直流牽引供電系統電流跨區間傳輸對鋼軌電位影響

杜貴府　張棟梁　王崇林　劉建華　李國欣

(中國礦業大學信息與電氣工程學院　徐州　221008)

直流牽引供電系統電流跨區間傳輸對鋼軌電位影響

杜貴府張棟梁王崇林劉建華李國欣

(中國礦業大學信息與電氣工程學院徐州221008)

摘要直流牽引供電系統普遍存在鋼軌電位過高的問題，現有模型仿真結果一般遠小于現場實際值。對多區間多列車并列運行情況下電流跨區間傳輸現象進行分析，理論研究了電流跨區間傳輸對鋼軌電位的影響。通過廣州地鐵8號線現場測試，驗證了跨區間傳輸電流所占列車總牽引電流比例增加時，會導致鋼軌電位增大。根據直流牽引供電系統實際特性，建立多供電區間多列車的鋼軌電位動態分析模型，仿真分析了列車動態運行下直流牽引供電系統電流跨區間傳輸現象，對比分析不同電流跨區間傳輸情況下鋼軌電位變化?，F場測試及仿真結果表明，有效避免電流跨區間傳輸可大大降低線路鋼軌電位幅值。

關鍵詞：直流牽引供電系統鋼軌電位電流跨區間傳輸動態分析模型

0引言

國內外城市軌道交通線路一般采用直流供電，走行軌回流方式，列車由接觸網獲取電能，牽引電流經走行軌回流至牽引變電所負極，供電電壓等級采用DC 750 V或DC 1 500 V。由于系統一般采用懸浮接地方式，且走行軌本身具有一定的縱向電阻，軌道和地之間會產生電位差，即鋼軌電位。該電位過高時，會對人身安全造成危害，同時，在相同回流絕緣條件下，鋼軌電位的升高可能會加劇雜散電流泄漏問題[1-4]。目前，國內外城市軌道交通線路普遍存在鋼軌電位過高問題，線路運營時鋼軌電位經常達到90 V，甚至更高。為保證乘客人身安全，國內外城市軌道交通線路中普遍安裝鋼軌電位限制裝置(Over Voltage Protection Device，OVPD)[4-6]。但運營中，OVPD頻繁動作，甚至直接閉鎖，將軌道與地長期短接，此時泄漏電流可達800 A[7]，這給線路運營安全及雜散電流防護帶來很大的困擾。因此，OVPD作為保護設備，不能從根本上解決鋼軌電位過高問題。

關于鋼軌電位產生的原因及抑制措施，國內外學者做了大量研究。研究表明[1，2，4]，減小走行軌縱向電阻，提高供電電壓等級，減小牽引變電所距離可有效降低鋼軌電位。文獻[2，4，8]研究了直流牽引供電系統3種不同接地方式對鋼軌電位與雜散電流的影響，認為系統應選擇懸浮接地方式，該方式雖然可有效減少雜散電流泄漏，但并不能解決鋼軌電位過高問題。文獻[9，10]研究了臺北捷運系統中多線路互聯對鋼軌電位與雜散電流的影響，通過仿真和現場測試，證明解除多線路之間阻抗連接器可降低鋼軌電位，同時，文獻[9]仿真研究了同一線路不同軌道間橫連(即增加均流線)對減小鋼軌電位的作用。文獻[5]通過現場測試及仿真，研究了列車運行工況對鋼軌電位和雜散電流的影響，表明鋼軌電位在列車加速和再生制動時，比其他運行工況高，列車運行時，列車所在位置的鋼軌電位最高。

上述研究一般基于回流系統自身參數，而很少關注系統多列車多變電所并列運行時，列車之間相互影響導致的鋼軌電位變化。由于系統接觸網的電氣連通性及等效24脈波不控整流機組能量的單向流通性[11]，再生制動列車回饋的能量會根據線路中其他列車位置、功率情況、再生制動能量吸收裝置情況進行分配，這會導致加速列車牽引電流部分來源于其他供電區間，出現電流的跨區間傳輸現象，此時，電流流通距離比正常供電情況下成倍增加，會對鋼軌電位造成一定影響。

