城市軌道交通直流牽引供電系統接觸網殘壓研究

王曉博 尚志堅 趙 壘

（西安市地下鐵道有限責任公司，710016，西安∥第一作者，工程師）

我國城市軌道交通牽引供電系統普遍采用直流1 500 V 供電制式，在運營中普遍出現的問題是：接觸網隔離各方向來電后，驗電器仍然顯示接觸網帶電，即存在接觸網殘壓。西安、廣州、南京、成都、天津等地的城市軌道交通直流牽引供電系統均存在這一情況。接觸網殘壓直接威脅人身安全，影響檢修施工及接觸網送電保護閉鎖。

各地采用了不同的應對方式以減小接觸網殘壓造成的影響。成都地鐵采取的措施是，對直流開關柜線路測試中殘壓檢測定值進行臨時調整，以避免接觸網無法送電；天津輕軌采取的措施是，對接觸網殘壓值進行現場檢測，區分殘壓和正常電壓，如果確定為殘壓，則放電及掛接地線，以降低接觸網殘壓對檢修的影響。但由于對接觸網殘壓的成因沒有明確的答案，因此無法采取針對性的措施從根本上解決接觸網殘壓問題，這是我國城市軌道交通供電行業面臨的共同難題。

1 接觸網殘壓現象分析

西安地鐵自2011年供電系統送電調試以來，每年都會出現數十起接觸網殘壓現象，檢測的接觸網殘壓從70多V 至700多V，存在較大的安全隱患。接觸網殘壓的主要影響如下：

1）檢修中，如果接觸網殘壓小于驗電器報警啟動電壓，則驗電器顯示無電。掛接地線過程中會出現接觸網打火問題，燒蝕設備。

2）檢修中，如果接觸網殘壓大于驗電器報警啟動電壓，按照安全工作規程驗明有電，則不允許掛接地線作業，從而影響生產檢修。

3）直流饋線開關柜線路測試接觸網殘壓的出廠值設定為300 V，送電過程中，如果接觸網殘壓大于300 V 時，測試無法通過，開關柜不能合閘，則會導致接觸網無法送電而直接影響行車。

表1為西安地鐵接觸網殘壓發生次數統計表。根據表1統計及實際的發生狀況，西安地區接觸網殘壓出現的規律和特點如下：

表1 西安地鐵接觸網殘壓發生次數統計表 次

1）接觸網殘壓主要發生在1、2月及10～12月。因為在此時間段內溫度低，易形成凝霜和凝露。

2）接觸網殘壓多出現在雨、霧、霾等較為惡劣的氣候條件下。

3）接觸網殘壓基本都發生在車輛段或與車輛段相鄰的露天段出入段線的接觸網區段。

由此可以認為，接觸網殘壓受外界環境因素影響較大，露天段接觸網絕緣部件性能易受到環境影響，因此，初步推斷絕緣降低是造成接觸網產生殘壓的原因，并以此作為進一測試分析的依據。

2 接觸網殘壓實測與分析

2.1 接觸網殘壓實測

西安地鐵1號線西咸車輛段及其相鄰區段發生過多起接觸網殘壓較嚴重的情況，其殘壓值最高可達到760 V，故以此段作為測試區段。圖1為接觸網殘壓實測區段示意圖。

圖1 西安地鐵1號線西咸車輛段及正線接觸網分區示意圖

在圖1中，西咸車輛段與正線相鄰的兩個供電分區為出段線1D2分區和入段線1D3分區（分別有336個和312個絕緣支撐部件），均為露天段；正線區段1A1、1B2分區分別與1D3、1D2分區相鄰，含地面段和地下段部分（分別有210個和482絕緣支撐部件）；1A2、1B3分區是分別與1A1、1B2分區相鄰的地下段正線接觸網分區；1B3分區為1B2分區正線相鄰區段，相互之間為絕緣錨段關節，無電氣連接。

本項測試的目的，是為了驗證接觸網各分區間的電壓相互影響關系。不同停送電情況下接觸網各分區電壓測試結果見表2。

測試中，1A1分區出現了殘壓，因此重點對1A1分區電壓值進行測試分析，可以得到以下結果：

1）1A1 分區未受到1A2、1B2、1B3、1D2 分區電壓的直接影響，這4個接觸網分區停電后，1A1分區殘壓仍然存在。

2）1A1 分區殘壓與1D3 分區有直接關系：當1D3分區帶電時，1A1 分區出現殘壓；當1D3 分區停電時，1A1分區殘壓消失。

3）1A1分區送電時，1D3分區未出現殘壓，因此1A1分區不影響1D3分區。

由此可得以下實測結論

1）接觸網殘壓與相鄰區段接觸網送電情況存在關聯性。

2）接觸網殘壓不是普遍推測的接觸網存在殘留電荷產生的網壓，而是與相關區域帶電情況有關。

3）1D3 分區對 1A1 分區形成殘壓，1D2 分區對1B2分區無殘壓，1A1分區正線送電對車輛段接觸網1D3分區殘壓沒有影響，因此可判斷殘壓與設備電氣絕緣性能有關。

