地鐵直流牽引供電系統(tǒng)鋼軌運(yùn)行電位安全分析

周大林 龐開陽(yáng) 李鯤鵬

(1.廣州市地下鐵道總公司運(yùn)營(yíng)事業(yè)總部，510320，廣州;2.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，510010，廣州∥第一作者，高級(jí)工程師)

廣州地鐵自1997年1號(hào)線開通運(yùn)行，至2014年已有9 條線路投入運(yùn)營(yíng)，總長(zhǎng)260.5 km，共設(shè)164 個(gè)車站。除APM(自動(dòng)旅客輸送系統(tǒng))采用交流牽引供電系統(tǒng)外，其他線路均采用鋼軌回流的DC 1 500 V 牽引供電制式，鋼軌絕緣安裝。鋼軌具有一定的電位值是此種牽引供電方式中固有特征。為了保障站臺(tái)區(qū)域乘客和工作人員的安全，在車站均設(shè)置了鋼軌電位限制裝置。廣州等城市的每個(gè)車站站臺(tái)設(shè)置2 臺(tái)鋼軌電位限制裝置，部分城市僅設(shè)置1 臺(tái)鋼軌電位限制裝置。

經(jīng)對(duì)上海、廣州、深圳、南京、蘇州等城市已經(jīng)運(yùn)營(yíng)的地鐵線路調(diào)研發(fā)現(xiàn)，鋼軌電位異常升高、鋼軌電位裝置動(dòng)作頻繁是目前城市軌道交通運(yùn)行中普遍存在的問題［1－2］，已引起了運(yùn)營(yíng)管理人員和相關(guān)科研人員的關(guān)注。本文在深入分析鋼軌電位數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合廣州地鐵線網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)鋼軌電位運(yùn)行問題進(jìn)行分析，并提出相關(guān)的解決措施。

1 鋼軌電位數(shù)學(xué)模型

鋼軌通過絕緣扣件進(jìn)行絕緣安裝，假設(shè)鋼軌縱向阻抗和鋼軌對(duì)地阻抗均勻分布，則根據(jù)電磁場(chǎng)的基本原理，鋼軌(即回流軌)可等效為均勻傳輸線，可忽略回流系統(tǒng)中電感和電容的影響，而僅考慮回流鋼軌與大地的阻性耦合［3］。經(jīng)過微元離散化處理的鋼軌回路等效電路模型如圖1所示。為了限制雜散電流對(duì)隧道結(jié)構(gòu)鋼筋及隧道以外金屬構(gòu)件的腐蝕，在道床設(shè)計(jì)中均設(shè)置了道床雜散電流收集網(wǎng)。通過仿真計(jì)算分析可知，道床雜散電流收集網(wǎng)對(duì)鋼軌電位的影響有限，在鋼軌回流穩(wěn)態(tài)分析中可不考慮道床雜散電流收集網(wǎng)的影響。

圖1 軌道與大地之間的阻性耦合電路模型示意圖

在實(shí)際的直流牽引供電系統(tǒng)中，多個(gè)牽引變電所并聯(lián)運(yùn)行。多列車同時(shí)在線運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)鋼軌電位由列車運(yùn)行位置和牽引電流的取值所決定，是隨著時(shí)間、空間而變化的。為了分析鋼軌電位與鋼軌電阻、牽引電流和運(yùn)行位置的相互關(guān)系，現(xiàn)建立僅考慮阻性耦合的單個(gè)牽引變電所和單列車運(yùn)行時(shí)的鋼軌回流系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，給出鋼軌電位和鋼軌電流的解析表達(dá)式如下［4］:

式中:

u(x)——x 處的鋼軌電位，x 為距離牽引變電所的距離;

L——列車距牽引變電所的距離;

I——列車牽引電流;

IS(x)——x 處的雜散電流;

Z0——特征阻抗，其值為

umax——鋼軌中的最大電位。

從式(1)～式(2)可以明顯看出，鋼軌阻抗和流過鋼軌的電流是影響鋼軌電位的主要因素，幾乎呈現(xiàn)近似線性正比例關(guān)系。在實(shí)際運(yùn)行的線路中，由于受線路正線所有的牽引變電所并聯(lián)運(yùn)行、在線運(yùn)行列車的牽引電流是列車運(yùn)行位置和時(shí)間的函數(shù)等因素的影響，鋼軌回流系統(tǒng)的邊界條件比較復(fù)雜，難以用簡(jiǎn)明的數(shù)學(xué)式表達(dá)。但其基本滿足線性疊加原理，回路中的電流和阻抗是影響鋼軌電位的主要因素。

2 鋼軌運(yùn)行電位異常的原因分析

目前普遍認(rèn)為，鋼軌運(yùn)行電位異常主要體現(xiàn)在，鋼軌電位的實(shí)際運(yùn)行值遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)預(yù)期，造成車站鋼軌電位限制裝置頻繁動(dòng)作，甚至長(zhǎng)期接地運(yùn)行。由鋼軌電位的數(shù)學(xué)模型可知，影響鋼軌電位主要因素有回路阻抗、回流電流和鋼軌對(duì)地泄露電阻等。

