城市軌道交通鋼軌電位異常問題研究

許四喜，李國玉，王凱建，劉 煒

0 引言

城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)直流側(cè)為懸浮不接地系統(tǒng)，作為回流主導(dǎo)體的鋼軌對地絕緣。但目前國內(nèi)已開通的地鐵線路多存在較嚴(yán)重的鋼軌電位問題。

據(jù)某地鐵公司統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其全線鋼軌電位限制器（OVPD）曾在6 h的監(jiān)測時間內(nèi)動作次數(shù)達(dá)349次，其中Ⅰ段動作125次，Ⅱ段動作224次，Ⅱ段動作總數(shù)高于Ⅰ段，甚至出現(xiàn)多次6站及以上車站鋼軌電位限制器同時動作的情況。鋼軌電位和雜散電流問題不僅存在于正線，線路正常運營時，車輛段和停車場（下文簡稱段場）內(nèi)無列車行駛，但段場內(nèi)的OVPD依然動作頻繁。OVPD閉合時，極大地增加注入地中的雜散電流。

為盡量減少雜散電流并縮小雜散電流影響范圍，軌道上設(shè)置絕緣接頭，將正線軌道與段場軌道隔離。文獻(xiàn)[1]通過建立OVPD和段場等效電路通用模型，提出計及回流設(shè)備行為過程的直流牽引供電計算方法，并以某地鐵工程為例分析正線與段場之間的相互影響，段場單向?qū)ㄑb置的設(shè)置無法避免正線與段場間的相互影響，段場鋼軌直接接地更易惡化正線鋼軌電位問題，因此提出了鋼軌正線與段場鋼軌電位的影響機理。單向?qū)ㄑb置導(dǎo)通，鋼軌能夠正常回流[2-3]。但是實際運營過程中，即使段場沒有列車通過，單導(dǎo)仍會導(dǎo)通，段場鋼軌與正線鋼軌實現(xiàn)電氣連接。文獻(xiàn)[4]通過對一行鋼軌的單導(dǎo)電流與鋼軌電位進(jìn)行測試，結(jié)果顯示，單導(dǎo)正向?qū)〞r能夠為正線的雜散電流提供路徑，反向?qū)〞r可將正線的牽引回流引入段場，從而給段場帶來鋼軌電位和雜散電流問題。文獻(xiàn)[5-6]通過測試研究了正線電流入侵和流出段場的現(xiàn)象，嚴(yán)重時雜散電流達(dá)到800 A左右，車輛段、停車場產(chǎn)生的雜散電流較為嚴(yán)重，對雜散電流的防護產(chǎn)生不利影響。針對該現(xiàn)象，文獻(xiàn)[7]通過實測和仿真研究了單向?qū)ㄑb置的反向?qū)C理，認(rèn)為晶閘管兩端電壓達(dá)到8 V左右時，單向?qū)ㄑb置會反向?qū)ǎ€電流會入侵段場，抬升正線的軌電位，但是該結(jié)論并未得到實測數(shù)據(jù)的有力支撐。文獻(xiàn)[8]對流經(jīng)車輛段單導(dǎo)的電流、軌地電位、土壤電位梯度等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場測試，重點從鋼軌電位的角度分析了車輛段雜散電流產(chǎn)生的原因和分布規(guī)律，設(shè)計了車輛段雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)。文獻(xiàn)[9]搭建了城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)仿真模型，分析了單導(dǎo)對城市軌道交通雜散電流防護的不利影響，但仿真模型中并未考慮上、下行聯(lián)絡(luò)線，忽略了兩行單導(dǎo)的相互影響。文獻(xiàn)[10]針對合肥軌道交通線路車輛段、停車場出現(xiàn)的鋼軌電位異常升高現(xiàn)象進(jìn)行分析和現(xiàn)場實測，測試結(jié)果表明，當(dāng)前單向?qū)ㄑb置的設(shè)置會導(dǎo)致段場鋼軌電位與雜散電流受正線運行干擾，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)致段場鋼軌電位限制裝置頻繁動作。

