城市軌道交通供電系統鋼軌電位限制裝置操作過電壓研究

陳民武，趙　鑫，丁大鵬，于峰學,馮　祥

(1.西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都　610031；2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司 電氣化處，陜西 西安　710043；3.無錫地鐵集團有限公司 運營分公司，江蘇 無錫　214000)

近年來，我國城市軌道交通正經歷著前所未有的高速發展期。截至2015年底，全國共有25個城市開通運營了城市軌道線路，運營線路總長3 293 km，預計2016年末，總運營里程將超過3 800 km，新增運營城市總數將超過29個[1]。目前國內城市軌道交通系統主要采用直流750 V或1 500 V供電制式，流經機車的牽引電流通過鋼軌返回至牽引變電所負極母線。運行時的牽引電流可達2 kA以上，并且由于鋼軌阻抗及雜散電流的影響，機車運行過程中鋼軌與地之間會產生較高的電位差。為了防止鋼軌對地電位過高可能造成人身傷害，在各個車站及停車場內都裝設有鋼軌電位限制裝置(Over-Voltage Protection Device, OVPD)，用以監測鋼軌與大地之間的電壓，當鋼軌電位過高時將鋼軌接地，起到限制鋼軌電位的作用，保障工作人員及站臺乘客的人身安全[2]。

隨著OVPD的廣泛運用，其經常在工作中出現二段和三段電壓保護誤動，導致OVPD的接觸器永久接地，使部分回流電流從OVPD的接觸器泄入大地而形成高達800 A以上的雜散電流[3]，雜散電流會對金屬形成電化學腐蝕，嚴重腐蝕埋地金屬管線、鋼筋結構及隧道相關設施與建筑，進而對地鐵運行安全造成嚴重危害[4]。

本文研究建立包含有鋼軌電位限制裝置的城市軌道交通回流系統等效電路模型，對OVPD的動作過程進行仿真，并通過現場實測對仿真模型進行驗證。在此基礎上，分析產生OVPD操作過電壓的原因及其導致二段和三段電壓保護誤動的機理和規律，提出抑制操作過電壓的解決方案。

1　OVPD工作原理

城市軌道交通OVPD連接回流系統中的鋼軌和大地，其結構原理圖如圖1所示。圖中：I為機車取流；I1和I2為牽引電流；I3和I4為鋼軌電流；I5為雜散電流；I6和I7為泄露電流的回流電流。

OVPD保護策略為三段式保護，具體如下。

(1)當鋼軌電位U達到一段電壓保護動作閾值U1(一般設為90 V)且持續0.8 s后，OVPD將鋼軌與大地短接，有效降低鋼軌電位。在預設時間10 s內接觸器保持合閘狀態，之后接觸器恢復斷開。在預設時間內若裝置動作次數達到3次，裝置閉鎖，需人工手動復位[5]；

圖1　OVPD結構原理圖

(2)當鋼軌電位U達到二段電壓保護動作閾值U2(一般設為150 V)時，OVPD無延時使接觸器直接合閘并閉鎖，需人工手動復位[6]；

(3)當鋼軌電位U達到三段電壓保護動作閾值U3(一般設為600 V)時，晶閘管模塊無延時導通，接觸器接收到晶閘管導通的信號后合閘并永久閉鎖，需人工手動復位[7-8]。

OVPD具體保護流程圖如圖2所示。

圖2　OVPD動作流程圖

2　基于實測數據的OVPD誤動機理分析

2016年3月，針對無錫地鐵2號線OVPD頻繁動作和閉鎖的問題，對該線牽引變電所鋼軌電位進行了現場測試。測試過程中OVPD多次出現三段與一段電壓保護同時動作的現象，任取某一動作時刻的鋼軌電位如圖3所示。從圖3可以看出：當鋼軌電位達到90 V時，OVPD一段電壓保護啟動正常，但在一段電壓保護動作時刻產生了幅值高達886 V的過電壓，使三段電壓保護誤動，OVPD的接觸器閉鎖，鋼軌電位變為零。分析三段電壓保護誤動的原因為：一段電壓保護接觸器在合閘時產生的操作過電壓達到了三段電壓保護動作的閾值，導致三段電壓保護動作，接觸器直接閉鎖。

圖3　無錫地鐵2號線鋼軌電位

2016年5月，針對西安地鐵1號線OVPD頻繁動作和閉鎖的問題，對西安地鐵1號線牽引變電所的鋼軌電位進行了現場測試。測試過程中OVPD多次出現二段電壓保護誤動、接觸器直接閉鎖的現象，任取某一動作時刻的鋼軌電位如圖4所示。從圖4可以看出：一段電壓保護接觸器恢復時產生了操作過電壓，與此同時發生了二段電壓保護動作。分析二段電壓保護誤動的原因是接觸器分閘時所產生的操作過電壓所致。

