地鐵鋼軌電位研究

裴 偉，曾之煜

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地鐵鋼軌電位研究

裴 偉，曾之煜

闡述鋼軌電位產生原理，結合實際工程建立模型進行理論計算及軟件仿真，并對計算及仿真結果進行分析，旨在加深對地鐵鋼軌電位的認識，為實際工程提供參考。

地鐵；鋼軌電位；直流牽引

0 引言

地鐵采用直流牽引網供電，且絕大多數采用鋼軌回流。為減少雜散電流對結構鋼筋及地下金屬管線的腐蝕，直流牽引系統不設置接地，采用鋼軌對地絕緣安裝，從而使鋼軌對地存在一定電位差。為確保人身安全，在車站變電所內設置鋼軌電位限制裝置，當鋼軌電位超過一定限值時，鋼軌電位限制裝置對應在不同的工作段動作，將鋼軌與地短接。國內部分城市的地鐵線路中，經常出現鋼軌電位限制裝置動作的情況，如成都地鐵1號線海洋公署站在2011年6月—2012年1月期間鋼軌電位裝置動作512次，其中Ⅰ段電位超過90 V，Ⅱ段電位超過120 V，Ⅲ段電位超過600 V。鋼軌電位升高是直流牽引供電系統的一個技術難題，其原因比較復雜。本文對地鐵鋼軌電位進行研究，旨在加深對地鐵鋼軌電位的認識，為實際工程提供參考。

1 鋼軌電位形成原因

影響鋼軌電位的因素包括牽引負荷電流、鋼軌縱向電阻、鋼軌對地過渡電阻、地下土壤及金屬管線縱向電阻等。以單邊供電為例，進行最基本的電路分析。符號說明：

s—牽引變電所等效電壓源（內阻忽略）；

—鋼軌某一點鋼軌電位；

rt—鋼軌對地過渡電阻；

t—接觸網（軌）縱向電阻；

r—鋼軌縱向電阻；

tt—接觸網（軌）對地過渡電阻；

e—地下土壤及金屬管線縱向電阻；

0—牽引網空載電流；

f—牽引負荷電流；

s—雜散電流。

（1）當區間內無列車取流時，理想狀態下直流牽引網簡化電路見圖1。鋼軌電位即為rt上產生的電位差，由于空載時接觸網（軌）-回流線-大地不能構成電流通路，rt無電流流過，故鋼軌電位為零。

圖1 理想空載簡化電路

（2）實際工況下，接觸網（軌）對地存在一個過渡電阻tt，空載時簡化電路見圖2。從牽引變電所直流電源s經t-tt-e-rt構成了電流通路，此時鋼軌電位為空載電流0在rt上產生的電位差-0·rt，這也解釋了空載時鋼軌電位不為零的現象。

（3）當有列車取流時，忽略接觸網（軌）對地過渡電阻，簡化電路見圖3。在由s-t、列車M-r-e-rt構成的電流通路中，牽引負荷電流f其中一部分分流為雜散電流s，此時鋼軌電位為s在rt上產生的電位差-s·rt。

（4）假設牽引變電所內負極母線接地，其簡化電路見圖4，此時靠近牽引變電所側的rt被短接，鋼軌電位為鋼軌縱向電位差(f-S)·r。

圖2 實際空載簡化電路

圖3 負載時簡化電路

圖4 負極接地簡化電路

通過以上定性分析可得出：空載時也可能存在鋼軌電位，其值取決于接觸網（軌）的絕緣性能；有列車取流時，鋼軌電位（絕對值）為雜散電流在鋼軌對地過渡電阻上形成的電位差，而與回流在鋼軌上產生的縱向電位差無直接聯系；鋼軌電位等于鋼軌縱向電位差的條件是負極母線接地。

2 鋼軌回流模型

分析某一點的鋼軌電位時，由于供電分區內各點的電阻、電流均不同，故各點的鋼軌電位也不同，需將鋼軌回流網絡等效為分布參數模型，將長度為的供電分區劃分為若干段長度為d的有限元。假設網絡中各電阻參數均為均勻分布，且忽略回路中暫態元件的影響，建立鋼軌回流網絡模型如圖5所示。

雙邊供電情況下的牽引-回流系統等效電路如圖6所示。分別對列車左右側區間鋼軌回流網絡進行KCL和KVL求解。

圖5 鋼軌回流網絡

圖6 牽引-回流系統等效電路

式中，x為鋼軌某一點鋼軌電位；為雙邊供電分區長度；1為列車取流時距左側牽引變電所距離；2為列車取流時距右側牽引變電所距離；為常數；為鋼軌距左側牽引變電所的距離。

3 鋼軌電位升高原因分析

由式（1）—式（3）看出，某供電區間內鋼軌電位與牽引負荷電流、供電區間長度、鋼軌縱向電阻、地下土壤及金屬管線縱向電阻、鋼軌對地過渡電阻有關。以成都地鐵1號線升仙湖站—天府廣場站大雙邊供電分區為例進行分析。成都地鐵1號線最高運行速度80 km/h，旅行速度約36 km/h，初期行車對數為17對/h，系統規模行車對數為30對/h，采用B型車，4拖2動編組。取f= 3 200 A，r= 0.01W/km（4根鋼軌并聯），e= 0.5W/km，rt= 15W/km。變電所設置位置見表1。

表1 變電所設置位置

3.1 行車對數的影響

（1）大雙邊運行。根據發車對數及旅行速度計算，初期大雙邊供電分區內同時可能有6列車取流（暫不考慮此時直流饋線繼電保護動作，下同），系統規模大雙邊供電分區內同時可能有10列車取流。按極端情況考慮，上下行分別有1列車在供電分區中點取流，其余4列車根據追蹤間隔計算得出其分別位于區間中點兩側。由此可得鋼軌電位分布見圖7和圖8，其中1、2……代表每列車啟動產生的鋼軌電位，代表所有鋼軌電位之和，下同。