2.1 回流阻抗的影響分析

地鐵正線整個(gè)回流系統(tǒng)的阻抗不僅與正線鋼軌的本體電阻有關(guān)，還與無縫鋼軌焊接的接頭電阻、道岔區(qū)鋼軌的連接電阻、回流電纜及其與鋼軌的連接電阻等有關(guān)。目前，北京、廣州和上海等城市地鐵線路的正線回流鋼軌一般為60 kg/m 鋼軌。運(yùn)營(yíng)部門和有關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)已運(yùn)營(yíng)的廣州地鐵6號(hào)線和8號(hào)線的鋼軌縱向電阻進(jìn)行了測(cè)試，其直流電阻約為35 ～38 mΩ/km。鋼軌縱向電阻的實(shí)際測(cè)試值大于牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真分析中的設(shè)定值。運(yùn)營(yíng)部門還對(duì)鋼軌運(yùn)行電位異常的8號(hào)線琶萬區(qū)間回流狀況進(jìn)行了檢查，并通過增加并聯(lián)電纜以改善區(qū)段內(nèi)鋼軌接頭處、道岔接頭處的接續(xù)電纜和魚尾板等處的導(dǎo)流能力。通過對(duì)道岔區(qū)段內(nèi)回流能力的改造后，鋼軌電位動(dòng)作次數(shù)明顯下降，說明道岔區(qū)回流阻抗是影響鋼軌電位異常的主要因素之一。

隨著線路的開通運(yùn)行，正線局部區(qū)段根據(jù)鋼軌磨耗情況需要換軌。局部更換的鋼軌不能簡(jiǎn)單地進(jìn)行魚尾板連接，從而增大回流阻抗，而應(yīng)進(jìn)行鋼軌焊接。這也是在軌道日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)中需要注意的事項(xiàng)。

2.2 回流電流對(duì)鋼軌電位的影響分析

一般6 輛編組的地鐵列車在AW2(額定)載荷下的最大牽引電流I 為2 800 ～3 400 A，最大制動(dòng)電流為4 500 A;8 輛編組列車AW2 載荷下的最大牽引電流為3 800 ～4 500 A，最大制動(dòng)電流為6 000 A。目前，城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)中的常規(guī)參數(shù)值如下:剛性接觸網(wǎng)π 型匯流排的單位阻抗Rc=13.8×10－3Ω/km，回流軌 (60 kg/m)縱向電阻為Rr=20×10－3Ω/km，Rg=15 Ω/km，L=3 km。根據(jù)式(4)可以計(jì)算出單列車單邊供電牽引運(yùn)行時(shí)最大鋼軌電位為 84 ～102 V(6 輛編組)和 114 ～ 135 V(8 輛編組);列車制動(dòng)時(shí)最大鋼軌電位為135 V(6 輛編組)和180 V(8 輛編組)。由此可見，回流電流對(duì)鋼軌電位的影響是非常明顯的。通過調(diào)整運(yùn)行圖優(yōu)化列車牽引電流，可以有效地降低鋼軌電位［5－6］。

2.3 鋼軌電位限制裝置的整定值分析

車站鋼軌電位限制裝置一般設(shè)置為三段式電壓(U1、U2、U3)保護(hù)，其常規(guī)整定值如表 1所示。

表1 車站鋼軌電位限制裝置常規(guī)整定值

我國(guó)有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定鋼軌電位限制整定值分90 V 和120 V 兩種標(biāo)準(zhǔn)，但沒有規(guī)定電壓允許持續(xù)時(shí)間。現(xiàn)行的《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》將鋼軌電位的限制確定為120 V。根據(jù)目前運(yùn)營(yíng)線路的鋼軌電位限制裝置的動(dòng)作情況，若將U1的整定值調(diào)整為120 V，則軌電位限制裝置的動(dòng)作次數(shù)將會(huì)大幅度降低。

3 鋼軌電位限制裝置的風(fēng)險(xiǎn)與相應(yīng)建議

車站鋼軌電位限制裝置過于頻繁動(dòng)作而長(zhǎng)期接地或站臺(tái)屏蔽門系統(tǒng)絕緣安裝失效使得站臺(tái)區(qū)域鋼軌等效直接接地，其直接的后果是將原懸浮的回流系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯咏拥氐幕亓飨到y(tǒng)，使得系統(tǒng)的雜散電流泄露增大。運(yùn)營(yíng)部門組織了對(duì)車站鋼軌電位限制裝置直接接地合閘運(yùn)行時(shí)的泄露電流測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，鋼軌電位限制裝置合閘后泄漏電流隨列車運(yùn)行工況不斷改變，呈現(xiàn)低頻交流特性，泄漏電流最大值約為440 A，回流電流最大值約630 A。通過實(shí)測(cè)分析可以證明，鋼軌局部長(zhǎng)期接地運(yùn)行會(huì)造成大量的電流泄漏，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的雜散電流防護(hù)是一種危害，雖然短期內(nèi)對(duì)整個(gè)地鐵系統(tǒng)的安全運(yùn)行不會(huì)有直接明顯的危害，但長(zhǎng)期對(duì)車站主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響不能被忽視。

鋼軌電位限制裝置的頻繁動(dòng)作本身就是此類設(shè)備所具有的固有特性，應(yīng)該是允許的。除了進(jìn)一步提高鋼軌電位限制裝置的可靠性之外，還需要重點(diǎn)研究實(shí)際運(yùn)行與設(shè)計(jì)期望之間的差距。另一方面鋼軌電位限制裝置整定值的合理性也是需要重新審核的，實(shí)踐證明原先U1的整定值90 V 偏低，需要調(diào)整為120 V。

4 結(jié)語

1)鋼軌不僅是列車運(yùn)行的軌道，也是直流牽引供電系統(tǒng)中回流的重要載體，需要在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)過程中給以充分的重視，以確保回流系統(tǒng)的暢通，使其回流阻抗在系統(tǒng)運(yùn)行允許的范圍內(nèi)。

2)通過優(yōu)化運(yùn)行圖來合理控制回路中的運(yùn)行電流，是降低鋼軌電位的有效措施之一。

3)對(duì)鋼軌電位及其保護(hù)裝置的固有特性需作進(jìn)一步研究，應(yīng)避免鋼軌電位限制裝置長(zhǎng)期直接接地的運(yùn)行方式。

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