地鐵多區間鋼軌電位分布及鋼軌電位限制裝置的合理投切

張棟梁 裴文龍 穆明亮

（中國礦業大學信息與電氣工程學院，221008，徐州∥第一作者，副教授）

地鐵多區間鋼軌電位分布及鋼軌電位限制裝置的合理投切

張棟梁 裴文龍 穆明亮

（中國礦業大學信息與電氣工程學院，221008，徐州∥第一作者，副教授）

目前地鐵的鋼軌電位分析大都是基于單側供電或者雙側供電的單區間。實際上，鋼軌電位分布受本區間供電影響較大，但也不能忽略相鄰區間對其影響。使用MATLAB軟件進行多區間鋼軌電位仿真分析，并且根據仿真分析結果來實現鋼軌電位限制裝置的合理投切。

地鐵；鋼軌電位；電位限制裝置

First-author'saddressSchool of Information and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，221008，Xuzhou，China

鋼軌作為牽引電流回流系統的通路，是由多節鋼軌通過無縫焊接而組成的。由于鋼軌無法對地完全絕緣，軌地之間存在電阻，所以當牽引電流流經鋼軌時，會有一部分電流泄漏到大地中，鋼軌和大地之間就會存在軌地電位。地鐵車輛和鋼軌是等電位的，當乘客上下車時，就可能會橫跨軌地而生產電壓。為了保證人身安全，就需要在車站設置鋼軌電位限制裝置（OVPD），當軌地電位異常升高時，OVPD投入，將鋼軌與地直接相連，降低軌地電位。此時，會有大量電流通過OVPD直接進入大地，造成雜散電流增大［1］。

本文以地鐵多個供電區間為對象，以MATLAB軟件仿真分析多區間鋼軌電位分布，并通過幾個相鄰區間的鋼軌電位來分析是否每個區間的OVPD都需要投入，從而實現OVPD更合理的投切。

1 模型的建立及計算

1.1 地鐵牽引供電系統

地鐵牽引供電系統結構如圖1所示［2］。從圖1中可知，每個變電站都與接觸網相連，當列車運行時，給列車供電的不止是本區間的變電站，相鄰區間的變電站也會提供；距離列車越遠的變電站，供電越少。本文的以下分析均以4個區間為例進行。

圖1 地鐵牽引供電系統結構示意圖

1.2 多區間牽引電流的回流系統模型

對于地鐵系統來說，可以認為軌道是一個純阻性集中參數線，軌道與地之間只有純阻性的電氣聯系，表征為過渡電阻，其單位為Ω·km；而軌道下面的大地也可以認為是一個純阻性的參數線。所以，可將地鐵牽引電流的回流系統分成一些有限單元。根據距離，可以推算出每一個有限單元的鋼軌縱向電阻、軌地過渡電阻、大地電阻。然后，可用這些集

中參數來表示回流系統的分布參數，而其電流電壓特性是一致的［3］。電流源可以代替列車向軌道注入的電流，或者代替列車緊急剎車時吸收的電流。通過這種方法構造出一個由集中參數組成的網絡，如圖2所示。

圖2 地鐵多區間牽引電流回流系統的離散模型

在圖1中共有4個區間，每個區間分成4個有限單元。其牽引供電所的電壓為DC 1 500 V；列車電流I為1 000 A；r為變電所等效電阻；R為牽引電網電阻；Rs為軌道縱向電阻；Rg為軌地過渡電阻；Rd為大地縱向電阻；Rt為變電所接地電阻［4］；I1～I5為牽引區各網孔的電流值；I1，1～I5，4為有限單元各網孔的電流值。

從圖2模型可通過網孔電流法，得到各個有限元的電流表達式如下：

當然，有限元的劃分可以隨意設置，劃分得越多，離散模型越接近連續模型，但運算量越大。網孔電流方程很多，電流參數較多，可以通過列注法得到各個電流，然后根據電流差得到泄漏電流，再根據歐姆定律可得鋼軌對地電壓，當然也能得到雜散電流的大小。具體算法如下：

則泄露電流

鋼軌電位

2 仿真圖形

根據上述模型與計算，只要代入鋼軌及大地的具體參數即可得到多區間鋼軌電位分布。鋼軌及大地的具體參數如下：供電區間長度L=1.2 km；牽引供電所的電壓U牽=1 500 V；I=1 000 A；r= 0.022 4Ω；R=0.008Ω/km；Rs=0.026Ω/km；Rg=15Ω·km；Rd=0.01Ω/km；Rt=0.5Ω。