本文以在某地鐵停車場及正線部分開展的實測為基礎(chǔ)，對停車場咽喉區(qū)上下行單導(dǎo)電壓、電流進(jìn)行測量，同時對停車場附近正線3個車站同步測量饋線電流、鋼軌電位以及OVPD電流；分析單向?qū)ㄑb置中二極管環(huán)節(jié)對段場的影響，建立綜合考慮正線與段場的回流仿真系統(tǒng)，研究鋼軌電位的傳播機制。

1 測試方案

為分析咽喉區(qū)單向?qū)ㄑb置對段場及正線鋼軌電位的影響，在某地鐵停車場以及正線進(jìn)行試驗，根據(jù)試驗結(jié)果進(jìn)行分析。試驗檢測內(nèi)容如表1所示。

表1 試驗檢測內(nèi)容

選取線路正常運營時間段進(jìn)行測試。在停車場附近區(qū)間內(nèi)選取3個車站對OVPD接地支路電流、饋線電流以及鋼軌電位進(jìn)行同步測試。測試原理如圖1所示。段場咽喉區(qū)單向?qū)ㄑb置測試原理及參考方向如圖2所示。

圖1 車站測試示意圖

圖2 段場咽喉區(qū)單向?qū)ㄑb置測試原理

單向?qū)ㄑb置電流、鋼軌電位限制裝置電流以及饋線電流使用多個霍爾電流傳感器進(jìn)行測量。開環(huán)霍爾電流傳感器套在單向?qū)ㄑb置、OVPD以及饋線對應(yīng)直流電纜上；用數(shù)據(jù)線將傳感器連接至數(shù)據(jù)采集機箱，并將數(shù)據(jù)采集機箱連接至電腦并布置在絕緣板上。

鋼軌電位信息通過DVL2000電壓傳感器同步測量，將電壓傳感器的兩線夾分別夾至OVPD的負(fù)母排和地母排，可測得鋼軌電位。

同一個車站內(nèi)多個信號采用NI設(shè)備進(jìn)行同步采集測量，不同車站間多個信號所內(nèi)采用網(wǎng)絡(luò)對時進(jìn)行同步，保證停車場和3個車站的電壓、電流信號同步監(jiān)測。監(jiān)測時間不小于24 h。

2 測試結(jié)果分析

2.1 單向?qū)ㄑb置工作狀態(tài)

通過同步檢測某地鐵停車場咽喉區(qū)單向?qū)ㄑb置的對地電壓、正線側(cè)對庫內(nèi)側(cè)的電壓差以及單向?qū)ㄑb置流過電流，從而判斷單向?qū)ㄑb置在全天的工作狀態(tài)。統(tǒng)計結(jié)果如表2所示，單向?qū)ㄑb置的上下行二極管同時導(dǎo)通了2 742次，全天導(dǎo)通的時間占比達(dá)到79.66%；其余時間上行二極管和晶閘管均不導(dǎo)通。

表2 單向?qū)ㄑb置工作情況統(tǒng)計

停車場咽喉區(qū)單向?qū)ㄑb置晶閘管以光電信號和電壓信號作為觸發(fā)信號。測試期間，單向?qū)ㄑb置晶閘管支路始終未導(dǎo)通，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)推測原因是由于電壓未達(dá)到觸發(fā)電壓或無車通過。

由于單向?qū)ㄑb置導(dǎo)通時的電壓電流情況類似，故選取8：37：37和8：52：00兩個動作時刻進(jìn)行單向?qū)ㄑb置對段場與正線鋼軌電位的影響分析。

2.2 單導(dǎo)對段場與正線鋼軌電位的影響測試分析

本次段場試驗同步檢測到該停車場OVPD在測試期間于8：37：37發(fā)生Ⅰ段動作，此時咽喉區(qū)單向?qū)ㄑb置位置正線對地電壓、單導(dǎo)裝置二極管支路電壓以及單導(dǎo)電流如圖3所示。結(jié)合實際情況得到停車場OVPD動作情況如表3所示。

表3 停車場庫內(nèi)OVPD動作順序

在停車場庫內(nèi)OVPD動作前，監(jiān)測到C站的負(fù)荷波形如圖4、圖5所示，此時C站的整流機組關(guān)斷，回流路徑如圖6所示。此時上行有一列車正在由B站至C站運行且處于制動工況。