本文分析了直流牽引供電系統特性和電流跨區間傳輸及其對鋼軌電位的影響，通過廣州地鐵8號線現場測試進行了驗證。同時，建立了鋼軌電位動態分析模型，仿真分析了線路運行過程中電流跨區間傳輸動態變化及對鋼軌電位動態的影響。

1系統描述及理論分析

1.1系統描述

本文選擇廣州地鐵8號線進行現場測試。該線路全長18.48 km，設置13座車站，其中，牽引降壓混合變電所7座，降壓變電所6座，如圖1所示。

圖1　廣州地鐵8號線線路Fig.1　Configuration of Guangzhou metro line 8

廣州地鐵8號線直流供電電壓等級為1 500 V，其直流牽引供電系統的結構如圖2所示。

圖2　直流牽引供電系統原理Fig.2　Schematic of DC mass transit system

電能從35 kV交流母線經降壓、整流成直流，由接觸網輸送給線路上運行的列車，回流電流經走行軌和回流電纜流回牽引變電所負極。為使接觸網安全、可靠、靈活地向列車供電，相鄰供電區間接觸網設有電分段[12]，直流正母線經直流斷路器B1～B4連接至電分段兩側接觸網，分別給變電所兩側區間供電。直流母線及斷路器的存在使電分段兩側接觸網電氣連通。

直流牽引供電系統廣泛使用等效24脈波不控整流機組[13，14]。整流機組的外特性與供電系統的阻抗參數、整流變壓器的阻抗電壓以及整流器接線方式等多種因素有關，外特性為多段曲線[11，15]，本文后續建模仿真時，將整流機組輸出特性簡化為連接曲線起點、終點的直線段。整流機組輸出牽引電流時，可等效為理想電壓源串接內阻。當線路存在列車再生制動時，列車回饋能量會使牽引網網壓升高，當整流機組處牽引網網壓超過其空載電壓時，該整流機組關斷。再生制動列車回饋的能量被列車自用電消耗一部分，回饋至牽引網的能量按一定比例被其他相鄰取流的列車吸收利用外(吸收情況與列車工況及運行密度有關)，剩余部分將被再生制動能量吸收裝置吸收[16]。廣州地鐵8號線列車上設置再生制動能量吸收電阻，啟動電壓設定為1 800 V。當線路上列車再生制動能量過剩，列車位置牽引網網壓升高到1 800 V時，啟動再生制動能量吸收電阻，使牽引網網壓維持在設定值。根據上述變電所及列車運行特性，本文模型建立時變電所及列車特性曲線如圖3所示。

圖3　牽引變電所及列車特性曲線Fig.3　External characteristic of traction substation and train

圖3中，Umax為牽引網允許最高網壓，Umin為牽引網允許最低網壓，U0為整流機組空載電壓。圖3a中，第一象限線段Ⅰ表示整流機組輸出電流與直流母線電壓關系，縱軸上線段Ⅱ表示當整流機組處牽引網網壓超過其空載電壓時，該整流機組關斷，且牽引網網壓不會超過最高允許網壓Umax。圖3b為列車特性曲線，電流正方向設為接觸網到列車。某一時刻列車功率由牽引計算獲取，列車為恒功率模型。第一象限曲線群Ⅰ表示列車處于牽引工況；線段Ⅱ表示牽引網網壓最低限值Umin；縱軸Umin～Umax線段Ⅲ表示列車功率P=0，該列車節點退出運行；第二象限曲線群Ⅳ表示列車處于再生制動工況；線段Ⅴ表示列車位置牽引網網壓最高限值Umax。

為防止站臺位置鋼軌電位過高對人身安全造成危害，變電所內通常裝設OVPD[4]，當鋼軌電位超過設定值時OVPD合閘，使鋼軌和地短接，降低鋼軌電位。廣州地鐵8號線OVPD原理及動作特性如圖4所示。

圖4　OVPD原理圖及動作特性Fig.4　Schematic and operating characteristic of the OVPD

1.2電流跨區間傳輸影響下鋼軌電位理論分析

直流牽引供電系統全線接觸網整體連通，多變電所、多列車并列運行情況下，存在電流跨區間傳輸的現象，分析模型如圖5所示。

圖5　電流跨區間傳輸分析Fig.5　Analysis of traction current transmission

假設兩列車均在吸收功率，在某一時刻，經牽引計算，列車功率、位置確定后，經直流潮流計算可得到各節點電壓[U1，U2，U3，U4，U5]及各節點注入電流[I1，I2，I3，I4，I5]。根據列車1、列車2功率的不同，牽引計算后電流分配可能出現兩種情況，如圖5b和圖5c所示，雖然兩種情況均把該模型分成了兩個電流分配區域，但電流跨區間傳輸情況不同。

