鋼軌電位與雜散電流綜合抑制研究

李國欣 吳培林 裴文龍

(1.中國礦業大學電氣與動力工程學院,221008,徐州; 2.國網江蘇省電力公司檢修分公司揚州運維分部,225000,揚州; 3.國網江蘇省電力公司檢修分公司,210000,南京//第一作者,副教授)

鋼軌電位與雜散電流綜合抑制研究

李國欣1吳培林2裴文龍3

(1.中國礦業大學電氣與動力工程學院,221008,徐州; 2.國網江蘇省電力公司檢修分公司揚州運維分部,225000,揚州; 3.國網江蘇省電力公司檢修分公司,210000,南京//第一作者,副教授)

在城市軌道交通直流牽引供電回流系統中,鋼軌電位與雜散電流為回流系統中相互關聯的參數,而鋼軌電位限制裝置(OVPD)與排流柜各自獨立工作,互不協調。為進一步限制回流系統中的鋼軌電位與雜散電流,需對OVPD與排流柜進行綜合優化。分析了多區間情況下OVPD與排流柜的投入與退出對鋼軌電位及雜散電流的影響,并提出了OVPD與排流柜綜合優化方案。

鋼軌電位; 雜散電流; 鋼軌電位限制裝置; 排流柜

First-author′s address School of Electrical and Power Engineering,China University of Mining and Technology,221008,Xuzhou,China

目前,城市軌道交通一般采用直流牽引供電。在直流牽引供電系統中,列車從接觸網取流,電流通過鋼軌返回牽引變電所。由于鋼軌存在縱向電阻,且鋼軌無法與大地完全絕緣,所以當鋼軌上流過電流時,鋼軌與大地之間產生鋼軌電位。回流系統的一些參數與規定值存在差距,會造成鋼軌電位異常升高,從而對乘客、工作人員的人身安全以及運行設備安全造成危害[1]。而鋼軌上的部分電流通過軌地絕緣薄弱點泄漏至大地中,形成雜散電流。雜散電流會對周圍建筑結構及埋地管道造成腐蝕。為了限制鋼軌電位以及雜散電流,需在回流系統中安裝鋼軌電位限制裝置(OVPD)和排流柜。在回流系統中,OVPD與排流柜是獨立工作,互不協調的,而雜散電流與鋼軌電位卻是回流系統中相互關聯的參數。研究表明,排流裝置進行排流時,會導致遠端鋼軌電位升高;OVPD保護性接地,會使大量的電流泄漏至大地,形成雜散電流。因此,OVPD與排流柜綜合優化配合運行,可進一步限制回流系統中的鋼軌電位與雜散電流。

1 鋼軌電位限制與雜散電流排流相互影響分析

1.1 回流系統模型建立

直流牽引供電回流系統是一個連續的系統,因此連續模型更貼近實際的回流系統。但是,列車運行時可能不止兩個變電所為其供電,當多個變電所供電時,特別是當排流柜與OVPD投入時,邊界條件的不確定將導致連續模型不易建立。而離散模型是將連續參數集中化,即使多個變電所同時供電,或者兩個裝置投入,都可以建立模型進行求解。所以,可將離散模型代替連續模型來進一步研究。

按照回流系統特性,將回流系統劃分為有限個回路阻抗單元,各個單元在節點上依次連接,從而可根據電路原理列出相應的方程,求解相應的支路電流和電壓。建立離散的鋼軌-結構鋼筋-大地三層結構,則回流系統的離散阻抗分布模型如圖1所示[2]。圖1中:Rg為鋼軌縱向電阻;Rp為排流網縱向電阻;Rd為大地縱向電阻;R1為鋼軌-排流網過渡電阻;R2為排流網-大地過渡電阻;r1和r2分別為列車到兩側牽引變電所接觸網的電阻;Ia和Ib分別為由列車返回至兩側牽引變電所的鋼軌電流;I2 m-1為鋼軌-結構鋼筋阻抗單元環路電流;I2m為結構鋼筋-大地阻抗單元的環路電流;I為牽引電流。圖中箭頭方向為電流的正方向。

圖1 雙邊供電回流系統離散模型

根據網孔電流法可以得到下式[3]:

