廣州地鐵鋼軌電位裝置電壓偏高原因的分析

肖偉強，蘇維杰，黃耀敏

0 前言

廣州地鐵運營線路列車牽引采用直流1 500 V（APM 除外）供電系統，負極回路通過鋼軌回流到電源負極，由于運行電流和短路電流的存在，可能會引起負回流回路和大地間產生超出安全許可的接觸電壓。在該情況下，需在回流回路與大地間裝配一套鋼軌電位限制裝置，其作用是將鋼軌與大地短接，避免出現超出安全許可的接觸電壓，保證人員和設施的安全。近幾年來，各線路鋼軌電位裝置由于電壓偏高頻繁動作，本文就該異常現象進行分析、研究，從而提出解決措施。

1 原理

廣州地鐵運營線路鋼軌電位裝置為西門子生產SITRAS? SCD-T型鋼軌電位裝置，其原理接線如圖1所示。

圖1 鋼軌電位裝置接線示意圖

通過采樣電壓繼電器檢測鋼軌電位裝置負回流鋼軌與地之間的電壓，當其電壓超過90 V時，鋼軌電位裝置延時合閘短接鋼軌和大地后瞬間分開；當其電壓超過150 V時，永久合閘。

2 原因分析

對于直流1 500 V牽引供電系統，電源正極通過接觸網/鋼軌送到列車，負極通過鋼軌流回電源，牽引系統鋼軌采用絕緣安裝的方式，系統的理想電流通路如圖2所示。

圖2 供電系統電流通路示意圖

從圖2中可知，在正常情況下，系統的回流通路如下：直流正母線→接觸網→電力機車→回流軌→負母線，根據負回流運行特點，鋼軌電位裝置電壓偏高的原因可能有：負回流回路電阻過大；負回流系統絕緣薄弱；列車牽引取流變化。

2.1 負回流電阻

直流牽引負回流回路由回流軌、回流電纜、均流電纜、鋼軌接頭接續電纜、道岔接續電纜等組成，為進一步驗證負回流軌電阻是否增大，在廣州地鐵八號線萬勝圍—琶洲區間進行測試，測試前打開上下行琶洲站前公里標為 YDK0+217處的魚尾板，保證琶洲—萬勝圍上下行區間鋼軌與線路其它回流軌系統分離，在萬勝圍—琶洲上行琶洲站前公里標YDK0+217處對直流1 500 V接觸線與牽引軌之間施加直流60 V電壓；在萬勝圍站上行末端公里標EYDK1+770處利用接地線（70 mm2）對直流接觸線和負回流軌通過分流器（1 000 A/75 mv）短路，如圖3短路測試圖所示。

圖3 短路測試圖

計算得回路總阻抗R回=U/I=71.12 m?，接觸網電阻（1 987 m）按理論值估算（1 m接觸線與1 m匯流排并接實測電阻為14.83 μ?）：R接觸線=1 987×14.83=29 467 μ?=29.47 m?；接觸網匯流排接頭（165個）電阻估算：R接頭=1 m?，2根臨時短接線（70 mm2）計算電阻值：R短路試驗線=0.017 5×12÷70=0.003 ?=3 m?，R分流器=75 mV/1 000 A=75 μ?，從測試圖中可以看出：R回流軌=71.12-29.47-3-1-0.075=37.575 m?，可計算出負回路單位鋼軌電阻：R單位長度=37.65÷1 987=18.9 μ?

由于回流軌上下行回流之間通過均流電纜連接，上行或下行的2條軌之間都通過信號電纜等電位連接，故上述計算得出的18.9 μ?是4條鋼軌并聯后總電阻，從而實測值單條鋼軌單位長度電阻為4×R單位長度=75.6 μ?，按照設計文件單位長度鋼軌電阻R=13.7μ?，可以看出實測值遠遠大于設計標準，相比可以看出，負回流軌電阻增大比較明顯，得出負回路電阻整體有較理論值增大趨勢。

2.2 負回流系統絕緣

負回流軌本身絕緣薄弱。為防止跨步電壓，屏蔽門與鋼軌負回流等電位連接，屏蔽門對地絕緣相當薄弱，綜合上述，負回流對地絕緣不理想，相當于有強制性的參考接地點存在，這樣會抬高絕緣良好點的鋼軌電位電壓，從而引起鋼軌電位裝置電壓升高或動作。

2.3 列車牽引取流

列車不同方式下取流運行造成鋼軌電位變化：在列車啟動運行時，鋼軌電位沿正方向變化。利用示波器進行錄波，當列車啟動負荷電流增大時，鋼軌電位正向增大；相反地，在列車制動時，列車相當于一個直流電源，向DC 1 500 V系統進行反向供電，導致鋼軌電位向負方向變化。通過對牽引電流和鋼軌電位裝置電壓測試錄波，得出鋼軌電位裝置電壓隨著負荷電流呈現上述規律性變化。

綜合上述測試分析、探討，不難看出鋼軌電位裝置電壓偏高主要原因為負回流回路電阻過大，當負荷電流流經該通路時，回路本身電壓降增大，當回路中存在絕緣薄弱點時，作為強制零參考點，造成絕緣良好點的鋼軌電位電壓升高。

3 整改措施

（1）在鋼軌接頭處，增加2×150 mm2接續電纜、加大通流截面積。

（2）在道岔尖軌區段、岔心區段，采取 2×150 mm2跳線電纜另行直接跨越其前后2部分。

（3）在長大線路區段或單連供電區段，另行敷設回流電纜與鋼軌并聯，減少負回流回路電阻。

（4）在每個車站兩端的上下行線路間，除鋼軌電位裝置連接電纜、道岔接續電纜外，須設置獨立的、上下行間直接相連的（不經過變電所鋼軌電位、負極母排等設備）均流電纜。

4 結束語

鋼軌電位裝置電壓偏高也屬于軌道交通直流牽引的一個技術難題，成因相對比較復雜，涉及到列車牽引負荷電流、鋼軌電阻、鋼軌相關負回流設備絕緣等因素，但就目前廣州地鐵運行情況分析得出，主要是因為負回流電阻增大（相對于標準設計）而造成的，其他因素僅為誘因。

[1]西門子SITRAS? SCD MFZ 80，直流牽引系統的鋼鋼軌電位限制裝置原理說明書，2007.

[2]董文敏，何文繼.城市軌道交通鋼軌電阻測量及電耗研究[J].城市軌道交通研究，2002，（2）.