根據上述參數在MATLAB軟件中進行兩個仿真。圖3為列車在第一個區間內運行時的鋼軌電位分布圖；圖4為列車在第二個區間內運行時的鋼軌電位分布圖。由于這個模型是個純電阻模型，所以列車在第三、第四個區間內的鋼軌電位分布圖與第二、第一區間的鋼軌電位分布具有對稱性，此處就不再仿真。

圖3 列車在第一區間運行時鋼軌電位分布圖

圖4 列車在第二區間運行時鋼軌電位分布圖

由圖3、圖4可得以下結論：

1）在相同條件下，列車在不同位置時，其鋼軌電位分布趨勢基本相同，都是列車位置處鋼軌電位最高，兩側逐漸降低，與單區間相同。

2）列車在不同位置時鋼軌最高電位的大小不同。列車在第一區間時鋼軌最高電位約為21 V，列車在第二區間時的鋼軌最高電位約為18 V。在正常情況下，兩者相差3 V；如果在車輛起動或者重載時，電壓差可能會更大。也就是說，當列車行進在兩側的變電所時，鋼軌電位比列車行進在中間變電所時更高。

3）變電所的負極電位不一定是負的。由單區間鋼軌電位分析可知，列車位置處的鋼軌電位為正的最大值，而變電所負極處為負的最大值；但由多區間模型分析可知，變電所負極的電位可能是正的。

4）變電所的負極電位與列車具體位置有關。當列車在第二區間時，與列車相鄰的變電所負極的電位約為4 V；而當列車在第一區間時，與列車相鄰的變電所負極的電位約為7 V與4 V。這就為鋼軌電位限制裝置的投切提供了相應的依據。

3 鋼軌電位限制裝置的投切

根據上述的分析可知，列車運行時，在車站或者變電所處的鋼軌電位可能是正的。如果在列車起動時牽引電流增大，或者出現絕緣損壞等種種原因導致鋼軌電位異常升高而達到影響人身安全時，鋼軌電位限制裝置就需要投入。鋼軌電位限制裝置投入后，鋼軌與地直接相連，電位被鉗制到零。但此時大量電流通過OVPD流入大地，會導致雜散電流增大，使鋼軌附近的埋地金屬管線、鋼筋結構及地鐵設備等產生嚴重腐蝕。這是一個矛盾的問題，所以需要對OVPD進行合理地投切。

實際上，鋼軌電位的異常升高可能會達到90 V甚至更高。以下所做的鋼軌電位異常升高的仿真雖然未達到90 V，但分析結論是相同的。

圖5、圖6的地鐵牽引電流取3 000 A，以仿真鋼軌電位的異常升高情況。圖5為列車在第一區間運行時的鋼軌電位分布，以及前后變電所OVPD投入后的鋼軌電位分布；圖6為列車在第二區間運行時的鋼軌電位分布，以及前后變電所OVPD投入后的鋼軌電位分布。

圖5 列車在第一區間運行時及OVPD投入后的鋼軌電位分布

圖6 列車在第二區間運行時及OVPD投入后的鋼軌電位分布

如圖5所示，列車在第一區間運行時，后方變電所處的鋼軌電位約為20 V，前方變電所處的鋼軌電位約為10 V。當前方變電所的OVPD投入時，使

整條線的鋼軌電位下降，但是列車后方的變電所處的鋼軌電位還是大于零，而且不能確定它是否超過危險電位；當列車前后變電所的OVPD都投入，使4個區間鋼軌的電位都下降，且列車前后變電所的電位都鉗制到零，完全可以保證人身安全。但是列車前后2個OVPD投入后，會有大量電流經過OVPD流入大地，導致雜散電流增大，使周圍金屬的腐蝕增大。當列車后方的OVPD投入時，整條線的鋼軌電位下降，且列車前方的變電所處鋼軌的電位還是低于后方變電所處鋼軌的電位，可以保證列車前方的安全；而此時只有1個OVPD投入，比2個OVPD投入時的泄漏電流小。