由此得到雜散電流is(k)與鋼軌電位U(k)的解析式:

U(k)可表示為:

1.2 鋼軌電位限制對雜散電流的影響

目前,在已經運行的城市軌道交通中普遍存在鋼軌電位過高的問題,可記錄的最大鋼軌電位接近300 V。當列車運行繁忙時,OVPD可能會頻繁動作,甚至多臺OVPD同時動作[4],而OVPD的動作對雜散電流可能會產生影響。本文根據城市軌道交通回流系統離散模型,結合實際供電情況,加入OVPD,仿真分析OVPD動作對雜散電流的影響。分析模型如圖2所示。

圖2 投入OVPD的回流系統模型

該模型為純電阻模型,模擬列車在第二區間運行并對結果進行討論。

1.2.1 列車在第二區間運行OVPD投入時的仿真

仿真條件設置:取I=3 000 A,雙邊供電區間長L=2 km;Rg=0.03 Ω/km;Rp=0.001 Ω/km;Rd=0.001 Ω/km;R1=15 Ω·km,R2=3 Ω·km[5]。當列車在第二區間運行時,只動作線路上鋼軌電位大于零電位處的OVPD,得到鋼軌電位U(x)、雜散電流Is(x)的分布曲線,如圖3、圖4所示。

圖3 列車在第二區間運行OVPD投入時鋼軌電位分布圖

圖4 列車在第二區間運行OVPD投入時雜散電流分布圖

由圖3可知,當列車在第二區間運行時,第二區間沿線鋼軌電位均為正,最大值約為49 V,DC2處與DC3處鋼軌電位接近,約為5 V;當OVPD2與OVPD3動作后,沿線鋼軌電位都下降,且降低的幅值大致相同。

由圖4可知,當OVPD未動作時,第一區間內雜散電流較小,最大值約為0.8 A,第三區間雜散電流較大,最大值約為3 A;當OVPD2動作時,雜散電流急劇增大,最大值約為4.3 A;當OVPD3投入時,雜散電流亦急劇增大,且在OVPD3處雜散電流最大,約為4.2 A。

1.2.2 OVPD現場測試圖

圖5為OVPD動作時的電壓圖。該圖是廣東地鐵萬勝圍站上行線的實測鋼軌電位波形。從圖5中可以看出,在列車行駛中,電壓波動很大,最大值達110 V,且與列車運動方式有關。當鋼軌電位達到OVPD動作電壓時,OVPD動作,將鋼軌電位鉗制到0 V,10 s后OVPD自動斷開。

在廣州地鐵西朗站,由于OVPD動作過于頻繁,使該站OVPD長期合閘。圖6為在線監測1 h流過OVPD中的電流,其最大值高達750 A。隨著全線列車不停運行,如果多列車同時加速,則會造成牽引電流過大,回流電流過大,導致從OVPD流過的電流過大。

從仿真和現場測試均可以看到,當OVPD合閘時,將會產生大量的泄漏電流,特別是一些OVPD長期合閘的地方,雜散電流巨大,從而對周圍金屬結構和附近的管道造成嚴重腐蝕。

圖5 OVPD動作時的鋼軌電位圖形

圖6 當OVPD處于閉合狀態時泄漏的電流

1.3 雜散電流排流對鋼軌電位的影響

為減少雜散電流對周圍金屬的腐蝕,須投入排流柜進行強制排流。排流柜投入后,會對鋼軌電位產生影響,本文對此進行仿真分析。仿真模型如圖7所示。

圖7 投入排流柜的回流系統模型

當列車在第二區間時,只有當鋼軌電位低于大地電位,排流柜才投入使用。所以只投入鋼軌電位低處的排流柜,可得出鋼軌電位U(x)、雜散電流Is(x)的分布曲線,如圖8、圖9所示。

由圖8可知,當機車在第二區間時,第二區間的鋼軌電位均為正;排流柜2、3不工作,排流柜1、4、5工作時,各個排流柜處的鋼軌電位被抬高到0 V,且整條線路的鋼軌電位都被抬升。

