地鐵牽引供電系統的接地分析

陽建林，高 強，張少強

0 引言

國內地鐵牽引供電系統采用直流供電模式，大多采用鋼軌作為回流通道，因此會產生雜散電流和鋼軌對地電位，在設計供電系統的接地方式時，必須考慮這些因素的影響。牽引供電系統中包含交流設備和直流設備，交流電氣系統的接地主要考慮的是設備和人員的安全[1]。直流電氣系統即要保證設備工作可靠和人身安全，同時要滿足雜散電流的腐蝕防護要求，且以安全接地為主[2]。所以在地鐵工程建設之前，必須合理設計接地方式。

文獻[3]中對直接接地、懸浮接地、二極管接地3種方式進行了比較分析，認為二極管接地方式適用于地鐵供電系統。文獻[4]詳細闡述了北美地鐵設計中采用GTO反并聯接地方式的作用。本文綜合比較上述4種接地方式，從各個方面探討了其優缺點，從而根據實際情況選出適宜的接地方式。

1 直流牽引供電系統接地

直流牽引供電系統中，接地從功能上可分為設備接地和系統接地。

在直流牽引供電系統中，電氣設備都要求絕緣安裝。交流設備采用外引接地極，絕緣引入。直流電氣設備還設置了直流框架泄漏保護裝置。

系統接地分為交流系統接地和直流系統接地。本文主要探討直流系統接地，交流系統接地可參考文獻[2]。直流系統接地是指牽引變電所直流負母線與道床等結構的鋼筋網以及外引接地極之間的連接方式，可以分為直接接地、二極管接地、懸浮接地和GTO反并聯接地。

對直流系統接地的設計需要考慮 2方面的因素：一是最小的雜散電流泄漏；二是最大限度地保證人員的安全。在二者相沖突時，首先保證人員安全。在國內地鐵工程建設中，針對雜散電流腐蝕和軌電位，設置了雜散電流防護系統（排流網和排流柜）以及鋼軌電位限制裝置。

2 接地方式分析

2.1 懸浮接地

懸浮接地方式下，直流負母線與大地無電氣連接，鋼軌與大地之間保持高度絕緣。但是在列車和牽引變電所處軌道對地電位較高，尤其在客流高峰期時，可能產生比較大的接觸電壓和跨步電壓，危害乘客的安全，所以必須通過加強站臺絕緣、安裝鋼軌電位限制裝置等措施來避免造成不利影響。

2.2 直接接地

直接接地方式下，直流負母線與接地網直接相連，從而使變電所處電位與大地電位持平。但是增加了雜散電流的泄漏通道，對附近的埋地金屬管線造成腐蝕。

2.3 二極管接地

二極管接地方式如圖1 a所示，利用二極管的單向導通性質，允許電流從地或者結構鋼筋網單向流回負母線。同時，二極管接地能夠使變電所處電位維持在大地電位水平。與前述的兩種接地方式相比，既能夠減少雜散電流的泄漏，又能夠有效地降低變電所附近的電位，有利于保證人員的安全。但對軌道絕緣相對薄弱區域的鋼軌及扣件產生腐蝕。當采用二極管接地方式時，還必須設計排流網，以匯集雜散電流，減少對金屬設施的腐蝕。

2.4 雙向GTO反并聯接地

雙向GTO反并聯接地方式如圖1 b所示，通過控制GTO的開關來實現直流負母線與接地網的通斷。在正常情況下，2個GTO都處于關斷狀態，系統處于懸浮接地狀態，這樣可有效避免雜散電流的腐蝕；當出現故障或者產生危險電壓時，GTO都導通，相當于是直接接地狀態，維持變電所處正常電壓。該接地方式可以更好地與牽引供電系統框架保護相結合，避免產生較大的故障電流損壞設備。

圖1 接地方式示意圖

3 數值計算和仿真分析

為了簡化計算，假設走行軌縱向電阻、軌道對地過渡電阻分布均勻，架空線、牽引變電所直流設備電阻忽略，土壤電阻率分布均勻。根據文獻[3]，可以推知雜散電流分布及軌電位的分布如下：