如圖6所示，列車在第二區間運行時，列車前后方變電所處的鋼軌電位基本相等，無論投入后方、前方還是前后方的OVPD，都可以保證整條線路的安全。但是，單方向OVPD投入時的泄漏電流比雙方向OVPD投入時的泄漏電流要小得多。

根據以上分析可知，當列車前后方變電所處鋼軌電位都超過OVPD的合閘要求時，可只將電位較高變電所的OVPD投入即可。這樣既可保證整條線路鋼軌的電位達到安全值，又可防止由于過多OVPD投入而導致雜散電流過大的危害。

4 結語

本文對多個區間鋼軌進行有限元分解，得到地鐵牽引電流回流系統的離散模型；再根據網孔電流法，計算出多區間鋼軌電位的分布；最后通過數學模型對不同位置OVPD投入時的鋼軌電位進行仿真，得到了一種OVPD更為合理的投切方式。當然，此時的OVPD不僅需要對軌地電壓進行實時監測，相鄰的OVPD也要進行實時通信，以防2個相鄰的OVPD同時接地，造成雜散電流的大量泄漏。

［1］ 王禹橋，李威，楊雪鋒，等.對地鐵軌道電位異常升高的研究［J］.城市軌道交通研究，2009（8）：35.

［2］ 張健根.廣州地鐵供電系統33 k V環網接線方式的思考［J］.城市軌道交通研究，2006（7）：1.

［3］ 李國欣.直流牽引回流系統分析及軌電位相關問題研究［D］.徐州：中國礦業大學，2010.

［4］ 張少強.城市軌道交通鋼軌電位研究與抑制［D］.徐州：中國礦業大學，2012.

式中：

J——車輪與輪座之間的過盈量，mm；

d1——輪座直徑，mm；

d2——與之配合的車軸輪轂孔直徑，mm。

車輪壓裝過盈量J須滿足下列要求：

即：

在計算機程序中，設置了壓裝過盈量超出閾值報警裝置，當超差時自動報警，同時鎖定壓裝機壓裝程序，自動拒絕壓裝。

制動盤壓裝過盈量的超差報警裝置設計，其不同點只是在于將不同型號的制動盤過盈量輸入，其它與車輪壓裝基本相同，不再贅述。

4 結語

輪對是車輛轉向架的重要部件，其質量狀況直接關系到鐵路運營安全。盡管本自動判斷程序研究成果是完全按照TB/T 1718—2003中的各項規定進行數字化處理，以實現機器智能自動判斷功能，但因其產品的重要性，在生產實踐中，對機器判斷合格的壓裝力曲線，還必須由操作者、工長、檢查員、驗收員分別對壓裝力曲線進行人工判斷，以杜絕自動判斷程序可能發生的誤判現象。只有當機器和人工判斷均合格時方可判定為合格品，以期最大限度保障旅客列車的行車安全。實踐表明，按照本文研究的數學模型編制的壓裝力曲線自動判斷程序生產的產品，通過人工判斷驗證后的正確率接近100%。本成果為完善相關鐵路標準，優化自動判斷程序提供了借鑒。

參考文獻

［1］ 周蘭英.輪對壓裝曲線不合格的原因及對策［J］.鐵道機車車輛工人，2001（1）：2.

［2］ 王勛龍，隋振.輪對壓裝過程監控系統設計［J］.機床與液壓，2011（6）：61.

［3］ 袁旭芳.鐵路車輛輪對壓裝曲線陡跳工藝探討［J］.煤礦機械，2005（5）：91.

［4］ TB/T 1718—2003鐵道車輛輪對組裝技術條件［S］.

［5］ 張元濤，張順啟.關于輪對壓裝工藝參數優化設計的探討［J］.鐵道車輛，2006（7）：29.

（收稿日期：2013-01-17）

Rational Distribution of Rail Potential and OVPD's Switch in Multiple Metro Intervals

Zhang Dongliang，Pei Wenlong，Mu Mingliang

At present，metro rail potential analysis is basi- cally related to unilateral or bilateral power supply single interval，but in reality，the distribution of rail potential is largely influenced by the interval power supply，the impact of adjacent intervals can not be ignored at the same time.In this paper，a modeling analysis of multiple intervals is conducted by using MATLABsoftware，and the result is used to achieve a reational distribution of OVPD switching.

metro；rail potential；over voltage protection device（OVPD）

U 284.24

2013-10-12）