圖4　西安地鐵1號線鋼軌電位

正常情況下，一段電壓保護需有效地將鋼軌與地短接，經預設的延時后再及時斷開接觸器，恢復一段電壓保護，避免接觸器長時間合閘而導致較大的電流泄入大地。實際在現場，OVPD二段、三段電壓保護誤動會使較大的電流流入大地而形成雜散電流。取測試過程中OVPD閉鎖后一段時間內流經OVPD的電流波形如圖5所示。從圖5可以看出：OVPD的電流幅值可達700 A。

在OVPD接觸器動作的暫態過程中，其等值電路是1個由電阻、電感和電容組成的高階電路。在OVPD分、合閘的過程中會導致等值電路的結構和參數發生變化，再加上電力機車在線路區間運行時等值電路的參數也不斷改變，從而使得在OVPD動作的暫態過程中形成高階振蕩電路而產生操作過電壓[9]。

圖5　流經OVPD的電流

3　回流系統建模及OVPD動作過程仿真

3.1　回流系統建模

對城市軌道交通回流系統進行簡化與假設，選取“鋼軌—大地”兩層回流結構，建立城市軌道交通回流系統分布參數等效電路模型[7,10]。模型中設置3座牽引變電所，采用雙邊供電方式，末端所設置了OVPD，機車采用電流源代替[11]。模型中假設：回流系統參數均勻分布；牽引電流是1個恒定直流；饋電線路阻抗忽略不計[2]。簡化后的回流系統等效電路模型如圖6所示。圖中：Us為直流牽引電壓；Rs為變電所等效電阻；Rr為接觸網縱向電阻；R1為鋼軌縱向電阻；L1為鋼軌電感；R2為軌地過渡電阻；C2為軌地電容；R3為大地縱向電阻；C0為電纜對地電容；L0為電纜電感；K為OVPD的接觸器。

圖6　回流系統等效電路模型

回流系統為分布參數系統，當考慮暫態變化對鋼軌電位的影響時，鋼軌縱向電阻R1、鋼軌電感L1、軌地過渡電阻R2和軌地電容C2均會對其產生顯著影響[2]，因此有必要對以上回流系統參數進行具體分析。

1)鋼軌參數

鋼軌縱向電阻R1：目前城市軌道交通常用60和65 kg·m-1鋼軌，西安地鐵1號線和無錫地鐵2號線均采用60 kg·m-1鋼軌，其電阻標準值為27.3 mΩ·km-1。考慮鋼軌之間的連接等影響，結合依據標準GB/T 28026.2—2011《軌道交通 地面裝置》對鋼軌縱向電阻進行現場測試的結果，仿真模型中取鋼軌縱向電阻為36 mΩ·km-1。

鋼軌電感L1：鋼軌電感由內電感和外電感組成。鋼軌內流過電流時在其內部會產生磁場，此時對應的參數為鋼軌內電感。鋼軌外部電感除了考慮軌道和接觸網及大地的耦合關系外，還應考慮回流軌道與軌道下方鋼筋混凝土結構的整體道床、周圍隧道結構中的鋼筋網絡之間的互感。根據文獻[2]綜合考慮各種影響因素，仿真模型中取鋼軌電感為1 mH·km-1。

2)軌地參數

軌地過渡電阻R2：盡管理論上鋼軌絕緣安裝，但在工程實踐中無法保證鋼軌與地之間絕對絕緣，軌地之間存在電流通路。CJJ49—1992《地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程》中規定，在建或新建地鐵線路的軌地過渡電阻不應小于15 Ω·km，已投運的地鐵線路不應小于3 Ω·km。仿真模型中取軌地過渡電阻為10 Ω·km。

軌地電容C2：暫態變化過程中鋼軌與地之間存在電容效應，用鋼軌與地之間均勻分布的電容元件描述。將與地平行放置的2條鋼軌看作考慮大地影響的二線傳輸系統，根據電磁場理論，鋼軌對地電容C2為[12]

(1)

式中：ε0為真空介電常數；l為鋼軌長度；Req為鋼軌等值半徑；h為鋼軌等效軸心對地高度；d為2條鋼軌之間的水平距離。

另外，OVPD通過電力電纜與鋼軌和地相連，仿真模型中OVPD中接觸器與地之間的電感用電纜電感L0等效，OVPD中接觸器與地之間的電容用電纜的對地電容C0等效。

3.2　OVPD動作過程仿真

仿真模型中設定：線路長度為5 km，接觸網電壓結合現場實測取1 700 V，機車取流為2 000 A,上、下行各設置1輛機車取流。

等值電路模型中的參數取值如下：R1=36 mΩ·km-1，L1=1 mH·km-1，R2=10 Ω·km，C2=42.884 5 nF·km-1，R3=30 mΩ·km-1，C0=46 nF，L0=0.122 mH。

