直流牽引供電系統鋼軌電位限值問題及其治理方案*

高圣夫劉煒鄭杰李群湛陳繼勇

直流牽引供電系統鋼軌電位限值問題及其治理方案*

高圣夫1劉煒1鄭杰2李群湛1陳繼勇2

（1.西南交通大學電氣工程學院，610031，成都；2.成都地鐵運營公司，610081，成都//第一作者，博士研究生）

闡述了鋼軌電位過高的原因及危害，對國內外相關標準中關于鋼軌電位限值和最大允許接觸電壓的合理性進行了分析；探討了鋼軌電位限制裝置保護、電壓型框架保護、人體耐受電壓限值三者之間的匹配關系?？偨Y了鋼軌電位過高的治理方法及今后的改進方向。

直流牽引供電系統；鋼軌電位；鋼軌電位限制裝置

First-author′s addressSchool of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，610031，Chengdu，China

目前，我國地鐵牽引供電系統普遍采用DC 1 500 V/750 V供電及鋼軌作為回流導體的方案。牽引變電所從AC 35 kV/10 kV母線取電，通過牽引變壓器和整流器轉化為列車所需的DC 1 500 V/ 750 V。牽引變電所輸出的電能通過直流饋線傳輸至接觸網或接觸軌，列車通過受電弓或集電靴接觸取電。電流通過鋼軌和回流線回流至牽引變電所，在鋼軌中產生縱向電壓降落和鋼軌對地電位。目前，因鋼軌電位過高導致鋼軌電位限制裝置頻繁投入使用，已成為城市軌道交通供電系統運營中面臨的難題。

本文回顧了鋼軌電位限值標準制定和修改的歷程，探討了鋼軌電位限制裝置保護、電壓型框架保護、最大人體接觸電壓三者之間的匹配關系，總結了鋼軌電位過高問題的部分治理方案。這對鋼軌電位限制裝置保護的整定原則、鋼軌電位過高的治理有一定參考意義。

1 鋼軌電位問題

為抑制直流牽引供電系統中的雜散電流，現代城市軌道交通普遍采用二極管接地系統或不接地系統。文獻［1-4］通過仿真和現場實測，對二極管接地系統的改進方式以及不同接地方式的優缺點進行了探討。二極管接地系統能在控制雜散電流的同時降低牽引變電所附近的鋼軌電位，同時也會抬高供電區間的鋼軌電位，此問題在DC 1 500 V的牽引供電系統中更為突出，因此不適用于國內的牽引供電系統。

國內地鐵的牽引供電系統全部采用不接地系統，該系統雖然有效抑制了雜散電流，但導致鋼軌電位過高。鋼軌與大地理論上是絕緣安裝的，但在工程實踐中無法達到完全絕緣，鋼軌和大地間仍然存在不低于3～15Ω/km的過渡電阻［5］，因此，鋼軌和大地間有電流通路，從而形成電位差。鋼軌自身也存在40 mΩ/km左右的縱向直流電阻，而列車的牽引電流可達4 000 A，甚至更高，當牽引電流流過鋼軌時，將在鋼軌上產生電壓降。列車加速時從接觸網取流，在列車附近形成較高的正向鋼軌對地電位；在牽引變電所附近鋼軌電位較低，甚至呈負極。鋼軌電位過高會威脅乘客和工作人員的人身安全，同時也可能導致繼電保護裝置誤動作［6］。

2 相關標準的分析

為避免鋼軌電位過高威脅乘客和工作人員的人身安全，國內外制定的鋼軌電位和最大允許接觸電壓相關標準主要有：GB/T 10411—2005《城市軌道交通直流牽引供電系統》，GB 50490—2009《城市軌道交通技術規范》，GB 51057—2013《地鐵設計規范》，GB/T 28026.1—2011，《軌道交通地面裝置第1部分：電氣安全和接地相關的安全性措施》,IEC 62128-1—2013《Railway Applications-Fixed Installations-Electrical Safety，Earthing and the Return Circuit》等。這些標準均對城市軌道交通直流牽引供電系統的鋼軌電位限制進行了規定，對鋼軌電位保護的整定和治理指導性作用，但有些也存在局限性。