表2 不同停送電情況下接觸網各供電分區電壓值

2.2 接觸網系統對地絕緣電阻分布分析

依據上述實測結論，對接觸網絕緣電阻分布作進一步研究。測試區段接觸網系統中露天段為柔性接觸網，地下段為剛性接觸網，接觸網系統通過各支持定位絕緣子與大地絕緣。

現以西安地鐵1號線1D3和1A1接觸網分區為例，1D3和1A1分區接觸網對地絕緣電阻是分別由n1個絕緣子和n2個絕緣子并聯形成的電阻值（n1＝312個，n2＝210個）。圖2為1D3和1A1分區接觸網對地電阻分布示意圖。

圖2 1D3和1A1分區接觸網對地電阻分布示意圖

分段絕緣器、接觸網絕緣子絕緣電阻（兆歐級別）相對于接觸網線路電阻（117.68μΩ／m）和鋼軌對地電阻（地下段標準為15Ω·km）比差極大，計算中可以忽略。接觸網各絕緣子為并聯關系，對地電阻關系可簡化為圖3所示。

圖3 1D3和1A1分區接觸網對地電阻等效圖

根據圖3接觸網對地電阻等效情況分析，假設當 車輛段側（1D3）供電，正線側（1A1）停電時，依據電阻的分壓原理，RA與RB串聯并與RC并聯，當車輛段電壓為1 500 V 時，則正線接觸網電壓為，即正線電壓由分段絕緣器絕緣電阻值與正線絕緣電阻值共同決定。

2.3 接觸網絕緣電阻與網壓關系實測與分析

2.3.1 接觸網絕緣部件單體絕緣性能測試

接觸網每個供電分區是由許多絕緣子固定和支撐的，想要掌握接觸網整體對地絕緣電阻情況，就必須了解絕緣部件的絕緣電阻。因此，首先對單體絕緣子在不同環境下的絕緣性能進行測試，以此作為分析的基礎數據。測試數據見表3。

表3 不同情況下接觸網絕緣部件絕緣性能測試表

西咸車輛段現場情況是，1D3和1A1接觸網分區通過分段絕緣器實現電氣分斷，分段絕緣器兩端導電體與1 500 V 電纜并聯連接。受接觸網定位器安裝的限制，電纜需從分段絕緣器上方跨接，影響分段絕緣器兩側絕緣電阻。因此，部件絕緣性能測試內容包括柔性絕緣子、剛性絕緣子、分段絕緣器和并聯綁扎電纜4部分。

表3測試數據表明：

1）潮濕環境下，各設備絕緣強度下降明顯，特別是并聯綁扎電纜，由于表面憎水性差、電纜間易積水，故電阻值下降幅度最大。

2）在干燥情況下，分段絕緣器絕緣電阻值遠遠大于正線和車輛段絕緣電阻值，可以達到100倍以上，而在潮濕環境下二者間的絕緣電阻值差縮小并趨近于相等。

3）總體絕緣強度均在兆歐級別，1 500 V 供電系統對地絕緣仍滿足設備運行要求。

2.3.2 接觸網系統絕緣電阻推算

假設各單體絕緣部件絕緣電阻相同，結合1D3和1A1分區并聯絕緣部件數量，可估算得到：

1）1D3分區對地絕緣電阻值RC為10.2 MΩ～8.0GΩ。

2）1A1分區對地絕緣電阻值RB為13.0 MΩ～10.0GΩ。

3）1A1與1D3分區間絕緣電阻，包含分段絕緣器自身絕緣電阻與并聯電纜的絕緣電阻，其值為10.9 MΩ～763.9 GΩ。

2.3.3 接觸網系統絕緣電阻實測

在單體部件測試基礎上進行接觸網系統整體絕緣性能測試，以驗證分析結果。如圖4所示，只能測定整體絕緣電阻，即，測定車輛段兩端接觸網對地電阻、正線兩端接觸網對地電阻和分段絕緣器絕緣電阻。