圖5b情況下，電流關系為

(1)

式中，λ為比例系數，表示變電所1電流分配給列車2的比例；λI2為該電流分配情況下跨區間傳輸的變電所電流。

圖5c情況下，列車1電流可描述為

(2)

式中，λI3為該電流分配情況下跨區間傳輸的變電所電流。而列車2牽引電流全部來源于變電所2和變電所3。

圖6a為列車1吸收功率、列車2再生制動時簡化模型。經牽引網潮流計算得到各節點電壓矢量和電流矢量后，該模型電流分配區域類型如圖6b所示。此時，電流I1由I2、I3、I4提供，線路中會出現跨區間傳輸的再生制動電流I4，且電流流通距離可能為供電距離的幾倍。若列車2再生制動功率大，U2、U3均大于整流機組空載電壓U0時，I2、I3可能為0，即變電所1和變電所2不輸出功率，列車1所需功率全部由列車2再生制動功率提供，此時，電流跨區間傳輸將加劇。

以圖6a所示模型為實例，理論分析電流跨區間傳輸對鋼軌電位的影響。為便于鋼軌電位幅值分析，選擇列車1位置為坐標原點。

單供電區間中，對于回流通路某個微元dx，軌道電流i(x)與鋼軌電位u(x)關系滿足

du(x)=-i(x)Rdx

(3)

其通解為

u(x)=C1chα·x+C2shα·x

(4)

此時牽引列車位置鋼軌電位為

u(0)=C1

(5)

如圖6b所示，當存在跨區間傳輸的電流時，設I2、I3、I4占列車1牽引電流I1的比例分別為λ1、λ2、λ3，則λ1+λ2+λ3=1。由于回流系統為線性電路，列車1位置牽引電流相當于多個不同供電回路的疊加。不同區間內軌道電流及鋼軌電位表達式如下。

0～L1區間內

u1(x)=C3chα·x+C4shα·x

(6)

邊界條件：i1(0)=λ1I1；i1(L1)=λ1I1。

0～L2區間內

u2(x)=C5chα·x+C6shα·x

(7)

邊界條件：i2(0)=λ2I1；i2(L2)=λ2I1。

0～L3區間內

u3(x)=C7chα·x+C8shα·x

(8)

邊界條件：i3(0)=λ3I1；i3(L3)=λ3I1。

此時，牽引列車2位置鋼軌電位為

u′(0)=u1(0)+u2(0)+u3(0)

(9)

即

(10)

而函數

(11)

簡單來說，對懸浮接地系統，列車處鋼軌電位大小主要由回流電流大小、回流長度和鋼軌縱向回流電阻決定，懸浮系統電流回路的中點處鋼軌電位為零，列車處幅值最大，一旦存在較大的跨區間傳輸電流，電流回流通路加長，鋼軌電位會升高，且鋼軌電位升高的程度與電流跨區間傳輸的程度及距離直接相關。

2現場測試及分析

選擇廣州地鐵8號線琶洲站-萬盛圍站區間進行測試，該區間為單邊供電區間，站間距1.8 km，牽引電流變化規律相對清晰。

2.1變電所牽引電流測試

琶洲站變電所直流母線通過直流斷路器B1～B4分別連接琶洲-萬盛圍區間下行接觸網、琶洲-萬盛圍區間上行接觸網和新港東-琶洲區間上行接觸網、新港東-琶洲區間下行接觸網。測試時，直流斷路器電流以正母線流至接觸網方向為正。

06∶23∶40～06∶25∶10時間段琶洲站B1～B4牽引電流變化曲線及分析如圖7所示。

圖7　琶洲站牽引電流變化及分析Fig.7　Traction current curve and analysis of Pazhou

圖7所示琶洲站牽引變電所電流變化過程中，萬盛圍站上行線一列車Tr1完成加速、惰行、再生制動，行駛至琶洲站。由于供電區間為單邊供電，加速列車Tr1取流全部流經B2，列車再生制動時被附近列車吸收的電流也流經B2傳輸至其他供電區間。此時，列車密度低，列車Tr1加速時附近無再生制動列車，B3、B4電流為并列運行的其他牽引變電所向列車Tr1提供的牽引電流，即跨區間傳輸的變電所電流。