圖4 C站饋線電流

圖5 C站鋼軌電位與單導(dǎo)正線側(cè)對地電位

圖6 OVPD動作前回流路徑

當(dāng)有列車再生制動時，導(dǎo)致列車所在位置處的鋼軌電位為負(fù)，同時拉低A站和B站的鋼軌電位，致使停車場單向?qū)ㄑb置的二極管支路導(dǎo)通，使得停車場鋼軌電位接近A站鋼軌電位。

8：37：37，停車場正線側(cè)鋼軌電位達(dá)到-60 V，單向?qū)ㄑb置二極管支路導(dǎo)通，導(dǎo)致停車場庫內(nèi)OVPD動作，鉗制正線鋼軌電位至0附近，大量電流經(jīng)二極管回路流回正線。

8：37：42，OVPD實現(xiàn)復(fù)歸，正線鋼軌電位又為負(fù)，但是此時OVPD斷開，二極管雖然導(dǎo)通，但是流向正線的電流很小，幾乎為0。

此外，停車場OVPD在測試期間于8：52：28發(fā)生Ⅰ段動作，同步測得的咽喉區(qū)單向?qū)ㄑb置位置正線對地電壓、單導(dǎo)裝置二極管支路電壓以及單導(dǎo)電流如圖7所示。結(jié)合SCADA數(shù)據(jù)得到停車場及正線A站動作情況如表4所示。

圖7 單向?qū)ㄑb置電壓電流情況

表4 OVPD動作順序

8：52：34，停車場OVPD分閘，產(chǎn)生了-198 V的操作過電壓，如圖8所示。分?jǐn)嚯娏鬟_(dá)到-155 A，產(chǎn)生了明顯的電弧過程且在電流過零時過電壓峰值達(dá)到-198 V，導(dǎo)致鄰近正線A站OVPD動作。

圖8 復(fù)歸操作過電壓

3 綜合考慮正線和段場回流系統(tǒng)仿真

3.1 回流系統(tǒng)建模

對城市軌道交通回流系統(tǒng)進(jìn)行簡化與假設(shè)，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。模型中設(shè)置3個牽引變電所（A、B、C站）及一個停車場，采用雙邊供電方式，停車場末端設(shè)置單向?qū)ㄑb置及OVPD，機車采用電流源模擬。模型中假設(shè)：回流系統(tǒng)參數(shù)均勻分布；負(fù)荷電流是1個恒定直流；饋電線路阻抗忽略不計。簡化后的回流系統(tǒng)等效電路模型如圖9所示。圖中：接觸網(wǎng)縱向電阻為Rr；鋼軌縱向電阻和鋼軌電感分別為R1、L1；正線鋼軌對地過渡電阻和鋼軌對地電容分別為R2、C2；K為OVPD接觸器。

圖9 基于分布參數(shù)的回流系統(tǒng)等效模型

3.2 OVPD動作仿真

該地鐵線路8：52：45時刻A站、B站、C站的負(fù)荷過程如圖10所示。在仿真模型中設(shè)定：線路長度為30 km，接觸網(wǎng)電壓結(jié)合現(xiàn)場實測3個所的牽引網(wǎng)壓，根據(jù)負(fù)荷電流決定機車取流。

圖10 8：52：45多所負(fù)荷過程

等值電路設(shè)定參數(shù)如表5所示。停車場OVPDⅠ段分閘，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)生分閘過電壓。對停車場庫內(nèi)OVPD分閘過程進(jìn)行暫態(tài)仿真，如圖11所示。

圖11 停車場OVPD分閘操作過電壓

表5 仿真參數(shù)設(shè)置

統(tǒng)計停車場庫內(nèi)OVPD動作128次，A站OVPD動作3次，仿真結(jié)果表明圖12中0.03 s停車場分閘操作過電壓傳遞至A站仿真鋼軌電位為-200 V，流過單向?qū)ㄑb置的電流為150 A時與圖8中的實測過電壓結(jié)果一致，表明仿真結(jié)果和現(xiàn)場測試情況基本符合。