2.1 GB/T 10411—2005

GB/T 10411—2005《城市軌道交通直流牽引供電系統》［7］為現行推薦國標。該標準7.4.2條規定：利用鋼軌回流，且最大負載時，軌上任意一點電位差不大于90 V。

對于正線的鋼軌電位，正常運營狀態下鋼軌電位過高只會對車站的乘客及相關工作人員帶來安全隱患，但正線全線鋼軌電位低于90 V是不必要的，運營部門也無法監測全線的鋼軌電位。因此，“軌上任意一點電位差不大于90 V”欠妥。

2.2 GB 50490—2009

GB 50490—2009《城市軌道交通技術規范》［8］自2009年1月1日起實施，為強制性標準。該標準8.1.4條規定：在直流牽引供電系統中，電氣安全防護措施應與雜散電流防護措施相協調，在二者相互矛盾時，應優先考慮電氣安全防護。因此，當鋼軌電位過高且超過規定值時，應犧牲雜散電流防護，優先考慮如何降低鋼軌電位，使其恢復到允許范圍內。該標準8.1.12第4條對鋼軌電位的限值規定：正常運營狀態下，正線鋼軌電位不得超過DC 90 V，車輛基地中鋼軌電位不得超過DC 60 V，若鋼軌電位瞬時值超過限值時應采取可靠的安全保護措施。

GB 50490-2009標準對正線鋼軌電位限值的規定未限定測量點，因此，以上規定難以考察。

2.3 GB 51057—2013

GB 50157—2013《地鐵設計規范》［9］從前期設計的角度，對地鐵系統的各組成部分的設計提出了要求。該標準15.7節中第16條對鋼軌電位進行了規定（為需強制執行的條文），內容為：正常雙邊供電運行時，站臺處走行軌對地電位不應大于120 V，車輛基地庫線走行軌對地電位不應大于60 V；當走行軌對地電壓超標時，應采取短時接地措施。

相比于《城市軌道交通技術規范》，《地鐵設計規范》對鋼軌電位限制的條件、考察地點以及超標后的處理措施進行了更具體的規定，有利于標準的實施與考核，為鋼軌電位過高的治理提出了更具體的要求。

2.4 EN 50122-1/IEC 62128-1/GB/T 28026.1

GB/T 28026.1—2011《軌道交通地面裝置第1部分：電氣安全和接地相關的安全措施》［10］等同采用IEC 62128-1-2003標準［11］；IEC 62128-1—2003標準的制定又基于EN 50122-1—1997標準［12］。IEC 62128-1-2013標準［13］等同采用EN 50122-1—2011標準［14］。以下內容以IEC 62128-1—2013標準作為探討對象。

IEC 62128-1—2013標準提出了對交直流牽引系統及可能受牽引系統影響的地面電氣設備的電氣安全和保護措施的要求。對于持續時間長短的界定方面，IEC 62128-1—2013標準未沿用IEC 62128-1—2003標準的“瞬時制、短時制、長時制”，而將持續時間為0.7 s以上稱為長時制（long-term），將持續時間小于0.7 s的稱為短時制（short-term）。表1給出了不同持續時間對應的最大允許人體壓降（body voltage）和最大允許接觸電壓（effective touch voltage）。表1中數據的技術基礎包含于IEC 60479-1—2005標準中［15］，且在如下前提下得出：①電路由單手經雙腳接地；②人體電阻大于設定值的概率為50%；③不考慮心室纖維化的情況；④在大于0.5 s的情況下忽略手、腳的接觸電阻，小于0.5 s的情況下將1 000 Ω的額外電阻計入人體電阻（舊濕鞋的等效電阻）。

