biāo)準(zhǔn)的最大允許接觸電壓（直流）-時間曲線在持續(xù)時間相同的情況下，最大允許接觸電壓值小于IEC 62128-1—2003標(biāo)準(zhǔn)的曲線。部分地鐵根據(jù)IEC 62128-1—2003標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的電壓型框架保護(hù)整定值與IEC 62128-1—2003標(biāo)準(zhǔn)存在不匹配的情況。

圖1 鋼軌電位限制裝置及電壓型框架保護(hù)整定曲線

表2和表3分別為昆明地鐵和成都地鐵2號線OVPD和電壓型框架保護(hù)的整定值［18］。圖2和圖3分別為昆明地鐵和成都地鐵2號線OVPD、電壓型框架保護(hù)整定曲線。由圖3可知，昆明地鐵電壓型框架保護(hù)曲線在0.7～1.0 s的區(qū)間內(nèi)電壓值高于IEC 62128-1—2013標(biāo)準(zhǔn)最大允許接觸電壓（直流）-時間曲線。由圖4可知，成都地鐵2號線的電壓型框架保護(hù)整定值在t＞0.7 s時電壓值大于最大允許接觸電壓。要使OVPD、電壓型框架保護(hù)整定值與現(xiàn)行的IEC 62128-1—2013標(biāo)準(zhǔn)中最大允許接觸電壓（直流）-時間曲線匹配，各運(yùn)營部門應(yīng)適當(dāng)調(diào)整電壓型框架保護(hù)的整定曲線，保證在同一時刻，電壓型框架保護(hù)的整定值低于最大允許接觸電壓。在此基礎(chǔ)上，為使OVPD的I段整定值和電壓型框架保護(hù)匹配，可調(diào)低鋼軌電位限制保護(hù)I段整定延時。

表2 昆明地鐵OVPD和電壓型框架保護(hù)整定值

表3 成都地鐵2號線OVPD和電壓型框架保護(hù)整定值

圖2 昆明地鐵OVPD及電壓型框架保護(hù)整定曲線

圖3 成都地鐵2號線OVPD及電壓型框架保護(hù)整定曲線

4 鋼軌電位過高治理方案

除設(shè)置鋼軌電位限制裝置外，鋼軌電位過高問題的治理還可通過以下方案實(shí)現(xiàn)。

4.1 設(shè)置回流電纜、跨接電纜和均流電纜

以成都地鐵2號線為例，非道岔區(qū)鋼軌焊接為無縫鋼軌，道岔區(qū)采用短鋼軌，短鋼軌之間通過魚尾板連接，因此道岔區(qū)為牽引回流系統(tǒng)中阻抗較大的環(huán)節(jié)。對于魚尾板連接處，通過熱焊工藝跨接了兩條150 mm2電纜作為道岔鋼軌回流電纜，以降低魚尾板處產(chǎn)生的壓降，同時在整個道岔區(qū)焊接均流電纜和跨接電纜?？缃佑隰~尾板兩端的回流電纜如圖4所示，均流電纜和跨接電纜連接示意圖如圖5所示。通過該方案改進(jìn)后，成都地鐵2號線OVPD動作次數(shù)明顯減少。

圖4 魚尾板兩端回流電纜

圖5 道岔區(qū)加焊均流電纜和跨接電纜示意圖

4.2 合理設(shè)計(jì)牽引變電所間距

牽引變電所間距越大，牽引電流的回流路徑越長，回流路徑的阻抗越大。故牽引變電所間距越大，通過同樣牽引電流產(chǎn)生的鋼軌電位越大。因此，在設(shè)計(jì)階段選擇合適的牽引變電所間距可避免鋼軌電位過高。

4.3 基于助流器和回流線的牽引回流系統(tǒng)

文獻(xiàn)［19］提出了一種基于助流器（booster）和回流線（return circuit wire）牽引變電所的牽引回流系統(tǒng)以治理鋼軌電位過高和雜散電流的問題（如圖6所示）。圖6中，助流器由兩組并聯(lián)的LR回路和11個半導(dǎo)體開關(guān)器件構(gòu)成。該裝置由半導(dǎo)體開關(guān)器件控制，通過電感的續(xù)流功能促進(jìn)鋼軌電流流入回流線。仿真結(jié)果顯示，該裝置能同時降低雜散電流和鋼軌電位，但將提升地鐵牽引供電系統(tǒng)的建設(shè)和維護(hù)成本，并降低系統(tǒng)的可靠性。

圖6 基于助流器和回流線的牽引回流系統(tǒng)示意圖

治理鋼軌電位過高的方案還有采用通過回流軌進(jìn)行回流的四軌系統(tǒng)，通過行車優(yōu)化避免多輛列車同時在同一供電段取流等方式［16］。

5 結(jié)論

本文針對地鐵直流牽引供電系統(tǒng)鋼軌電位問題及其治理方案展開了討論，主要結(jié)論有：

（1）鋼軌電位限值的制定應(yīng)考慮人體電壓耐受能力和持續(xù)時間的關(guān)系。我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)在規(guī)定鋼軌電位限值時未考慮電壓持續(xù)時間，未來標(biāo)準(zhǔn)的修訂可參考IEC 62126-1等標(biāo)準(zhǔn)，配合持續(xù)時間制定鋼軌電位限值，以便對鋼軌電位過高的治理能起更有效的指導(dǎo)作用。

（2）鋼軌電位限制裝置能在鋼軌電位大于整定值時短接鋼軌和地網(wǎng)以降低鋼軌電位，但在實(shí)際應(yīng)用過程中存在鋼軌電位限制裝置動作頻繁，以及鋼軌電位限制裝置整定值、電壓型框架保護(hù)整定值、IEC62128-1—2013標(biāo)準(zhǔn)的最大允許接觸電壓（直流）-時間曲線不匹配的問題。建議地鐵運(yùn)營部門根據(jù)IEC62128-1—2013標(biāo)準(zhǔn)重新校核鋼軌電位限制裝置和電壓型框架保護(hù)的整定值，保證乘客和工作人員的人身安全，防止繼電保護(hù)裝置誤動作。

（3）治理鋼軌電位過高的方法主要有設(shè)置回流電纜、跨接電纜、均流電纜和合理設(shè)置牽引變電所間距等。但國內(nèi)已投運(yùn)的線路仍然存在鋼軌電位過高的問題，相關(guān)治理措施有待進(jìn)一步研究和優(yōu)化。

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Rail Over-voltage Protection in DC Traction Power Supply System Research and Solutions

GAO Shengfu，LIU Wei，ZHENG Jie，LIQunzhan，CHEN Jiyong

The principle and hazard of high rail potential is briefly elaborated，standards related to rail potential and the permissible effective touch voltage all over the world are introduced.Then，the matching relation among OVPD，the frame protection and permissible effective touch voltage is analyzed. The future solution and improvement of rail potential reduction are concluded.

DC power supply system；rail potential；overvoltage protection device（OVPD）

U223.8+2

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