0～55 s時間段內，列車Tr1加速啟動，琶洲站變電所提供的牽引電流如圖7中Is所示，其他變電所提供的牽引電流為B3與B4之和。取列車Tr1牽引電流較大時刻，計算電流跨區間傳輸比例(Current Transmission Ratio，CTR)，如表1所示，此時跨區間傳輸的電流比例較低，且比較穩定。

表1　電流跨區間傳輸情況

08∶10∶35～08∶12∶05時間段琶洲站B1～B4牽引電流變化曲線及分析如圖8所示。該過程中，0～33 s時間段琶洲站上行有一列車Tr2加速駛向新港東站，琶洲站向其供電電流為B3。由于琶洲-萬盛圍為單邊供電區間，且該區間在此時間段內無列車運行，因此B1、B2中電流為0 A。43 s后，萬盛圍站上行有一列車Tr3出站加速，駛向琶洲站，牽引電流如B2。此時，從琶洲站出發的列車Tr2已開始再生制動，由于列車Tr3正從接觸網吸收電流，列車Tr2再生回饋至牽引網的電流跨區間傳輸至列車Tr3位置，流經B3斷路器中的負向電流比圖7所示的情況大的多。該過程中，琶洲站牽引變電所提供的牽引電流變化如圖8 中Is所示，琶洲站變電所供電電流比圖7所示情況小得多。

圖8　琶洲站牽引電流變化及分析Fig.8　Traction current curve and analysis of Pazhou

表2為列車Tr3牽引電流較大時刻電流傳輸比例的大小，由于存在列車Tr2再生制動，跨區間傳輸的電流幅值和比例大大增加，牽引電流較大時，跨區間傳輸的電流比例可達89.3%，相比較表1中的數值，變化明顯。

表2　電流跨區間傳輸情況

由上述分析可知，由于線路牽引網的電氣連通性，列車運行時均會存在一定的跨區間傳輸電流，該電流的幅值與線路列車密度、列車功率情況、變電所之間距離等因素相關，同時還與各變電所的電源及整流機組容量和阻抗參數有關。在變電所參數一定時，當列車密度較大，且一列車再生工況與另一列車加速工況重合度較高時，跨區間傳輸的電流會大幅增加。

2.2鋼軌電位測試

為驗證電流跨區間傳輸對鋼軌電位的影響，對萬盛圍站站臺位置鋼軌電位進行了測試，并與琶洲站牽引電流變化情況進行對比，分析電流跨區間傳輸對鋼軌電位的影響。萬盛圍站OVPD在運營過程中動作頻繁，且經常閉鎖。

圖9為3個典型列車加速過程中，琶洲站牽引電流、電流跨區間傳輸比例、萬盛圍站站臺位置鋼軌電位變化曲線。

圖9　電流跨區間傳輸與鋼軌電位動作情況Fig.9　Test results of traction current and rail potential

圖9中B2曲線為列車牽引電流，最大幅值基本一致，但由于線路其他列車工況不同，導致電流跨區間傳輸的程度不同，出現較大跨區間傳輸電流值的時刻不同，萬盛圍站站臺位置OVPD在不同時刻產生了合閘動作。

圖9a所示列車Tr4加速過程中，附近無再生制動列車。因此，僅存在跨區間傳輸的變電所電流，跨區間傳輸的比例較低且平穩，該過程中鋼軌電位幅值較低，沒有引起OVPD的合閘動作。

圖9b所示列車Tr5開始加速時，已經存在跨區間傳輸的電流。0～2.6 s期間，雖然電流傳輸比例較大，但列車牽引電流幅值低，鋼軌電位逐漸升高，沒有達到OVPD合閘動作電壓。7.2～10.7 s期間，列車牽引電流幅值達到最大，并保持穩定，此時電流跨區間傳輸的比例仍不斷增加，9.26 s時，萬盛圍站鋼軌電位達到OVPD動作電壓限值U>，OVPD合閘，10 s后自動分閘。