OVPD一段電壓保護動作即接觸器合閘后，改變了回流系統等值電路的結構，使電路發生振蕩，產生合閘過電壓，對合閘時的暫態過程進行仿真如圖7所示。

圖7　合閘過電壓仿真結果

由于機車運行狀態的不同、牽引負荷電流的劇烈變化等因素的影響，使得過電壓的產生具有很大的隨機性。統計無錫地鐵2號線鋼軌電位測試數據中的合閘過電壓，超過600 V的過電壓為13次，而圖7中合閘過電壓的仿真結果為647 V，也超過了600 V，與現場測試中多次出現超過600 V的合閘過電壓的情況基本相符。

OVPD一段電壓保護動作即接觸器合閘后，經過10 s延時接觸器分閘，模型中設定分閘時刻流經OVPD的電流為400 A，對分閘時的暫態過程進行仿真如圖8所示。

圖8　分閘過電壓仿真結果

改變模型中分閘時刻流經OVPD泄入大地的電流，對不同電流幅值下分閘時的暫態過程進行仿真，結果見表1。

表1　分閘過電壓與流經OVPD電流的關系

仿真結果表明：OVPD操作過電壓隨著流經OVPD電流的增大而增大，當流經OVPD的電流為600 A時，過電壓幅值可達到2 392 V，在地鐵實際運行過程中控制盤記錄的鋼軌電位數據也存在高達2 422 V的過電壓；并且，圖4中過電壓幅值最大為818 V，與流經OVPD的電流為200～300 A時的過電壓仿真結果基本一致，表明仿真結果與現場測試情況基本相符。

上述OVPD分、合閘過程的仿真結果表明：OVPD在分、合閘時會產生操作過電壓，過電壓的幅值達到或超過了二段和三段電壓保護動作閾值后，導致二段和三段電壓保護誤動，接觸器閉鎖，增大了雜散電流產生的危害。

4　解決方案設計

OVPD二段和三段電壓保護誤動的原因是由于接觸器分、合閘產生操作過電壓所致，接觸器分、合閘動作改變了回流系統等值電路的結構和參數，使電路發生振蕩產生過電壓。問題的解決思路應從過電壓的抑制入手，考慮改變電路的結構和參數，使暫態過程中的振蕩電路變為非振蕩電路。

RC電路是常用的抑制操作過電壓的保護電路，電路中電容元件用來抑制電壓的突然變化，減緩過電壓的沖擊；電阻元件用來消耗系統中的能量，增大系統的阻尼系數，加速振蕩所引起能量的衰減[13]。加裝RC保護電路后的系統簡化原理圖[7]如圖9所示，圖中：R和C分別為加裝保護電路的電阻和電容。

圖9　加裝RC保護電路后的系統簡化原理圖

在仿真模型中，將RC保護電路并接到OVPD兩端后，得到圖7和圖8所示仿真操作過電壓的抑制效果，分別如圖10和圖11所示。

圖10　RC保護電路抑制合閘過電壓的仿真效果

圖11　RC保護電路抑制分閘過電壓的仿真效果

由加裝RC保護電路前后的仿真波形可以看出：加裝RC保護電路改變了回流系統等效電路的結構和參數，使暫態過程中的振蕩電路變為了非振蕩電路，從而有效地將合閘過電壓抑制在二段和三段電壓保護動作閾值以下；將分閘過電壓的抑制在三段電壓保護動作閾值以下，避免OVPD的誤動。

對于分閘過電壓，除了考慮加裝過電壓抑制電路以外，還針對分閘過電壓與流經OVPD泄入大地的電流之間的關系，對OVPD分閘添加條件限制。當OVPD合閘動作完成后，通過在OVPD中加裝電流檢測元件檢測流經OVPD的泄漏電流絕對值I0，若I0大于整定值I，不分閘；若I0小于整定值I，OVPD可以分閘[7]。表2為流經OVPD不同電流情況下加裝RC電路的抑制效果。

表2　分閘過電壓抑制與流經OVPD電流的關系

從表2可以看出：當流經OVPD的電流為300 A時，RC保護電路可以將分閘過電壓抑制到110.9 V，該值小于二段電壓保護動作閾值U2，故可將整定值I設為300 A。

通過以上過電壓解決方案的設計以及相應的仿真結果，表明在加裝RC保護電路基礎上，結合改進的分閘條件，有效抑制了操作過電壓的產生，可以避免OVPD二段和三段電壓保護誤動。

5　結　語

在分析鋼軌電位限制裝置二段和三段電壓保護誤動原因的基礎上，揭示了一段電壓保護接觸器分閘和合閘過程改變了回流系統等值電路結構和參數，造成了高階振蕩電路的暫態過程，容易產生操作過電壓。鋼軌電位限制裝置動作過程的仿真也證明了接觸器分合閘過程的暫態特性，仿真與實測結果基本一致。

提出了鋼軌電位限制裝置操作過電壓的解決方案，即通過增加振蕩抑制電路，改變主回路的電氣特性，配合引入泄露電流檢測判據，可以有效地抑制操作過電壓，防止裝置誤閉鎖，也減少了雜散電流產生的危害。

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