圖8 列車在第二區間排流柜投入時鋼軌電位分布

圖9 列車在第二區間排流柜投入時雜散電流分布

由圖9可知,當排流柜1工作時,從排流柜1到機車位置雜散電流急劇增大,且在排流柜1處的雜散電流約為7.2 A;當排流柜4工作時,從機車位置到排流柜4處雜散電流很大,最大值約為7.8 A,而在排流柜4之后,雜散電流值很小,都小于0.5 A,說明在排流柜4處,雜散電流被強制回流到變電所負極;當排流柜5投入時,從機車位置到排流柜5處雜散電流都比較大,最大值約為9.4 A。

所以,當排流柜投入后,由于二極管的鉗制作用,將牽引變電所處的鋼軌電位抬升至零值附近,減少了牽引變電所附近的雜散電流,但由于鋼軌電位上升,附近牽引變電所處的鋼軌電位超過規定值,導致該處的OVPD動作,且鋼軌電壓上升也會導致其他區段的雜散電流增大。

2 鋼軌電位與雜散電流的綜合控制

在城市軌道交通系統中,不可避免地存在鋼軌電位過高以及雜散電流過大的問題。在變電所安裝OVPD可有效解決鋼軌電位過高問題,但OVPD投入后,會導致雜散電流增大,加大了對周圍金屬的腐蝕危害。排流柜投入可減少雜散電流的危害,但會引起鋼軌電位的上升,同時鋼軌電位升高還會引起雜散電流增大。本文針對OVPD以及排流柜的實際使用,對其進行優化控制。

2.1 OVPD的優化控制措施

2.1.1 多個OVPD動作分析

在一條城市軌道交通線路上有多列車同時運行,多列車運行造成的鋼軌電位的疊加,可能導致線路多處鋼軌電位過高(見圖10),造成OVPD動作。或者列車在制動時向牽引網回饋電流,導致列車處電位低,兩側電壓高(見圖11),很可能造成兩端的OVPD動作。

圖10 2列車運行時鋼軌電位分布圖

圖11 列車制動時鋼軌電位分布圖

雖然仿真結果沒有達到OVPD動作的要求,但實際運行中可能出現2個或者多個變電所處的鋼軌電位超過動作值,這些OVPD很可能同時動作,可能導致大量的雜散電流泄漏。

當2列車運行時,OVPD動作對回流系統的影響如圖12、圖13所示。

圖12 2列車運行OVPD動作時鋼軌電位分布圖

圖13 2列車運行OVPD動作時雜散電流分布圖

從圖12可以看出,當OVPD1或OVPD2動作以及OVPD1、OVPD2同時動作時,都可將鋼軌電位降低,但是OVPD2動作時,變電所DC2處電壓降為0 V,變電所DC1處的電壓仍大于0 V。在實際運行中,可能出現OVPD2動作,但是OVPD1處的電壓仍然超過規定值的情況,這就會造成OVPD1、OVPD2同時動作,OVPD所在位置的鋼軌對地電位都降為0 V,但從OVPD上泄漏的電流會大大增加。從圖13中可以看出,當2個OVPD同時動作時,雜散電流超過200 A,這將使周圍金屬的腐蝕隱患更嚴重;當OVPD1動作時,變電所DC1處電壓變為0 V,而DC2處的電壓降為負值,此時的雜散電流最大值約為20 A。

當列車處于制動狀態時,也可能導致多個OVPD同時動作,其泄漏的電流相比一個OVPD動作也大得多。

因此,如果只是最高電壓處的OVPD動作,可將整條線路的電壓降低,其泄漏的電流比多個OVPD動作時泄漏的電流小得多。采用這種方式可有效減少OVPD動作時產生的雜散電流。

2.1.2 OVPD的優化控制

在實際使用中,各個牽引變電所的OVPD只負責監視本地的鋼軌電位,當本處的鋼軌電位超過規定值時,OVPD直接動作。優化后的OVPD實時監測各點電壓,通過全線OVPD的電位比較,得到鋼軌電位最大的OVPD,然后判斷該鋼軌電位是否達到動作值,實現OVPD的動作,以降低鋼軌電位;與此同時繼續監測余下的OVPD,避免一條線路出現多個OVPD動作的情況,以有效降低由OVPD引起的雜散電流。優化后的OVPD控制流程圖如圖14所示。