圖9c所示列車Tr6加速過程中，0～12 s期間，電流跨區間傳輸比例幅值較低，且比較平穩。12 s后，琶洲-新港東區間有列車Tr7再生制動，由于列車Tr6此時牽引電流較低，電流跨區間傳輸比例迅速增加，達到100%。13.9 s后，由于Tr6列車牽引電流增加，電流跨區間傳輸比例開始降低。16.2 s后Tr6列車牽引電流幅值達到最大，電流跨區間傳輸的比例逐漸增加，萬盛圍站鋼軌電位逐漸增加，16.7 s時，鋼軌電位達到OVPD動作電壓限值U>，OVPD合閘，10 s后自動分閘。

根據現場測試及分析結果，相同的加速過程，在列車取流幅值基本一致的情況下，電流跨區間傳輸情況不同，鋼軌電位幅值有較大差別。

由于現場區間長，且列車運行于隧道中，列車間實時距離及運行工況很難直接測量，為進一步研究電流跨區間傳輸對鋼軌電位的影響，本文建立直流牽引供電系統鋼軌電位動態分析模型，并進行仿真分析。

3仿真分析

根據實際系統特性，本文在Matlab中建立了直流牽引供電系統動態仿真模型。動態仿真模型包括線路列車牽引計算、再生制動能量吸收裝置的直流牽引網潮流計算[17-19]及鋼軌電位分布模型。動態仿真流程如圖10所示。

其中主要仿真參數取值為：變電所空載電壓1 663 V，變電所內阻0.054 Ω，列車再生制動能量吸收電阻啟動電壓1 800 V，接觸網阻抗0.01 Ω/km，走行軌阻抗0.02 Ω/km，走行軌對收集網過渡電導0.2 S/km，收集網阻抗0.02 Ω/km，收集網對地過渡電導0.2 S/km，潮流計算迭代準確度0.1 V，變電所回流位置軌道對收集網等效電導、收集網對地等效電導均取0.001 S，列車位置軌道對收集網等效電導、收集網對地等效電導均取0.002 5 S，3個變電所A、B、C分別設置于0 km、2 km、4 km位置。仿真中，假設再生制動能量吸收裝置的容量足夠大，且不設置OVPD動作。

圖10　仿真流程Fig.10　Flow chart of the model

3.1模型驗證

為驗證鋼軌電位動態分析模型，對廣州地鐵8號線早間線路初始運營，列車較少時琶洲站的牽引電流、直流母線電壓及鋼軌電位進行了測試，此過程為一列車由琶洲站出發向新港東站行駛。琶洲站與新港東站間距為1.0 km，且新港東站為降壓變電所。

仿真結果與測試結果對比如圖11所示。0～17 s時間段內，列車加速啟動，從牽引變電所取流，直流母線電壓會隨之降低。此過程中，測試距離回流點200 m位置鋼軌電位，隨牽引電流增加而不斷增大，最大可達38 V。17～56 s時間段內，列車惰行，牽引變電所供電電流較小，基本處于空載狀態，此時鋼軌電位較低，基本為0 V。56～77 s時間段內，列車再生制動減速，向接觸網回饋電能，由于此時線路車輛數量很少，不能吸收該能量，導致直流母線電壓迅速升高，達到1 800 V時，車載再生制動能量吸收電阻啟動，吸收再生制動回饋的能量，使直流母線電壓不超過1 800 V。由圖11中仿真結果與實際測試結果對比顯示，本文所建立的鋼軌電位動態分析模型仿真結果與現場實際測試結果基本一致，由于現場線路變電所數量多，供電情況比仿真模型更為復雜，該時間段內直流母線電壓、鋼軌電位仿真值與現場測試值有一定差別，但基本反映現場直流牽引供電系統特性。

圖11　模型驗證Fig.11　Simulation model validation

3.2電流跨區間傳輸分析

仿真中，設置Tr1列車由A站出發，到達B站，停站30 s后，由B站出發到達C站。219.6 s時，Tr2列車由A站出發，到達B站。列車牽引計算得到的Pt1(t)、Pt2(t)，St1(t)、St2(t)變化如圖12所示。

