城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)殘壓問題研究

王小飛

重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司，重慶 401120

0 引言

1 500 V直流電源是我國常用的城市軌道交通牽引電源系統(tǒng)，但是在接觸網(wǎng)運(yùn)行過程中，當(dāng)各方來電被隔離時(shí)，若驗(yàn)電器依然顯示接觸網(wǎng)有電荷現(xiàn)象，表示接觸網(wǎng)存在殘余電壓[1]。由于對殘壓產(chǎn)生的原因尚無明確的答案，針對接觸網(wǎng)殘壓問題，各地只能采取不同的措施減輕其造成的影響[2-3]。例如，為避免接觸網(wǎng)不能供電，在直流開關(guān)柜線路測試時(shí)臨時(shí)調(diào)整殘壓檢測定值。現(xiàn)場檢測接觸網(wǎng)殘壓能有效地區(qū)分正常電壓和殘壓，放線和掛接地線可以減少殘壓對檢修的影響。因此，只有從根本上解決接觸網(wǎng)的殘壓問題，才能為軌道交通的順利運(yùn)行提供一定的保障。文章在此基礎(chǔ)上對殘壓問題進(jìn)行相應(yīng)的分析。

1 接觸網(wǎng)殘壓現(xiàn)象

某軌道交通供電系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來，接觸網(wǎng)的檢測殘余電壓范圍在70～700 V，每年會(huì)發(fā)生數(shù)十次殘壓事故，構(gòu)成了重大安全隱患。接觸網(wǎng)殘壓的主要影響如下。

第一，通過對接觸網(wǎng)的直流饋線開關(guān)柜進(jìn)行開關(guān)線試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)接觸網(wǎng)的殘壓達(dá)到300 V，送電時(shí)，如果接觸網(wǎng)的殘壓超過了300 V，試驗(yàn)失敗，開關(guān)柜就無法合閘，導(dǎo)致接觸網(wǎng)無法供電，直接影響行車。

第二，在維護(hù)過程中，如果接觸網(wǎng)絡(luò)中的剩余電壓超過了驗(yàn)電器的報(bào)警啟動(dòng)電壓，按照安全操作規(guī)程切斷電源，為避免對生產(chǎn)和維護(hù)造成影響，則不允許開展接掛地線的相關(guān)作業(yè)。

第三，在維護(hù)過程中，如果接觸網(wǎng)的殘余電壓低于驗(yàn)電器的報(bào)警啟動(dòng)電壓，驗(yàn)電器將顯示接觸網(wǎng)無電，當(dāng)接觸網(wǎng)處于掛地線時(shí)，設(shè)備會(huì)因打火問題而燒毀。

2 接觸網(wǎng)系統(tǒng)對地絕緣電阻分布

當(dāng)設(shè)備處于潮濕的環(huán)境中時(shí)，絕緣強(qiáng)度將降低。由于綁扎電纜之間容易積水，電阻值下降最多[4-6]。

將軌道交通1號(hào)線的1D3與1A1線的接觸網(wǎng)分開。用2個(gè)平行排列的絕緣體n1=312個(gè)絕緣子和n2=210個(gè)絕緣子構(gòu)成的對地絕緣電阻分布如圖1所示。

圖1 1D3和1A1區(qū)域接觸網(wǎng)電阻分布示意圖

相對于鋼軌對地電阻與接觸網(wǎng)線路電阻，接觸網(wǎng)絕緣子絕緣電阻、分段絕緣器比差極大，接觸網(wǎng)各絕緣子為并聯(lián)關(guān)系，對地電阻關(guān)系可進(jìn)行簡化，如圖2所示。

圖2 1D3和1A1分區(qū)接觸網(wǎng)對地電阻等效圖

對圖2中的接觸網(wǎng)接地電阻等效情況進(jìn)行分析后，假設(shè)對車輛段一側(cè)進(jìn)行供電并對正線一側(cè)進(jìn)行斷電的情況下，串聯(lián)后根據(jù)電阻分壓原理將RA、RB、RC并聯(lián)運(yùn)行。如果存儲(chǔ)中的電壓為1 500 V，則正極接觸網(wǎng)中的電壓為1 500 V。