懸浮接地時，可得雜散電流：

根據圖2可知其邊界條件是x = 0，i(x) = I；x= l，i(x) = I，代入式（1）—式（3），得雜散電流的數值計算式：

軌電位的數值計算式為

圖2 懸浮接地簡單示意圖

直接接地方式下的軌電流和軌電壓也可以通過式（1）、式（2）計算，與懸浮接地方式相比，二者的邊界條件不同。

根據圖3，由基爾霍夫電流定律可得直接接地邊界條件是 x = 0，i(x) = I(1–RG/ R0) = I1；x = l，i(x) = I(1 – RG/ R0) = I1。

圖3 直接接地簡單示意圖

由于直接接地，雜散電流可以從接地處泄漏，軌電位跟等效地電位數值相等，因此可得到式（6）、式（7）：

由于列車在 2個牽引變電站的運行狀況是啟動、區間運行、停車制動[6]，為了減少計算誤差，可參考文獻[3]牽引饋線電流變化曲線，將運行截面圖的等效簡化為圖4所示，從中可以看出，牽引功率變化曲線在不同的運行階段不同。

假設 2個牽引變電所之間的供電距離為1.5 km，走行軌縱向電阻Rs= 0.03 Ω·km，走行軌過渡電阻 Rg= 15 Ω·km[5]。通過 Matlab 仿真程序得到直接接地方式和懸浮接地方式下雜散電流和軌電位的分布曲線如圖5和圖6所示。

圖4 牽引功率變化曲線圖

二極管接地和雙向GTO反并聯接地的計算模型介于懸浮接地和直接接地，可以作為二者的折中方式，計算仿真均不再詳細探討。

圖5 雜散電流分布曲線圖

圖6 軌電位分布曲線圖

從圖5中可以看出，雜散電流的泄漏量與牽引饋線電流成正比關系，當列車在啟動運行時，雜散電流泄漏值最大；在區間運行階段列車惰行，牽引電流維持在比較小的數值，雜散電流泄漏量遠小于啟動狀態。比較圖5 a和圖5 b，在啟動和制動時，懸浮接地方式所產生的雜散電流遠小于直接接地方式，惰行時，懸浮接地方式所產生的雜散電流也比較小。因此，與懸浮接地方式相比，直接接地方式可能產生較為嚴重的雜散電流腐蝕現象。

再比較圖6 a和圖6 b，可以得知在2種分布曲面中，無論列車處在哪種運行模式，懸浮接地方式所產生的軌電位比直接接地方式所產生的軌電位大，結合實際工程建設，當采用懸浮接地方式時，必須安裝軌電位限制裝置。

結合各種因素考慮，各種接地方式比較如表1所示。

表1 各種接地方式比較表

從表1可以看出，二極管接地和雙向GTO反并聯接地能夠比較平衡地處理雜散電流和軌電位的關系，但二者的經濟投入比較高。國內前期所建設的地鐵工程在牽引變電所處主要采用懸浮接地，并增設鋼軌電位限制裝置。新建的地鐵線路采用二極管接地方式，通過配置排流裝置防護雜散電流的腐蝕。GTO反并聯接地在國內還沒有先例，但通過比較分析，可以適用于地鐵工程建設。

4 結語

本文闡述了牽引供電系統的4種接地方式，根據運行截面圖分析了它們所產生的雜散電流和鋼軌電位，比較了各種接地方案的優缺點。通過仿真計算得出，在不同接地方式下，雜散電流和鋼軌電位二者相沖突，必須從中找到平衡點。根據國內地鐵建設的實際情況，二極管接地方式和雙向 GTO反并聯接地方式是比較適宜的。

[1] DL/T 621-1997 交流電氣裝置的接地[S].

[2] GB/T 10411-2005 城市軌道交通直流牽引供電系統[S].

[3] C.-H.Lee, H.-M.Wang. Effects of grounding schemes on rail potential and stray currents in Taipei rail transit systems[J].IEE Proc.-Electr. Power Appl., 2001(5): 148-154.

[4] Dev Paul. DC Traction Power System Grounding[J]. IEEE Trans on Industry Applications, 2002(3): 818-824.

[5] 李威.地鐵雜散電流腐蝕監測及防護技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，2004.

[6] 萬慶祝，吳命利，陳建業，等.基于牽引計算的牽引變電所饋線電流仿真計算[J].電工技術學報，2007，（6）：112-117.