如圖12所示，0 s開始，列車Tr1由A站出發，112.2 s到達B站，在站臺停留30 s后，由B站出發，向C站行駛。當行駛至219.6 s后，A站有列車Tr2啟動，向B站行駛。254.4 s時，列車Tr1到達C站，并在C站停留。331.8 s時，列車Tr2到達B站，并在B站停留，至350 s仿真結束。對該運行過程進行仿真。

圖12　線路列車運行圖Fig.12　Train diagram in the simulation

圖13　電流跨區間傳輸仿真分析Fig.13　Simulation results of current transmission

如圖13所示，0～120 s，線路上只有列車Tr1運行在A-B區間，列車Tr1加速時，其牽引電流It1中跨區間傳輸部分所占比例在21.6%～28.5%，隨列車Tr1位置變化而有微小變化。220～260 s，線路上列車Tr1運行在B-C區間，并且開始再生制動。列車Tr2從A站加速，運行在A-B區間，此時，列車Tr2牽引電流It2中，跨區間傳輸的電流隨列車Tr1運行工況的改變而發生變化。220～229.6 s，列車Tr1惰行，此時列車Tr2加速，但其牽引電流中跨區間傳輸的比例較低。229.6 s時，列車Tr1再生制動，列車Tr2牽引電流中跨區間傳輸的比例迅速增加到100%。236.6 s時，列車Tr1與Tr2間距為3 687.4 m，列車Tr2牽引電流中跨區間傳輸的比例為100%。對比兩時間段列車Tr1再生制動時能量吸收裝置的電流(陰影部分)，80～110 s時大部分再生制動電流被車載能量吸收裝置吸收，而230～250 s時大部分再生制動電流被跨區間傳輸。仿真結果表明，列車運行時，會存在一定的牽引電流來源于跨區間傳輸，且跨區間傳輸的比例受線路上運行的其他列車工況影響較大。

3.3電流跨區間傳輸及其對鋼軌電位影響仿真分析

利用仿真模型分析牽引電流跨區間傳輸對鋼軌電位的影響。按照圖12所示列車運行圖，對全線不同位置連續變化時刻的鋼軌電位進行仿真，得到鋼軌電位動態變化如圖14所示。

圖14　鋼軌電位動態變化Fig.14　Rail potential variation in different locations and time

如圖14所示，按圖12中仿真得到的線路鋼軌電位，相同加速過程中，230～250 s時間段內鋼軌電位最高幅值106.52 V，是0～20 s時間段內最高幅值47.36 V的2.25倍，且鋼軌電位正向最大值和負向最大值分別出現在加速運行的Tr2列車位置和再生制動運行的Tr1列車位置。

為更加清晰地對比牽引電流中不同程度的跨區間傳輸對鋼軌電位的影響，設置不同的列車運行圖，使牽引電流跨區間傳輸的情況不同，對比不同列車運行圖下x=200 m位置鋼軌電位變化情況，如圖15所示。

圖15　不同列車運行圖下鋼軌電位對比Fig.15　Comparison of rail potential in different train diagrams

圖15a中描述了3種不同的列車運行圖。列車Tr1的運行時間及功率P1固定，分別設置列車Tr2在150 s、219.8 s、254.6 s由A站啟動。對應3種不同列車運行圖下，x=200 m位置，鋼軌電位變化對比如圖15b所示。由仿真結果可知，在不同列車運行圖下，電流跨區間傳輸情況不同，對加速列車位置鋼軌電位幅值影響較大：P2-1情況下，x=200 m位置鋼軌電位最大值為42.13 V；P2-2情況下，x=200 m位置鋼軌電位最大值為100.32 V；P2-3情況下，x=200 m位置鋼軌電位最大值44.32 V。不同程度的電流跨區間傳輸對鋼軌電位影響明顯。

3.4再生制動能量回饋裝置啟動電壓影響分析

再生制動能量回饋裝置啟動電壓會影響電流跨區間傳輸，同時車載超級電容、大容量飛輪儲能等針對單列車再生能量吸收技術的發展[20-22]，使列車再生制動電流不跨區間傳輸成為可能。仿真中相同列車運行圖下，設置不同的再生制動能量回饋裝置啟動電壓，對比不同啟動電壓下x=200 m位置鋼軌電位變化情況，如圖16所示。