2.1 絕緣電阻與電壓之間的關(guān)系

（1）接觸網(wǎng)單絕緣的絕緣性能測試。要掌握接觸網(wǎng)與地面的絕緣電阻，首先要了解絕緣元件的絕緣電阻，不同情況下接觸網(wǎng)絕緣部件絕緣性能測試如表1所示。因此，檢測不同環(huán)境下絕緣子的絕緣性能是文章研究的基礎(chǔ)。

表1 不同情況下接觸網(wǎng)絕緣部件的絕緣性能

分隔型1D3和1A1接觸網(wǎng)由分段絕緣器斷開，分段絕緣器兩端的電導(dǎo)體用1 500 V電纜平行連接。

（2）接觸網(wǎng)系統(tǒng)絕緣電阻推算。假設(shè)每個(gè)單獨(dú)的絕緣元件具有相同的絕緣電阻，并且將1D3和1A1分區(qū)中并聯(lián)的絕緣元件的數(shù)量組合在一起，可以得出以下結(jié)論：第一，

在1A1和1D3之間的絕緣電阻包括隔板本身和平行電纜的絕緣電阻，范圍為10.9×103～763.9×106kΩ；1D3分區(qū)對地絕緣電阻值RC為10.2×103～8.0×106kΩ。第二，1A1分區(qū)對地絕緣電阻值RB為13.0×103～10.0×106kΩ。第三，1A1與1D3分區(qū)間絕緣電阻包含分段絕緣器自身絕緣電阻與并聯(lián)電纜的絕緣電阻，其值為10.2×103～8.0×106kΩ。

（3）接觸網(wǎng)絕緣電阻測量?；趩渭囼?yàn)結(jié)果，研究接觸網(wǎng)系統(tǒng)的整體絕緣性能，測量方法如圖3所示，測量結(jié)果如表2所示。

圖3 1D3和1A1面積接觸網(wǎng)絕緣電阻的測量方法

表2 1D3和1A1區(qū)域接觸網(wǎng)絕緣電阻測量值

測試結(jié)果證明，第一，當(dāng)正弦電壓為1 500 V時(shí)，接觸網(wǎng)絡(luò)壓強(qiáng)低于10 V，與電阻有關(guān)，雖然沒有消除殘余電壓，但由于其絕緣電阻較低，使車體部分殘余電壓不明顯，其絕緣電阻分別是汽車區(qū)段的149.1倍和正接觸網(wǎng)絡(luò)的17.1倍；第二，盡管有殘留電壓，但整個(gè)接觸網(wǎng)的絕緣電阻都能滿足直流系統(tǒng)的絕緣要求。

（4）絕緣電阻與電壓分布仿真分析?；诒?數(shù)據(jù)可得以下結(jié)論：第一，模擬試驗(yàn)測得的殘余電壓范圍為10.0～815.9 V，驗(yàn)證結(jié)果與軌道交通所測得的殘余電壓基本吻合；第二，接觸網(wǎng)殘余電壓力的計(jì)算公式為1 500 V，由此可以看出，其大小由接觸網(wǎng)絕緣電阻之間的比例關(guān)系確定。1D3、1A1分區(qū)接觸網(wǎng)電壓分布仿真如圖4所示。

圖4 1D3、1A1分區(qū)接觸網(wǎng)電壓分布仿真

2.2 實(shí)物模擬驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證分析結(jié)果，根據(jù)圖3的內(nèi)容，在接觸網(wǎng)上建立了分段絕緣體和絕緣子環(huán)，并進(jìn)行了定性模擬的驗(yàn)證，1D3、1A1分區(qū)接觸網(wǎng)電壓分布仿真數(shù)據(jù)如表3所示。將絕緣體A與絕緣體B的上部連接在一起，在絕緣體A的兩端施加1 500 V電壓，并將水噴射到分段絕緣體上以檢測絕緣體B的電壓值。

表3 1D3、1A1分區(qū)接觸網(wǎng)電壓分布仿真數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語

總而言之，通過實(shí)際測試、模擬分析和模擬驗(yàn)證已充分證明，當(dāng)一個(gè)獨(dú)立的絕緣體連接一個(gè)接觸網(wǎng)時(shí)，接觸網(wǎng)的剩余電壓依賴于該系統(tǒng)絕緣電阻的分壓比。在為接觸網(wǎng)供電時(shí)，由于環(huán)境的變化，不可避免地會(huì)產(chǎn)生殘余電壓，但可采取有效措施，通過降低接觸網(wǎng)的殘余電壓來降低其對電網(wǎng)的不良影響。