鋼軌電位限制裝置操作過(guò)電壓抑制研究

李國(guó)玉，劉 煒，蘭慧峰，陳蘇南，樊國(guó)楨，許四喜

0 引言

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的直流側(cè)為懸浮不接地系統(tǒng)[1]，作為回流主導(dǎo)體的鋼軌對(duì)地絕緣。但目前國(guó)內(nèi)已開(kāi)通的地鐵線路多存在較嚴(yán)重的鋼軌電位問(wèn)題[2，3]。

為保障人身安全，一般在各個(gè)車(chē)站以及段場(chǎng)安裝有鋼軌電位限制裝置（OVPD，Over-Voltage Protection Device）。當(dāng)鋼軌電位達(dá)到Ⅰ、Ⅱ段動(dòng)作整定值后，鋼軌通過(guò) OVPD中直流接觸器直接接地，以鉗制鋼軌電位[4～6]。據(jù)某地鐵公司統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其全線OVPD曾在6 h的監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)動(dòng)作次數(shù)達(dá)349次，其中Ⅰ段動(dòng)作125次，Ⅱ段動(dòng)作224次，Ⅱ段動(dòng)作次數(shù)高于Ⅰ段動(dòng)作次數(shù)。甚至出現(xiàn)多次6站及以上車(chē)站OVPD同時(shí)動(dòng)作的情況。OVPD閉合時(shí)，極大地增加了注入地中的雜散電流。

針對(duì)OVPD分閘操作過(guò)電壓的問(wèn)題，文獻(xiàn)[7]認(rèn)為有必要給OVPD加入閉鎖裝置，若OVPD閉合后流過(guò)較大電流，則閉鎖 OVPD，防止 OVPD分閘產(chǎn)生的操作過(guò)電壓。文獻(xiàn)[8]提出該過(guò)電壓是由于 OVPD中直流接觸器分合閘改變了回流系統(tǒng)等值結(jié)構(gòu)和參數(shù)，造成高階振蕩電路的暫態(tài)過(guò)程，從而引起過(guò)電壓。文獻(xiàn)[9]針對(duì)合肥軌道交通車(chē)輛段、停車(chē)場(chǎng)出現(xiàn)的鋼軌電位異常升高現(xiàn)象進(jìn)行分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)前單向?qū)ㄑb置的設(shè)置會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛段鋼軌電位與雜散電流受正線運(yùn)行干擾，出現(xiàn)鋼軌電位與雜散電流異常升高的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致車(chē)輛段鋼軌電位限制裝置頻繁動(dòng)作。

本文以在某地鐵線路開(kāi)展的實(shí)際測(cè)試為基礎(chǔ)，分析 OVPD分閘操作過(guò)電壓對(duì)鋼軌電位的影響；建立回流仿真系統(tǒng)，研究鋼軌電位限制裝置分閘操作過(guò)電壓的抑制措施，并在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。

1 鋼軌電位限制裝置分閘操作過(guò)電壓實(shí)測(cè)

針對(duì)某地鐵線路鋼軌電位異常問(wèn)題，在連續(xù)典型牽引變電所和停車(chē)場(chǎng)內(nèi)的 OVPD裝置安裝電壓傳感器，使用NI采集裝置采樣，記錄全天各所鋼軌電位變化過(guò)程。

測(cè)試中，記錄到多次鋼軌電位過(guò)電壓沖擊過(guò)程。如8：52：34，某牽引變電所的鋼軌電位限制裝置分閘，產(chǎn)生了?198 V的操作過(guò)電壓，如圖1所示。分?jǐn)嚯娏鬟_(dá)到?155 A，產(chǎn)生了明顯的電弧過(guò)程且在電流過(guò)零時(shí)過(guò)電壓峰值達(dá)到?198 V，過(guò)電壓后導(dǎo)致該站 OVPD Ⅱ段動(dòng)作合閘。鋼軌過(guò)電壓的幅值與OVPD復(fù)歸時(shí)切斷電流的大小有關(guān)，持續(xù)時(shí)間達(dá)到200 ms左右。

圖1 復(fù)歸操作過(guò)電壓

2 操作過(guò)電壓及其抑制仿真研究

2.1 回流系統(tǒng)建模

城市軌道交通回流系統(tǒng)由鋼軌、雜散電流收集網(wǎng)和大地組成，可采用兩層模型或三層模型建模。本文仿真模型選取“鋼軌-大地”兩層回流結(jié)構(gòu)，建立城市軌道交通回流系統(tǒng)分布參數(shù)等效電路模型。項(xiàng)目組實(shí)測(cè)了該線路的3個(gè)相鄰牽引所同步負(fù)荷過(guò)程數(shù)據(jù)。為與實(shí)測(cè)情況對(duì)應(yīng)，模型中設(shè)置3個(gè)牽引變電所（A、B、C所）及1個(gè)停車(chē)場(chǎng)，采用雙邊供電方式，列車(chē)采用電流源模擬。模型中假設(shè)回流系統(tǒng)參數(shù)均勻分布，饋電線路阻抗忽略不計(jì)。簡(jiǎn)化后的回流系統(tǒng)等效電路模型如圖2所示。