圖16　再生制動能量吸收裝置不同啟動電壓下鋼軌電位對比Fig.16　Comparison of rail potential in different starting voltage of regenerative braking energy absorption device

圖16a中方式1～方式3分別為再生制動能量吸收裝置啟動電壓分別為1 800 V、1 700 V及車載超級電容吸收再生回饋的能量3種不同吸收方式下，列車Tr2牽引電流中跨區間傳輸所占比例變化。對應3種吸收方式下，x=200 m位置，鋼軌電位變化對比如圖16b所示，由仿真結果可知，不同吸收方式下，電流跨區間傳輸的比例不同，對加速列車位置鋼軌電位幅值影響較大：再生制動能量吸收裝置啟動電壓為1 800 V時，x=200 m位置最大鋼軌電位為100.32V；再生制動能量吸收裝置啟動電壓為1 700 V時，x=200 m位置最大鋼軌電位為74.92 V；采用車載超級電容直接吸收回饋能量方式，x=200 m位置最大鋼軌電位為44.32 V。由此可知，不同能量吸收方式對鋼軌電位影響較大，減少電流跨區間傳輸可有效降低線路鋼軌電位。

4結論

本文針對直流牽引供電系統電流跨區間傳輸對鋼軌電位的影響問題進行了理論分析、現場測試和動態模型仿真驗證，得出以下結論：

1)由于直流牽引供電系統全線直流接觸網的電氣連通性，普遍存在電流跨區間傳輸現象。該現象與線路變電所及列車運行情況有關，當存在列車再生制動，且回饋至接觸網的電流被附近運行的其他列車吸收時，電流跨區間傳輸問題更加明顯，甚至附近加速運行列車的牽引電流100%來自于跨區間傳輸。

2)牽引電流的跨區間傳輸會對線路鋼軌電位產生影響，列車相同牽引電流情況下，電流跨區間傳輸所占比例升高時，鋼軌電位會有明顯增加。仿真分析中，相同加速過程，當其牽引電流中28.5%來源于跨區間傳輸時，鋼軌電位幅值最高為47.36 V，而當牽引電流中100%來源于跨區間傳輸時，鋼軌電位幅值最大為106.52 V。

3)再生制動能量吸收裝置啟動電壓不同，或采用不同的再生制動能量吸收方式會改變電流跨區間傳輸的程度，對鋼軌電位產生一定影響。

4)本文建立的鋼軌電位動態分析模型，有效仿真了現場多列車不同運行工況下鋼軌電位的動態變化，為實際系統中多區間多列車運行分析提供條件。

參考文獻

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Effect of Traction Current Transmission Among Power Sections on Rail Potential in DC Mass Transit System

Du GuifuZhang DongliangWang ChonglinLiu JianhuaLi Guoxin

(School of Information and Electrical EngineeringChina University of Mining and Technology Xuzhou221008China)

AbstractA high rail potential has been observed during operation of the DC mass transit systems,while many simulation results of the rail potential are generally much smaller than the actual value.The traction current transmission among power sections when multiple trains run in multiple sections and its effect on the rail potential have been analyzed in this paper.The fieldtest results of the Guangzhou Metro Line 8 show that the rail potential is higher when a larger proportion of the current transmission appears.A dynamic analysis modelfor the rail potential when multiple trains running in multiple power sections isproposed in this paper.The phenomenon of the current transmission during trains’running is simulated by the dynamic analysis model,and rail potential changing under differentproportions of the current transmission is analyzed.The results of the fieldtests and the simulations show that the rail potential can be greatly reduced by preventing the cross-transmission of the traction current.

Keywords：DC mass transit system，rail potential，traction current transmission，dynamic analysis model

收稿日期2015-04-20改稿日期2015-11-25

作者簡介E-mail：cumt_dgf@126.com E-mail：zdl@cumt.edu.cn(通信作者)

中圖分類號：TM922.3

國家自然科學基金(51147011)、江蘇省自然科學基金(BK20130187)和江蘇省普通高校研究生科研創新計劃項目(KYLX_1383)資助。

杜貴府男，1990年生，博士研究生，研究方向為供配電安全和直流牽引供電系統。

張棟梁男，1974年生，博士，副教授，研究方向為供配電安全和柔性直流配電。