地鐵直流供電接觸軌殘壓檢測及機理研究

李 歡

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地鐵直流供電接觸軌殘壓檢測及機理研究

李 歡

（武漢地鐵集團有限公司，武漢 430070）

針對城市軌道交通直流牽引供電系統的接觸軌停電后停電作業區域產生的接觸軌殘壓，導致現場停電檢修無法正常開展，以及送電時因殘壓值較高線路測試通不過，無法恢復接觸軌送電的現象，對接觸軌殘壓進行實地測試，通過錄波、數據分析，提出并驗證了接觸軌線間電容和線路長度對接觸軌殘壓和線路測試的影響，為地鐵運營公司和設計院改進PSCADA系統遙調合閘時序和提高直流開關綜合保護裝置線路測試中的接觸軌殘壓值提供了依據。

直流牽引供電系統 線路測試 線間電容和線路長度 接觸軌殘壓

0 引言

近年來，國內開通的多條地鐵線路，發生過多次送電時因殘壓值較高線路測試無法通過的情況，尤其是在接觸軌線路較長的區間混合所和停車場車輛段。殘壓對牽引供電設備的危害主要有兩點：其一、接觸軌殘壓造成檢修作業無法正常開展，檢修人員的安全性得不到保障；其二、殘壓對接觸軌恢復送電及時性的影響。文獻［4］提出了接觸網殘壓可能是由于分段絕緣器、接觸網絕緣子受外界影響絕緣下降，相鄰供電分區中，供電分區對停電分區存在靜電感應等原因造成。文獻［5］提出了接觸網殘壓是由接觸網系統內絕緣電阻分壓比例關系決定的，主要影響環境變化較大的車輛段和停車場。以上探討從接觸網絕緣角度出發，對地鐵建設和設備改進提出了提高分段絕緣器兩端絕緣電阻、保證安全對地電阻前提下降低發生殘壓區段接觸網的對地絕緣電阻等寶貴意見。

鑒于接觸網系統無左右鄰站接觸網間的絕緣錨關節部分，本文從供電線路（包括：電纜和接觸網/軌）自身的感生電容角度出發，對接觸軌殘壓形成機理進一步進行研究探討，制定殘壓主動檢測方案，對接觸軌殘壓進行實地測試，通過數采錄波、數據分析，驗證了接觸軌線間電容和線路長度對接觸軌殘壓和線路測試的影響，為地鐵運營公司和設計院改進PSCADA系統遙調合閘時序和提高直流開關綜合保護裝置線路測試中的接觸軌殘壓值提供了依據。

1 殘壓主動檢測方案

1.1 檢測目的

通過高速數據采集儀掃描檢測并記錄饋線柜HSCB分閘合閘前后饋線電壓的暫態過程，對接觸軌殘壓形成機理進一步進行研究探討，驗證接觸軌線間電容和線路長度對接觸軌殘壓和線路測試的影響，為地鐵運營公司和設計院改進PSCADA系統遙調合閘時序和提高直流開關綜合保護裝置線路測試中的接觸軌殘壓值提供依據。

1.2 檢測方案

饋線電壓測量采用分壓采樣電阻和KNICK信號隔離放大器的方案，設置四組屏蔽線作為信號采集通道，并用高速數據采集儀（自帶隔離且超過8通道）掃描檢測并記錄饋線電壓的暫態過程：（1）測試饋線上電典型波形和斷電殘壓衰減典型波形；（2）測試PSCADA系統遙調合、分閘時序和典型波形；（3）測試大雙邊斷電殘壓衰減典型波形；（4）通過波形分析殘壓形成機理和應對措施。測量示意圖如圖1所示。

圖1 饋線電壓檢測方案示意圖

1.2 線路測試判定原理

判別線路測試是否通過即牽引網是否短路，在母線電壓U＞U（線路最小工作電壓，整定值為1000 V）、饋線電壓U＜U（線路殘壓，整定值為150 V，當U＞150V表示此雙邊供電線路帶電）時合閘HSCB時，ZJK-11微機綜合保護裝置輸出命令線路測試“旁路裝置”接入→線路測試接觸器接通。當不滿足線路測試判定條件時，保護裝置認為牽引網可能存在短路或其他故障情況，線路測試不通過自動禁止合閘并閉鎖斷路器。