圖7 初期大雙邊供電區間鋼軌電位分布

圖8 系統規模大雙邊供電區間鋼軌電位分布

（2）正常雙邊運行。選取人民北路站—天府廣場站區間，計算得理論上該區間內同時可能有4列車取流。有2種情況的鋼軌電位較大：上下行各有1列車在供電分區中點取流，則根據追蹤間隔計算該分區只有該2列車運行；4列車均勻分布在該區間內，且基本靠近中點。同理可計算得出系統規模雙邊供電時供電分區內可能有6列車同時取流。鋼軌電位分布如圖9和圖10所示。

圖9 初期雙邊供電區間鋼軌電位分布

圖10 系統規模雙邊供電鋼軌電位分布

3.2 鋼軌回流電阻的影響

鋼軌縱向電阻增大有2種原因：運營時間較長導致整體磨損較大；某些關鍵部位（如道岔處、鋼軌魚尾板連接處等）電氣連接不暢，導致局部電阻陡增。

不同鋼軌縱向電阻時的鋼軌電位分布見圖11。

建立模型如圖12，假設點附近一段鋼軌（600 m長）r驟增10倍，對比圖9，端頭牽引所的鋼軌電位由-160 V變為-222 V。

圖11 不同Rr的鋼軌電位分布

圖12 Rr驟增時系統規模大雙邊供電模型

3.3 鋼軌對地過渡電阻的影響

分別取不同的鋼軌對地過渡電阻，得到系統規模大雙邊供電區間鋼軌電位分布見圖13。

圖13 不同Rrt的鋼軌電位分布

3.4 地下土壤及金屬管線縱向電阻的影響

不同地下土壤及金屬管線縱向電阻時系統規模大雙邊供電區間鋼軌電位分布見圖14。

圖14 不同Re的鋼軌電位分布

3.5 站臺門接地方式的影響

在裝設站臺門的地鐵線路中，為了保證人身安全，通常將站臺門與鋼軌做等電位聯結，且站臺門采用絕緣安裝。當其對地絕緣失效時，即將鋼軌與地短接，此時短接點的鋼軌電位被鉗制為地電位，而端頭牽引所的鋼軌電位絕對值增加到鋼軌未接地時列車取流處的鋼軌正電位與端頭牽引變電所負電位絕對值之和（圖15）。

圖15 站臺門接地時鋼軌電位分布

4 結論及建議

通過以上計算及仿真，得出以下結論：

（1）一個（大）雙邊供電分區內多車取流時，最高鋼軌電位（絕對值）通常不是出現在中點，而是出現在（大）雙邊供電分區兩端的牽引所。只有在上、下行區間單列車在中點取流時，其取流處的鋼軌電位最高且與牽引變電所處的鋼軌電位互為相反；

（2）鋼軌縱向電阻的大小對鋼軌電位影響較大，某一段鋼軌縱向電阻的陡增，會導致端頭牽引所處鋼軌電位的陡增；

（3）當鋼軌對地過渡電阻超過15W/km時，其大小對鋼軌電位的影響較小；

（4）當地下土壤及金屬管線縱向電阻低于 1W/km時，其大小對鋼軌電位的影響較小；

（5）與鋼軌做等電位聯結的站臺門接地后，端頭牽引所的鋼軌電位將被顯著抬升。

鑒于以上分析，為了避免某一車站鋼軌和地短接后將鄰近車站的鋼軌電位抬升而導致鋼軌電位限制裝置頻繁動作，給維護帶來困擾，在地鐵的設計、施工及運營階段，建議采取如下措施：

（1）加大鋼軌接頭、道岔段的連接電纜截面；

（2）施工應嚴格按照設計及驗收標準進行；

（3）運營后，定期組織測試鋼軌縱向電阻，及時維護更換；

（4）站臺門不考慮與鋼軌做等電位聯結，加強站臺門絕緣安裝及站臺絕緣安全帶的絕緣性能；

（5）適當將鋼軌電位限制裝置整定值調高，設有站臺門的線路，考慮將列車停車信號接入鋼軌電位限制裝置電壓回路，當列車停靠且鋼軌電位升高到特定值時，鋼軌電位限制裝置方可動作。

5 結語

鋼軌電位升高的原因比較復雜，本文僅從常規因素進行分析，未考慮一些暫態元件的參數，如列車運行中輪對與地之間形成的平板電容、鋼軌自身的電感等。隨著列車的啟動、制動，其原有直流環境可能產生高頻交流，這些暫態元件之間的電磁能量相互轉換，可能產生過電壓，致使有些車站鋼軌電位超過了600 V（不考慮鋼軌電位限制裝置本身的問題），加之列車生產廠家不同，其列車啟動電流曲線也不盡相同。另外，優化運營方案，如根據站間距合理安排發車間隔，盡量避免停靠在同一車站的上、下行列車同時啟動等，均可有效降低鋼軌電位。

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The paper illustrates the principle for generating of rail potential, introduces the theoretical calculation and software simulation on the basis of a model established with connection to the actual engineering, and analyzes the calculation and simulation results accordingly so as for the deep understanding of Metro rail potential and providing references for the practical engineering.

Metro; rail potential; DC traction

U231.8

B

1007-936X(2018)02-0064-04

2017-05-24

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.02.017

裴 偉.貴陽市城市軌道交通有限公司，工程師；曾之煜.中鐵二院工程集團有限責任公司地鐵院電化分院，工程師。