軌道交通隧道內(nèi)牽引網(wǎng)感應(yīng)電壓研究

周 丹，何治新，艾曉宇，李鯤鵬, ，曹曉斌

（1. 廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣州 510010；2. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 611756）

軌道交通牽引供電系統(tǒng)可分為工頻單相交流制、低頻單相交流制與直流制[1]。目前我國(guó)城市軌道交通采用直流制供電，列車(chē)行駛速度較慢，還會(huì)帶來(lái)雜散電流腐蝕等問(wèn)題[2-3]。隨著城市范圍的擴(kuò)展與市域(郊)鐵路的發(fā)展，我國(guó)新建了一些采用工頻單相交流供電的線路，該供電方式可以提升列車(chē)的運(yùn)行速度和運(yùn)輸能力，在一定程度上解決大城市與周邊衛(wèi)星城的交通問(wèn)題[4]。

牽引網(wǎng)之間由于交流電的電磁耦合作用，運(yùn)行線路可以在停電檢修線路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。應(yīng)急情況下隧道段有可能采用單側(cè)停電搶修，如果感應(yīng)電壓過(guò)高，將有可能對(duì)檢修人員造成安全威脅。李群湛等[5-6]研究了新型城市軌道交通交流牽引供電系統(tǒng)；楊罡等[7]、雷棟等[8]通過(guò)建立軌道的分布參數(shù)模型，研究了軌道電位分布；岳新華[9]研究了地鐵交流供電系統(tǒng)鋼軌電位的分布規(guī)律；曹曉斌等[10]研究了鐵路站場(chǎng)牽引回流系統(tǒng)及電磁感應(yīng)的問(wèn)題。

但地鐵線路以隧道為主，只有車(chē)輛段和進(jìn)出車(chē)輛段的部分線路位于地面以上，其電磁感應(yīng)方式有別于高鐵。本文以廣州地鐵22號(hào)線設(shè)計(jì)資料為依據(jù)，通過(guò)仿真計(jì)算隧道段一側(cè)牽引網(wǎng)停電檢修，另一側(cè)線路正常運(yùn)行時(shí)，檢修線路的感應(yīng)電壓及影響因素，為停電檢修的安全措施提供參考意見(jiàn)。

1 交流軌道交通線路的仿真建模

1.1 隧道部分的仿真模型

帶回流線的直接供電方式是目前應(yīng)用最為廣泛的一種交流供電制式，本次研究的廣州地鐵22號(hào)線采用該直接供電方式。22號(hào)線全長(zhǎng)30.8 km，均為地下線；其區(qū)間隧道采用盾構(gòu)結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)區(qū)間均為單線隧洞，只在車(chē)站、出入線等個(gè)別位置存在相鄰線路，最小線間距為5.1 km，通常情況下兩條隧道的間距為12～16 m左右。隧道的外徑Φ=8 500 mm，內(nèi)徑Φ=7 700 mm，隧道壁厚度為400 mm。

隧道內(nèi)的接觸網(wǎng)采用了剛性旋轉(zhuǎn)腕臂懸掛方式，回流線設(shè)置在腕臂吊柱的對(duì)側(cè)，通過(guò)絕緣子固定在隧道壁上。安裝的回流線型號(hào)為 JT150，計(jì)算其截面積為147.12 mm2，回流線在軌面5 800 mm以上。各導(dǎo)線的安裝位置如圖1所示。

圖1 隧道接觸網(wǎng)各導(dǎo)線位置Figure 1 Position of each overhead catenary wire in tunnel

仿真模型中回流線的相對(duì)電阻率為 1，相對(duì)磁導(dǎo)率為1，半徑為0.02 m，埋深8 m，位于隧道內(nèi)接觸網(wǎng)側(cè)上方，二者之間的間距2 m。

接觸網(wǎng)載流部件：由CTA150型接觸線和HL2213匯流排組成，其相對(duì)電阻率為1，相對(duì)磁導(dǎo)率為1，半徑為0.07 m，埋深8.7 m，位于隧道內(nèi)，如圖2所示。