圖2 回流系統(tǒng)建模示意圖

圖中：Rr為接觸網(wǎng)縱向電阻；R1、L1分別為鋼軌縱向電阻和鋼軌電感；Rt、C1分別為正線鋼軌對(duì)地過(guò)渡電阻和鋼軌對(duì)地電容；K1為停車(chē)場(chǎng)內(nèi)的OVPD接觸器。等值電路設(shè)定參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

由于直流牽引回流系統(tǒng)暫態(tài)模型中含有電阻、電感與電容等參數(shù)，結(jié)合實(shí)際情況，建立簡(jiǎn)化的回流系統(tǒng)暫態(tài)模型如圖3所示。

圖3 回流系統(tǒng)暫態(tài)模型

OVPD合閘時(shí)，電流經(jīng)OVPD由鋼軌流向大地；OVPD分閘瞬間，相當(dāng)于該閉合回路突然斷開(kāi)。通過(guò)理論分析，電感中的磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電容上的電場(chǎng)能，從而出現(xiàn)過(guò)電壓。

直流接觸器K閉合時(shí)回路中的電流為

電容C和電感L上的能量分別為

式中：WL和WC分別為電感L和電容C上的能量；I0為直流接觸器 K閉合時(shí)的電感電流；U0為直流接觸器K閉合時(shí)電容電壓。

在開(kāi)關(guān) K分開(kāi)瞬間，電感中的磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化為電容上的電場(chǎng)能量，則在電容 C兩端產(chǎn)生的過(guò)電壓與電感電容兩者之間的能量滿足以下關(guān)系：

在開(kāi)關(guān) K分開(kāi)瞬間，電感中的磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化為電容上的電場(chǎng)能量，電容作為開(kāi)關(guān) K動(dòng)作后吸收能量的裝置，因此其初始能量為0，即U0= 0，則有

式中：Zm為特征阻抗，Ω。

式（6）即為過(guò)電壓表達(dá)式，由此可知過(guò)電壓的大小與 OVPD分?jǐn)鄷r(shí)流過(guò)的電流以及回流系統(tǒng)的暫態(tài)參數(shù)L、C有關(guān)。

2.2 OVPD操作過(guò)電壓仿真及抑制

該地鐵線路08：52：34時(shí)刻A所、B所、C所的負(fù)荷過(guò)程如圖4所示。在仿真模型中設(shè)定：線路長(zhǎng)度為30 km，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)3個(gè)所的牽引網(wǎng)壓，根據(jù)負(fù)荷電流決定機(jī)車(chē)取流。此時(shí)，牽引變電所內(nèi)OVPD Ⅰ段分閘，等效為圖2中開(kāi)關(guān)K1分閘。K1分閘后，改變了回流系統(tǒng)等值電路結(jié)構(gòu)，電路發(fā)生振蕩，產(chǎn)生分閘過(guò)電壓。對(duì)牽引變電所內(nèi) OVPD分閘過(guò)程進(jìn)行暫態(tài)仿真如圖5所示?？梢钥闯觯^(guò)電壓幅值達(dá)200 V，持續(xù)時(shí)間數(shù)百毫秒，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果吻合。

圖4 08：52：34多所負(fù)荷過(guò)程

圖5 OVPD分閘操作過(guò)電壓

開(kāi)關(guān)設(shè)備的操作過(guò)電壓一般采用并聯(lián)電阻的方式抑制。但并聯(lián)電阻不能長(zhǎng)時(shí)間并聯(lián)在鋼軌電位限制裝置上，這會(huì)影響直流牽引供電系統(tǒng)鋼軌對(duì)地的過(guò)渡電阻。本文研究采用快速開(kāi)關(guān)投切并聯(lián)電阻方案抑制鋼軌電位限制裝置復(fù)歸時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓。通過(guò)多次仿真實(shí)驗(yàn)，并聯(lián)電阻取值1.5 Ω。

仿真加入并聯(lián)電阻對(duì)過(guò)電壓進(jìn)行抑制，當(dāng)OVPD電壓達(dá)到整定值，直流接觸器先觸發(fā)合閘，此后直流接觸器合位行程開(kāi)關(guān)觸發(fā)過(guò)電壓抑制回路合閘；OVPD分閘時(shí)，直流接觸器先觸發(fā)分閘，由并聯(lián)電阻吸收分閘時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓，由直流接觸器分位行程開(kāi)關(guān)觸發(fā)過(guò)電壓抑制回路分閘。在上述仿真條件下得到的 OVPD分閘操作過(guò)電壓如圖6所示，過(guò)電壓峰值為?99 V，該過(guò)電壓不會(huì)導(dǎo)致OVPD動(dòng)作。