長時制下有效接觸電壓不得超過表1所示人體壓降限值，短時制下有效接觸電壓不超過表1所示的值，則認為人體壓降低于限值。IEC 62128-1—2013標準中的最大允許接觸電壓限值略低于IEC 62128-1—2003標準中的規定。標準中規定對于車輛基地及類似場所，長時制下有效接觸電壓不得超過60 V，短時制依照表1執行。

該系列標準在規定最大允許接觸電壓限值時考慮了持續時間的情況。鋼軌電位限制裝置的整定值和動作時限可參照該系列標準進行制定，在保證安全的前提下可減少鋼軌電位限制裝置的動作次數。

3 鋼軌電位限制裝置及其存在的問題

3.1 工作原理

鋼軌電位限制裝置（OVPD或RPCD）是防止鋼軌電位過高的主要措施。OVPD設置于鋼軌和保護地之間，正常運營狀態下處于斷開狀態。目前國內地鐵投入使用的OVPD普遍采用三段式整定，其整定原理如下［16］。

表1 不同持續時間對應的最大允許人體壓降和接觸電壓（直流）

Ⅰ段：當檢測到的電位差達到整定值時，經t1延時接觸器合閘；當電位差低于整定值時，OVPD延時t2后自動復位，斷開鋼軌與地的連接；若在t3內連續動作3次，延時復位閉鎖，接觸器處于恒定合閘狀態，直到人工復位為止。

Ⅱ段：當檢測到的電位差大大超過整定值時，OVPD不設延時，于t4內動作，接觸器永久合閘，直到人工復位為止。

Ⅲ段：當檢測到的電位差極大超過整定值時，晶閘管迅速導通（0.1 ms），將鋼軌與地短接。

3.2 存在的問題

目前OVPD在使用中存在如下問題。

（1）部分車站OVPD頻繁動作，縮短了OVPD的使用壽命。如成都地鐵1號線錦城廣場站的OVPD在2011年1月至2012年1月14日期間動作29次。部分運營部門選擇將OVPD長期合閘以緩解此問題，但OVPD長期合閘會導致大量雜散電流在地網中流通，相當于直接接地，該措施是不可取的。應采取其他措施以降低鋼軌電位，如適當調高OVPD的整定值、改善鋼軌回流、通過OVPD間的實時通信對保護的動作進行優化以減少不必要的動作等［16］。

（2）OVPD整定值設置不合理。OVPD存在最小接地電壓，若整定值低于該值，則不能進一步降低鋼軌電位，反而會增大雜散電流［17］。文獻［16］認為OVPD的整定值應和電壓型框架保護以及標準人體耐受電壓-時間曲線配合，在保護人身安全的同時避免電壓型框架保護誤動作。因此，在相同持續時間下，電壓型框架保護的動作電壓應低于IEC 62128-1—2013標準中的最大允許接觸電壓值；OVPD的動作值應低于電壓型框架保護的動作值，以避免電壓型框架保護誤動作。

基于IEC 62128-1—2013標準的鋼軌電位限制裝置保護整定曲線與電壓型框架保護整定曲線如圖1所示。圖1中的虛線為IEC 62128-1—2003標準最大允許接觸電壓（直流）-時間曲線：當t＜0.5 s或t＞0.7 s時，IEC62128-1—2013標準的最大允許接觸電壓（直流）-時間曲線在持續時間相同的情況下，最大允許接觸電壓值小于IEC 62128-1—2003標準的曲線。部分地鐵根據IEC 62128-1—2003標準設計的電壓型框架保護整定值與IEC 62128-1—2003標準存在不匹配的情況。

圖1 鋼軌電位限制裝置及電壓型框架保護整定曲線

表2和表3分別為昆明地鐵和成都地鐵2號線OVPD和電壓型框架保護的整定值［18］。圖2和圖3分別為昆明地鐵和成都地鐵2號線OVPD、電壓型框架保護整定曲線。由圖3可知，昆明地鐵電壓型框架保護曲線在0.7～1.0 s的區間內電壓值高于IEC 62128-1—2013標準最大允許接觸電壓（直流）-時間曲線。由圖4可知，成都地鐵2號線的電壓型框架保護整定值在t＞0.7 s時電壓值大于最大允許接觸電壓。要使OVPD、電壓型框架保護整定值與現行的IEC 62128-1—2013標準中最大允許接觸電壓（直流）-時間曲線匹配，各運營部門應適當調整電壓型框架保護的整定曲線，保證在同一時刻，電壓型框架保護的整定值低于最大允許接觸電壓。在此基礎上，為使OVPD的I段整定值和電壓型框架保護匹配，可調低鋼軌電位限制保護I段整定延時。