圖2 接觸網(wǎng)載流部件Figure 2 Current-carrying components of catenary

鋼軌采用60型標(biāo)準(zhǔn)鋼軌，其截面面積為77.45 cm2，縱向電阻為 0.04 Ω/km。對(duì)地過(guò)渡電阻按照新建線路取標(biāo)準(zhǔn)過(guò)渡電阻15 Ω·km，在模型中采用厚度0.01 m、電阻率為500 000 Ω·m的涂層實(shí)現(xiàn)[11]。

排流網(wǎng)參數(shù)：根據(jù)實(shí)測(cè)，單根鋼筋相對(duì)磁導(dǎo)率為249.1，相對(duì)電阻率為4。鋼筋的直徑為0.008 m，縱向6根，間距0.15 m，橫向15根均勻排列，埋深13.1 m。

圖3為地鐵隧道的仿真模型，內(nèi)部土壤電阻率按空氣設(shè)置。

圖3 隧道仿真模型Figure 3 Simulation model of tunnel

在CDEGS的HIFREQ模塊中，由于無(wú)法設(shè)計(jì)復(fù)雜的土壤結(jié)構(gòu)，本文中將土壤等效為水平3層，如圖4所示。上層土壤電阻率為32 Ω·m，中層按空氣設(shè)置為1018Ω·m，下層按勘測(cè)資料設(shè)為 1 000 Ω·m。

圖4 牽引網(wǎng)電磁感應(yīng)仿真模型Figure 4 Electromagnetic induction simulation model of traction network

1.2 地鐵隧道外區(qū)間的仿真模型

隧道外的牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)由鋼軌、回流線、接觸網(wǎng)與供電線組成，牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)布置示意圖如圖5所示。

圖5 隧道外牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)Figure 5 Structure of traction network outside the tunnel

本文根據(jù)實(shí)際線路參數(shù)，采用CTA150接觸線，JTMH95承力索與60 kg/m規(guī)格的鋼軌。土壤類型選擇均勻土壤，土壤的電阻率為100 Ω·m，鋼軌與大地間過(guò)渡電阻取15 Ω·km。隧道外的牽引網(wǎng)具體參數(shù)如表1所示。

表1 牽引網(wǎng)的線路參數(shù)Table 1 Parameters of traction network

2 隧道內(nèi)上下行感應(yīng)電壓仿真計(jì)算

本部分主要仿真一條隧道運(yùn)行正常，另一條隧道停電檢修時(shí)，隧道內(nèi)接觸網(wǎng)上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。如圖4所示，左側(cè)的線路停電檢修，右側(cè)的線路正常運(yùn)行。

2.1 單端接地感應(yīng)電壓分布

當(dāng)上行線路有負(fù)載，下行線路檢修接地時(shí)，激勵(lì)電流源設(shè)置為800 A，可得仿真結(jié)果如圖6所示。其中接觸線的長(zhǎng)度為15 km(圖6中-7500～7500 m)。接地線位置位于右側(cè)，即橫坐標(biāo)7 500 m處。

圖6 單端接地感應(yīng)電壓分布Figure 6 Distribution of induced voltage for single-ended grounding

由圖6(a)可知，接觸網(wǎng)的感應(yīng)電壓呈兩側(cè)高、中間低的趨勢(shì)，最高感應(yīng)電壓為185 V。由圖6(b)可知，鋼軌同樣呈兩側(cè)高、中間低的趨勢(shì)，但由于鋼軌全線接地，因此鋼軌具有明顯的對(duì)稱性，最高感應(yīng)電壓為122 V。造成該現(xiàn)象的原因是：運(yùn)行線路上的牽引電流通過(guò)鋼軌回流到變電所的過(guò)程中，由于走行軌對(duì)地不絕緣，因此會(huì)造成牽引電流從-7 500 m～0 m這半個(gè)區(qū)間內(nèi)是從鋼軌泄漏到大地，而從0～7 500 m這半個(gè)區(qū)間是從大地流回鋼軌。泄漏電流造成鋼軌兩端的大地電位抬升，而0電位出現(xiàn)在區(qū)間的中部。

由于在右側(cè)將鋼軌與接觸線短接時(shí)，檢修時(shí)，隧道內(nèi)的大地電位與鋼軌和回流線的電位基本相等。因此人體實(shí)際承受的感應(yīng)電壓如圖7所示。