圖6 A站鋼軌電位

3 操作過(guò)電壓抑制試驗(yàn)

3.1 OVPD操作過(guò)電壓抑制仿真試驗(yàn)

試驗(yàn)選取意大利MS公司生產(chǎn)的N1250接觸器，分別在無(wú)操作過(guò)電壓吸收回路和有操作過(guò)電壓吸收回路（并聯(lián)電阻）兩種條件下進(jìn)行試驗(yàn)，以對(duì)比操作過(guò)電壓吸收回路的效果。

無(wú)操作過(guò)電壓吸收回路試驗(yàn)電路如圖7所示。圖中：Us為試驗(yàn)電源；L為鋼軌模擬電感，取7.2 mH；R1為回路電阻，根據(jù)實(shí)際電流需求可調(diào)整；R2為模擬鋼軌對(duì)地過(guò)渡電阻，取15 Ω；C1為模擬鋼軌對(duì)地并聯(lián)電容；K1為直流接觸器。試驗(yàn)電壓為47 V，試驗(yàn)電流為145.5 A。

圖7 無(wú)操作過(guò)電壓吸收回路試驗(yàn)電路

在該電路中針對(duì)無(wú)操作過(guò)電壓吸收回路進(jìn)行10次分合閘試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)得的操作過(guò)電壓波形如圖8所示，其中9次過(guò)電壓均超過(guò)150 V。

圖8 無(wú)操作過(guò)電壓吸收回路試驗(yàn)波形

同樣試驗(yàn)條件下，加入操作過(guò)電壓吸收回路進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)選取1.5 Ω并聯(lián)電阻，通過(guò)快速斷路器進(jìn)行投切，試驗(yàn)電路如圖9所示。10次重復(fù)試驗(yàn)得到的操作過(guò)電壓波形如圖10所示。可以看出，有操作過(guò)電壓吸收回路試驗(yàn)中，過(guò)電壓峰值均低于150 V。兩次試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

圖9 有操作過(guò)電壓吸收回路試驗(yàn)電路

圖10 有操作過(guò)電壓吸收回路試驗(yàn)波形

表2 操作過(guò)電壓吸收回路試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

由表2可知，當(dāng)加入吸收回路后，燃弧時(shí)間延長(zhǎng)至28 ms左右，過(guò)電壓峰值下降至110 V左右，由公式τ=RC得，時(shí)間常數(shù)τ與電路電阻和電路電容的大小成正相關(guān)。吸收回路中增大了電阻，時(shí)間常數(shù)τ增大，導(dǎo)致燃弧時(shí)間延長(zhǎng)。當(dāng)OVPD分閘時(shí)，由并聯(lián)電阻吸收分閘時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓，OVPD操作過(guò)電壓顯著降低。

3.2 OVPD操作過(guò)電壓抑制現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

基于上述仿真試驗(yàn)結(jié)果，在某地鐵牽引變電所OVPD裝置內(nèi)加裝過(guò)電壓抑制電阻，配合快速斷路器進(jìn)行OVPD分閘試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 并聯(lián)電阻抑制過(guò)電壓試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果中，OVPD分閘時(shí)切斷電流在30 A左右，t1時(shí)刻即200 ms時(shí)OVPD分?jǐn)?，此時(shí)由于并聯(lián)電阻裝置的抑制作用，OVPD分閘操作過(guò)電壓為62.8 V；31 ms后，并聯(lián)電阻裝置在t2時(shí)刻切出，避免由于并聯(lián)電阻裝置的影響使鋼軌電流泄漏至大地。試驗(yàn)期間，OVPD分閘操作過(guò)電壓均低于100 V，證明了該方法的有效性。該線路其他車(chē)站和段場(chǎng)后續(xù)均采用該方法改造了 OVPD裝置，有效抑制了直流接觸器截?cái)嚯娏鳟a(chǎn)生的鋼軌過(guò)電壓。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)鋼軌電位限制裝置 OVPD操作過(guò)電壓對(duì)鋼軌電位的影響，根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果搭建了鋼軌電位限制裝置操作過(guò)電壓仿真模型，得出了 OVPDⅠ段動(dòng)作后的復(fù)歸過(guò)程產(chǎn)生操作過(guò)電壓反復(fù)沖擊正線鋼軌，導(dǎo)致正線成片車(chē)站的 OVPD Ⅱ段動(dòng)作的結(jié)論，OVPD裝置應(yīng)考慮自身抑制操作過(guò)電壓措施。進(jìn)一步提出了使用并聯(lián)電阻抑制的方法，并進(jìn)行了仿真試驗(yàn)及對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，并聯(lián)電阻后，OVPD操作過(guò)電壓顯著降低，該過(guò)電壓不會(huì)引起OVPD動(dòng)作，通過(guò)并聯(lián)電阻抑制OVPD操作過(guò)電壓的方法有效。