表2 昆明地鐵OVPD和電壓型框架保護整定值

表3 成都地鐵2號線OVPD和電壓型框架保護整定值

圖2 昆明地鐵OVPD及電壓型框架保護整定曲線

圖3 成都地鐵2號線OVPD及電壓型框架保護整定曲線

4 鋼軌電位過高治理方案

除設置鋼軌電位限制裝置外，鋼軌電位過高問題的治理還可通過以下方案實現。

4.1 設置回流電纜、跨接電纜和均流電纜

以成都地鐵2號線為例，非道岔區鋼軌焊接為無縫鋼軌，道岔區采用短鋼軌，短鋼軌之間通過魚尾板連接，因此道岔區為牽引回流系統中阻抗較大的環節。對于魚尾板連接處，通過熱焊工藝跨接了兩條150 mm2電纜作為道岔鋼軌回流電纜，以降低魚尾板處產生的壓降，同時在整個道岔區焊接均流電纜和跨接電纜?？缃佑隰~尾板兩端的回流電纜如圖4所示，均流電纜和跨接電纜連接示意圖如圖5所示。通過該方案改進后，成都地鐵2號線OVPD動作次數明顯減少。

圖4 魚尾板兩端回流電纜

圖5 道岔區加焊均流電纜和跨接電纜示意圖

4.2 合理設計牽引變電所間距

牽引變電所間距越大，牽引電流的回流路徑越長，回流路徑的阻抗越大。故牽引變電所間距越大，通過同樣牽引電流產生的鋼軌電位越大。因此，在設計階段選擇合適的牽引變電所間距可避免鋼軌電位過高。

4.3 基于助流器和回流線的牽引回流系統

文獻［19］提出了一種基于助流器（booster）和回流線（return circuit wire）牽引變電所的牽引回流系統以治理鋼軌電位過高和雜散電流的問題（如圖6所示）。圖6中，助流器由兩組并聯的LR回路和11個半導體開關器件構成。該裝置由半導體開關器件控制，通過電感的續流功能促進鋼軌電流流入回流線。仿真結果顯示，該裝置能同時降低雜散電流和鋼軌電位，但將提升地鐵牽引供電系統的建設和維護成本，并降低系統的可靠性。

圖6 基于助流器和回流線的牽引回流系統示意圖

治理鋼軌電位過高的方案還有采用通過回流軌進行回流的四軌系統，通過行車優化避免多輛列車同時在同一供電段取流等方式［16］。

5 結論

本文針對地鐵直流牽引供電系統鋼軌電位問題及其治理方案展開了討論，主要結論有：

（1）鋼軌電位限值的制定應考慮人體電壓耐受能力和持續時間的關系。我國現行標準在規定鋼軌電位限值時未考慮電壓持續時間，未來標準的修訂可參考IEC 62126-1等標準，配合持續時間制定鋼軌電位限值，以便對鋼軌電位過高的治理能起更有效的指導作用。

（2）鋼軌電位限制裝置能在鋼軌電位大于整定值時短接鋼軌和地網以降低鋼軌電位，但在實際應用過程中存在鋼軌電位限制裝置動作頻繁，以及鋼軌電位限制裝置整定值、電壓型框架保護整定值、IEC62128-1—2013標準的最大允許接觸電壓（直流）-時間曲線不匹配的問題。建議地鐵運營部門根據IEC62128-1—2013標準重新校核鋼軌電位限制裝置和電壓型框架保護的整定值，保證乘客和工作人員的人身安全，防止繼電保護裝置誤動作。

（3）治理鋼軌電位過高的方法主要有設置回流電纜、跨接電纜、均流電纜和合理設置牽引變電所間距等。但國內已投運的線路仍然存在鋼軌電位過高的問題，相關治理措施有待進一步研究和優化。

［1］CHEN S L，HSU S C，TSENG C T，etal.Analysis ofrailpotential and stray current for Taipei Metro［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2006，55（1）：67-75.