圖7 人體實(shí)際承受感應(yīng)電壓分布Figure 7 Actual voltage distribution of human body

從圖7中可以看出，當(dāng)長(zhǎng)度大于7 000 m時(shí)，二者電壓差最大值達(dá)到了91.6 V，超過(guò)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的交流電情況下50 V安全電壓值[12-13]。

2.2 雙端接地感應(yīng)電壓分布

同樣將激勵(lì)電流源設(shè)置為800 A，除接觸網(wǎng)右側(cè)7 500 m處安裝接地線外，在左側(cè) -7 500 m處再增加一根接地線，即將接觸網(wǎng)首末雙端接地，仿真得到的電位分布結(jié)果如圖8所示。

圖8 雙端接地感應(yīng)電壓分布Figure 8 Distribution of induced voltage for two-end grounding

由圖9可知，當(dāng)接觸網(wǎng)采用雙端接地方式時(shí)，人體實(shí)際承受的電壓呈M形狀分布，兩端與中間低，最大值遠(yuǎn)小于50 V，僅為0.4 V。由此可見(jiàn)，雙端接地模式可以極大地減小接觸網(wǎng)上的人體實(shí)際承受電壓。造成該現(xiàn)象的主要原因是：當(dāng)接觸網(wǎng)采用雙端接地方式時(shí)，接觸網(wǎng)與鋼軌可以形成一個(gè)閉合的線圈，此時(shí)最大的電壓差為感應(yīng)電流在該閉合回路上形成的最大電壓差。在考慮到工人在接觸網(wǎng)上作業(yè)時(shí)，有可能會(huì)斷開(kāi)接觸網(wǎng)上的電連接，造成該閉合線圈開(kāi)路，即此時(shí)斷口上的電壓相當(dāng)于單側(cè)接地的最大人體承受電壓，因此下文中主要考慮接觸網(wǎng)單端接地。

圖9 人體實(shí)際接觸電壓分布Figure 9 Actual contact voltage distribution of the contact network

3 感應(yīng)電壓的影響因素研究

3.1 隧道間距對(duì)感應(yīng)電壓的影響

為了研究隧道間距對(duì)感應(yīng)電壓的影響，保持上述仿真參數(shù)不變，設(shè)置牽引電流為800 A，改變接觸線間距為8、10、12、14、16 m。仿真得到檢修線路上接觸網(wǎng)的感應(yīng)電壓如表2所示。

表2 不同隧道間距下的接觸線感應(yīng)電壓Table 2 Contact line induced voltage at different tunnel spacing

從仿真結(jié)果來(lái)看，在牽引電流不變的情況下，檢修線路接觸網(wǎng)上的感應(yīng)電壓基本不會(huì)受到隧道間距的影響，上表中兩條線路的間距從8 m增加到16 m時(shí)，檢修線路上的感應(yīng)電壓基本一致。

3.2 牽引電流對(duì)感應(yīng)電壓的影響研究

在單端接地的仿真模型中，設(shè)置運(yùn)行線路的牽引電流為200、400、600、800、1 000 A，可得感應(yīng)電壓與牽引電流的關(guān)系如表3所示。由表3可知，隨著牽引網(wǎng)激勵(lì)源電流的增大，對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓也會(huì)明顯上升，當(dāng)牽引電流為400 A時(shí)，其感應(yīng)電壓已超過(guò)安全電壓50 V的要求。

表3 感應(yīng)電壓與牽引電流的關(guān)系Table 3 Relationship between induced voltage and traction current

3.3 隧道對(duì)感應(yīng)電壓的影響

根據(jù)仿真模型圖5，本文中仿真計(jì)算了非隧道段接觸網(wǎng)上的感應(yīng)電壓，得到當(dāng)一條線路有牽引負(fù)荷時(shí)，檢修線路單端接地情況下的最大感應(yīng)電壓如表4所示。

表4 地面段牽引電流與感應(yīng)電壓的關(guān)系Table 4 Relationship between traction current and induced voltage in ground segment

圖10為隧道內(nèi)與地面段區(qū)間單邊停電檢修時(shí)，在牽引所側(cè)接地，負(fù)荷集中在供電區(qū)間末端時(shí)的感應(yīng)電壓分布情況。