2.2 排流柜的優化控制措施

在城市軌道交通中,排流柜可能一直處于排流狀態,這將使得線路鋼軌電位升高,如果其超過鋼軌電位規定值,OVPD就會動作。根據本文構建的模型進行相應的仿真,當列車在第一區間,DC1處鋼軌電位最大,DC5處鋼軌電位最小,令DC1處的OVPD動作,DC5處排流柜工作,得到沿線鋼軌電位及雜散電流分布如圖15、圖16所示。

由圖15可知,當OVPD1動作時,從0 km到3.0 km處鋼軌電位降低,在DC1處鋼軌電位直接降為0 V;當排流柜5工作時,從3.0 km到8.0 km處鋼軌電位升高,在排流柜5處升高為0 V。

由圖16可知,當OVPD1與排流柜5同時投入時,雜散電流很大,全線基本維持在200 A,對沿線腐蝕特別嚴重。這是因為OVPD、排流柜與大地形成了閉合回路,由于大地的縱向電阻很小,導致雜散電流很大。

圖14 優化后的OVPD控制流程圖

圖15 列車在第一區間時鋼軌電位分布圖

圖16 列車在第一區間時雜散電流分布圖

由此可見,在回流系統中,OVPD與排流柜同時動作時,對雜散電流影響很大。由于OVPD是保護人身安全的,其重要程度比排流柜等級高,所以在實際運行中出現鋼軌電位超過規定值時,OVPD必須動作。此時,為防止OVPD與排流柜通過大地連接,需對排流柜進行短暫的屏蔽,當OVPD斷開后再投入排流柜。

目前,所有OVPD與排流柜都是相互獨立的,為實現OVPD動作同時排流柜閉鎖的目的,需將所有OVPD與排流柜都接入后臺監測,后臺監測上傳到SCADA (電力監控系統),通過SCADA判斷是否有OVPD動作,若有OVPD動作,則給相應的排流柜發出斷開信號。OVPD、排流柜全線布置圖如圖17所示。

采用該方法可有效避免由OVPD與排流柜短接產生大量雜散電流的情況。

3 結語

本文對多區間回流系統鋼軌電位及雜散電流排流的相互影響進行了分析,當OVPD動作合閘,會使大量的電流泄漏至大地,形成雜散電流;當排流裝置進行排流時,會導致遠端鋼軌電位升高。針對此問題提出了OVPD及排流柜綜合控制優化措施:①將所有OVPD進行通信,實時對比各點鋼軌電位,只對最大電壓點的OVPD發送動作命令;②在OVPD動作的時間內,對排流柜短暫地屏蔽。需要注意的是,這兩種優化措施對通信的要求較高,數據上傳至SCADA,判斷后再發送命令至設備,中間存在延遲,可能對OVPD及排流柜的動作產生影響,特別是OVPD III段保護。

圖17 OVPD、排流柜全線布置圖

[1] 王禹喬,李威,楊雪峰,等.對地鐵鋼軌電位升高的研究[J].城市軌道交通研究,2009(8):35-37.

[2] 趙凌.直流牽引供電系統雜散電流分布的研究[D].成都:西南交通大學,2011.

[3] 汪佳.多列車運行下地鐵雜散電流研究[D].成都:西南交通大學,2012.

[4] 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.

[5] XU Shaoyi,LI Wei,WANG Yuqiao.Effects of vehicle running mode on rail potential and current in DC mass transit systems[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2013,62(8):3569-3580.

Research on Intergrative Suppression of Rail Potential and Stray Current

LI Guoxin, WU Peilin, PEI Wenlong

In the reflux system of traction power supply,rail potential and stray current are interrelated parameters of reflux system,but OVPD and drainage cabinet work independently without any coordination.To further limit the rail potential and stray current,it is necessary to optimize OVPD and drainage cabinet comprehensively.In this paper, the influences on rail potential and stray current by the working conduction of OVPD and drainage cabinet at multiple intervals are analyzed,comprehensive optimization on OVPD and drainage cabinet is proposed.

rail potential; stray current; OVPD (over-voltage protection device); drainage cabinet

U223.6+2

10.16037/j.1007-869x.2017.04.012

2015-05-05)