［2］TZENG Y S，LEECH.Analysisofrailpotentialand stray currents in a direct-current transit system［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2010，25（3）：1516-1525.

［3］LEE C H，LU C J.Assessment of grounding schemes on rail potential and stray currents in a DC transit system［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2006，21（4）：1941-1947.

［4］LIU Y C，CHEN J F.Controlscheme for reducing rail potential and stray current in MRT systems［J］.IEE Proceedings：Electric Power Applications，2005，152（3）：612-618.

［5］建設部.地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程：CJJ49—92［S］．北京：中國計劃出版社，1993.

［6］苗因山.軌電位限制裝置拒動導致框架保護故障［J］.都市快軌交通，2008，21（3）：92-94.

［7］國家質量監督檢驗檢疫總局.城市軌道交通直流牽引供電系統：GB/T 10411-2005［S］.北京：中國標準出版社，2005.

［8］住房和城鄉建設部.城市軌道交通技術規范：GB 50490—2009［S］.北京：中國建筑工業出版社，2013.

［9］住房和城鄉建設部.地鐵設計規范：GB 50157—2012[S].北京：中國建筑工業出版社，2013.

［10］國家質量監督檢驗檢疫總局.軌道交通地面裝置第1部分：電氣安全和接地相關的安全性措施：GB/T 28026.1—2011.［S］.北京：中國標準出版社，2012.

［11］Railway applications-Fixed installations-Part 1：Protective provisions relating to electrical safety and earthing：IEC 62128-1—2003［S］.Geneva：IEC，2003.

［12］STELL R W.Maximum permissible rail Potential［J］.IEEE Vehicular Technology Magazine，2011，6（3）：99-105.

［13］Railway applications-Fixed installations-Electrical safety，earthing and the return circuit-Part 1：Protective provisions against electric shock：IEC 62128-1—2013［S］.Geneva：IEC，2011.

［14］Railway applications-Fixed installations-Electrical safety，earthing and the return circuit-Part 1：Protective provisions againstelectric shock Incorporates Amendment A1：EN 50122-1—2011.［S］.Brussels：CENELEC，2011.

［15］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.

［16］丘玉蓉，田勝利.地鐵直流1 500 V開關柜框架泄漏保護探討［J］.電力系統自動化，2001，25（14）：64-66.

［17］OYLEMEZ M T，IKBA S A，KAYPMAZ A.Controlling rail potentialof DC supplied railtraction systems［J］.Turkish Journal of Electrical Engineering&Computer Sciences，2006，14（3）：475-484.

［18］呂意.直流框架保護與鋼軌電位限制裝置的配合與應用［J］.鐵道勘測與設計，2012（3）：55-58.

［19］FOTOUHI R，FARSHAD S，FAZEL S S.A new novel DC booster circuit to reduce stray current and rail potential in DC railways［C］//Compatibility and Power Electronics，CPE.2009：457-462.

Rail Over-voltage Protection in DC Traction Power Supply System Research and Solutions

GAO Shengfu，LIU Wei，ZHENG Jie，LIQunzhan，CHEN Jiyong

The principle and hazard of high rail potential is briefly elaborated，standards related to rail potential and the permissible effective touch voltage all over the world are introduced.Then，the matching relation among OVPD，the frame protection and permissible effective touch voltage is analyzed. The future solution and improvement of rail potential reduction are concluded.

DC power supply system；rail potential；overvoltage protection device（OVPD）

U223.8+2

10.16037/j.1007-869x.2017.08.013

2015-09-16）

*中國鐵路總公司科技研究開發計劃項目（2014J009-B）