圖10 感應(yīng)電壓隨電流的變化Figure 10 Variation of induced voltage with current

從圖中可以看出，兩種情況下，感應(yīng)電壓均隨牽引電流增大而呈線性增長(zhǎng)，二者的比例關(guān)系如表5所示。

表5 隧道段與地面段感應(yīng)電壓比例Table 5 Proportion of inductive voltage between tunnel segment and ground segment

4 隧道段單側(cè)停電檢修安全措施研究

4.1 牽引電流的工況選取

根據(jù)該線路的規(guī)劃，該線路單個(gè)列車(chē)的負(fù)荷曲線為如圖11所示。

圖11 牽引電網(wǎng)電流、電機(jī)電流、效率對(duì)速度曲線Figure 11 Traction grid current, motor current, efficiency versus speed curve

根據(jù)圖11給出的單個(gè)列車(chē)的運(yùn)行速度曲線及其規(guī)劃，近期正常情況下每個(gè)供電臂運(yùn)行列車(chē)8對(duì)，仿真得到牽引變電站平均負(fù)荷電流為335.5 A，在高峰時(shí)段運(yùn)行列車(chē) 15對(duì)時(shí)，牽引變電站平均負(fù)荷電流為564.3 A，遠(yuǎn)期規(guī)劃高峰時(shí)間段運(yùn)行列車(chē)24對(duì)，仿真得到平均負(fù)荷電流為627.1 A。發(fā)生短路故障時(shí)，仿真得到短路穩(wěn)態(tài)電流有效值為7 000 A。

4.2 不同工況下實(shí)際可觸及感應(yīng)電壓差

在實(shí)際的檢修作業(yè)中，只有鋼軌與接觸網(wǎng)之間的電壓才為實(shí)際的可觸及感應(yīng)電壓差。根據(jù)不同的工況，得到隧道內(nèi)實(shí)際可觸及感應(yīng)電壓差如表6所示。

表6 不同工況的可觸及感應(yīng)電壓Table 6 Touchable induced voltage under different working conditions V

從表中可以得出，當(dāng)采用接觸網(wǎng)單端接地時(shí)，僅在近期正常工況下，其可觸及感應(yīng)電壓才能滿足安全要求，而雙端接地情況下，即使發(fā)生了對(duì)地短路故障的最嚴(yán)重工況，其可觸及感應(yīng)電壓也能滿足安全要求。因此建議在隧道段，供電臂首末端均需要將接觸網(wǎng)接地。

5 結(jié)論

本文針對(duì)單相交流供電制式的軌道交通，研究了接觸網(wǎng)的感應(yīng)電壓及其影響因素，得到主要結(jié)論如下：

1) 接觸網(wǎng)與鋼軌的感應(yīng)電壓均呈兩側(cè)高、中間低的趨勢(shì)。但實(shí)際威脅人身安全的主要是接觸網(wǎng)與鋼軌及回流線的電壓差，當(dāng)采用單端接地方式，牽引電流為800 A時(shí)，其感應(yīng)電壓可達(dá)185 V以上，但其與鋼軌及回流線的電壓差僅為91.6 V。

2) 接觸網(wǎng)與鋼軌的感應(yīng)電壓差受接地方式的影響極大。在800 A牽引電流作用下，采用單端接地時(shí)，電壓差僅為 91.6 V，采用雙端接地時(shí)該電壓差僅為0.63 V。造成該現(xiàn)象的原因是：采用雙端接地時(shí)，接觸網(wǎng)與鋼軌形成閉合的線圈回路，相當(dāng)于短路?？紤]到作業(yè)時(shí)有可能斷開(kāi)接觸網(wǎng)上的電聯(lián)接線，造成接觸網(wǎng)開(kāi)路，因此提出安全作業(yè)時(shí)需要按單端接地方式考慮。

3) 研究了廣州地鐵22號(hào)線不同的實(shí)際工況對(duì)可觸及感應(yīng)電壓差的影響。當(dāng)采用接觸網(wǎng)采用單端接地時(shí)，僅在近期早高峰時(shí)，其可觸及感應(yīng)電壓將達(dá)到65.5 V，發(fā)生故障短路時(shí)可超過(guò)800 V，嚴(yán)重影響檢修人員的人身安全，因此建議隧道段，供電臂首末端均需要將接觸網(wǎng)接地。