圖4 1D3和1A1分區接觸網絕緣電阻實測方法

通過實測得到的接觸網系統絕緣電阻數據見表4。

表4 1D3和1A1分區接觸網絕緣電阻實測值 kΩ

基于表4數據分析可得：

1）RARB／（RA＋RB）＝2 250 kΩ，RA、RB均大于2250 kΩ；

2）RARC／（RA＋RC）＝273 kΩ，即RA、RC均不小于273 kΩ；

3）RA與RC不會同時大于546 kΩ，因此可得273 kΩ＜RC＜310 kΩ。

由RB／（RA＋RB）×1 500 V＝殘壓值（正線停電時測得殘壓值為87 V），可確定RA約為41 MΩ，RB約為2.4 MΩ，RC約為275 kΩ。測量結果與推算的絕緣電阻值近似，但仍有一定差別。這是因為現場實際環境更為復雜，絕緣電阻受雨水、灰塵等更加惡劣的污染影響。

測試結果證明：

1）雖然存在殘壓，但接觸網整體絕緣電阻滿足直流系統的絕緣要求，安全可靠。

2）分段絕緣器絕緣電阻是正線接觸網絕緣電阻的17.1 倍，是車輛段接觸網絕緣電阻的149.1倍。與單體部件理論值對比表明，正線接觸網受環境影響較小。由此可以推測，隨著環境的劣化，分段絕緣器絕緣電阻下降率將大于正線接觸網，正線接觸網殘壓會繼續增大。

3）當正線電壓為1 500 V 時，根據電阻情況，車輛段接觸網電壓不足10 V；雖然殘壓不能消除，但車輛段接觸網相對較低的絕緣電阻使車輛段內接觸網殘壓不明顯。

2.3.4 絕緣電阻與電壓分布仿真分析

使用Mutisim 仿真軟件建立模型（見圖6）進行仿真分析。僅考慮車輛段1D3分區與正線1A1分區停送電情況，依據實測及理論數據驗證絕緣電阻與電壓分布關系。表5為1D3、1A1分區接觸網電壓分布仿真數據。

基于表5數據可得以下結論：

1）接觸網殘壓的計算公式為RB／（RA＋RB）×1500V，由此可知其大小由接觸網絕緣電阻間比例關系決定。

圖5 1D3、1A1分區接觸網電壓分布仿真

2）接觸網殘壓的大小由分段絕緣器電阻和接觸網電阻共同作用，理論值為0＜殘壓＜1 500 V。因此，殘壓只能減小，不能消除。

3）仿真中測得殘壓范圍為10.0V～815.9 V，仿真結果與西安地鐵監測的殘電壓從數10 V 至700多V 相吻合。

2.4 實物模擬驗證

為了對分析結果進行進一步驗證，使用接觸網分段絕緣器和絕緣子依據圖3搭建起測試回路，做定性模擬驗證（見圖6）。絕緣子A 和絕緣子B上部連接在一起，在絕緣子A 兩端加1 500 V 電壓，通過在分段絕緣器噴淋水霧降低絕緣電阻來檢測絕緣子B的電壓值。

表5 1D3、1A1分區接觸網電壓分布仿真數據

圖6 接觸網殘壓模擬驗證

測試結果顯示，隨著分段絕緣器受潮后絕緣電阻下降，絕緣子B電壓同步升高，由15 V 逐步上升到41 V，這就是接觸網殘壓的變化情況。

3 結論

通過實測、仿真分析及驗證，充分證明了接觸網殘壓是由接觸網系統內絕緣電阻分壓比例關系決定的，是采用分段絕緣器連接的接觸網固有特性。當相鄰區段接觸網供電時，接觸網殘壓不可避免，主要影響環境變化較大的車輛段和停車場，但可以通過采取有效措施來降低接觸網殘壓，以減小造成的不良影響。減少對接觸網殘壓影響的措施如下：

1）改進設計和施工工藝。提高分段絕緣器兩端絕緣電阻，防止分段絕緣器絕緣電阻的降低，避免相關設備與分段絕緣器搭接，以減少外界環境對其造成的影響。

2）改進相關技術。在保證安全的對地電阻前提下，降低發生殘壓區段接觸網的對地絕緣電阻。當初步判斷驗電器內部的兆歐級電阻為殘壓時，臨時可將1～2組驗電器掛至接觸網上，然后再進行驗電，如能通過則證明為殘壓，即可采取安全措施或投入被閉鎖的饋線開關。

3）改進送電組織流程。當受接觸網殘壓影響導致直流饋線開關無法正常送電時，電力調度可將與分段絕緣器連接的相鄰區段接觸網停電，然后再向殘壓區段送電，這樣可快速恢復設備功能，以保障運營安全。

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