圖12 A站鋼軌電位

段場咽喉區(qū)設(shè)置有單向?qū)ㄑb置，當(dāng)其正線一側(cè)的鋼軌電位為負(fù)時，二極管環(huán)節(jié)導(dǎo)通；當(dāng)正線一側(cè)鋼軌電位為正時，正線一側(cè)與段場側(cè)的電位差易導(dǎo)致晶閘管消弧環(huán)節(jié)觸發(fā)。而上、下行單導(dǎo)裝置的晶閘管觸發(fā)不同步，易形成環(huán)流。

如果正線和段場的鋼軌導(dǎo)通，由于段場內(nèi)OVPD的Ⅰ段整定值為60 V帶延時，受正線鋼軌電位影響，段場OVPD動作頻繁。

4 鋼軌電位抑制措施

從鋼軌電位問題發(fā)生的機理出發(fā)，降低鋼軌縱向電阻是抑制鋼軌電位最行之有效的辦法。國內(nèi)新建線路鋼軌縱向電阻范圍大致為32～38 mΩ/km，均值分布范圍為34.324～36.309 mΩ/km，而在國內(nèi)香港地區(qū)和國外某些地區(qū)同類型鋼軌縱向電阻值（無磨耗20 ℃）均未超過30 mΩ/km。因此，應(yīng)制定嚴(yán)格的鋼軌電阻電氣參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以應(yīng)對愈發(fā)嚴(yán)重的鋼軌電位問題。

正線鋼軌對地過渡電阻存在薄弱環(huán)節(jié)，導(dǎo)致鋼軌電位的分布不均勻，鋼軌對地絕緣差的區(qū)段鋼軌電位被鉗制，較遠(yuǎn)的區(qū)段鋼軌電位升高或降低將更為嚴(yán)重，應(yīng)重視鋼軌對地絕緣缺陷的高效診斷，提高問題區(qū)段鋼軌對地過渡電阻。

由鋼軌電位從正線到段場的傳播機理來看，阻斷正線和段場鋼軌的電氣連接是降低鋼軌電位相互影響的有效措施。另外，針對OVPD截流過電壓的抑制，可以采用并聯(lián)吸收電阻、吸收電容等方法抑制過電壓過程。

5 結(jié)論

針對單向?qū)ㄑb置對段場與正線鋼軌電位的影響，進(jìn)行了三站一停車場同步測試試驗。在正常運行期間，同步測量了停車場單向?qū)ㄑb置兩端電壓、正線側(cè)電壓以及電流，同步測量了鄰近3個正線車站饋線電流、鋼軌電位以及OVPD電流，并根據(jù)實際測試結(jié)果搭建了綜合考慮正線和段場的回流系統(tǒng)仿真模型。對測試結(jié)果及仿真結(jié)果進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）由于單向?qū)ㄑb置的二極管的不可控性，正線鋼軌電位影響停車場鋼軌電位導(dǎo)致停車場內(nèi)OVPD合閘，合閘后大量雜散電流涌入停車場，停車場成為雜散電流匯集的池塘。

（2）段場咽喉區(qū)設(shè)置單向?qū)ㄑb置，當(dāng)其正線一側(cè)的鋼軌電位為負(fù)時，觸發(fā)二極管環(huán)節(jié)導(dǎo)通；當(dāng)正線一側(cè)鋼軌電位過高時，正線一側(cè)與段場側(cè)的電位差易導(dǎo)致晶閘管消弧環(huán)節(jié)觸發(fā)。當(dāng)引入列車位置信號的光電信號觸發(fā)時，雖然可以避免晶閘管消弧環(huán)節(jié)的觸發(fā)，但無法避免二極管支路導(dǎo)通的情況。當(dāng)單向?qū)ㄑb置導(dǎo)通后，正線和段場的鋼軌電位保持一致，由于段場內(nèi)OVPD的Ⅰ段整定值為60 V帶延時，受正線鋼軌電位影響，段場OVPD動作頻繁，動作后的復(fù)歸產(chǎn)生操作過電壓，反復(fù)沖擊正線，導(dǎo)致正線較多車站的OVPD Ⅱ段動作。

（3）正線和段場之間應(yīng)采用鋼軌智能導(dǎo)通裝置，阻斷正線和段場鋼軌的電氣導(dǎo)通，避免正線和段場之間鋼軌電位和雜散電流的相互影響。