2 接觸軌殘壓實測與分析

2.1 接觸軌殘壓實測

國內多條地鐵線路開通以來，在接觸軌線路較長的區間混合所和停車場車輛段恢復送電時多次發生接觸軌殘壓值較高導致線路測試無法通過的情況，且持續時間不長、各設備絕緣強度經測試穩定可靠，考慮到這些區段線路較長，初步推斷線間電容是造成接觸軌產生殘壓的主要因素之一，并以此作為進一步測試分析的依據。本次檢測選擇地鐵直流開關柜發生線路測試不通過較為頻繁的站點變電所。

圖2 線路測試邏輯圖

圖3為單邊供電合閘本站（武沙區間所）701饋線斷路器饋線電壓動態變化過程波形。從圖3可知，在單送本站（武沙區間所站）701饋線斷路器時，701饋線斷路器上電瞬間本站702產生703=19.308 V 、703產生703=117.413 V的感應電壓，不排除703感應電壓超過150 V的可能性，同一供電臂上703若在此時判斷饋線電壓，因感應電壓位于（整定值為150 V）和（整定值為1000 V）之間，則判斷線路故障。由圖3可明顯看出與左線接觸軌線間距離較大的702、704饋電的右線接觸軌上感應電壓較小，線間距離較大的情況下線間電容可忽略不計。

圖4為PSCADA系統遙調合閘武沙區間所站和沙口站701/703/702/704饋線斷路器線電壓動態變化過程波形局部放大。從圖3、4可知，開關動作次序為測試接觸器合閘持續1 s，測試接觸器斷開，斷路器合閘，期間有120～200 ms電壓下降區間，鄰站同一供電臂上703若在此區間處判斷饋線電壓，因此區間處電壓位于（整定值為150 V）和（整定值為1000 V）之間，則判斷線路故障。

圖3 單送武沙區間站701饋線斷路器

圖4 PSCADA系統遙調合閘武沙區間站和沙口站701/703/702/704

2.2 接觸軌殘壓衰減分析

圖5 PSCADA系統遙調分閘武沙區間所站和沙口站701/703/702/704

圖6為武沙區間所站和軍民村站之間大單邊供電工況下后臺PSCADA系統遙調分閘武沙區間所站703饋線斷路器（701/703/702/704對應上網隔離開關均在合位）對應的饋線電壓動態變化過程波形。｜d｜=1.26719 s為放電一個周期所需時間，電壓衰減至150 V所需時間｜d｜=8.94107 s，在此期間操作703合閘殘壓過高線路測試不通過。

圖6 大單邊供電工況下PSCADA系統遙調分閘武沙區間所站703

3 殘壓衰減和線間電容分析

圖7 RC串聯電路

圖8 RC電路的放電曲線

假設接觸軌單位長度帶電量λ，接觸軌等效半徑為，接觸軌與鋼軌之間距離為，線間電容：

結合圖5、6可知饋線電壓衰減時間常數及線間電容與供電距離正相關，進行線路較長的大單邊供電、大雙邊供電時，線間電容較大，時間常數變大，受接觸軌殘壓較高影響合閘斷路器線路測試無法通過。

4 結論

針對城市軌道交通直流牽引供電系統的接觸軌停電后停電作業區域產生的接觸軌殘壓導致無法恢復接觸軌送電的現象，本文以電工理論為基礎，粗略地進行了理論分析，并與現場實地測試的錄波數據比對分析，驗證了接觸軌線間電容和線路長度對接觸軌殘壓和線路測試的影響，是采用三軌供電方式的接觸網固有特性。當牽引變電所恢復供電和進行線路較長的大單邊供電、大雙邊供電時，接觸軌殘壓影響較為明顯，對運營和檢修造成不利影響。為減少接觸軌殘壓影響提出如下建議：

1）比對上位機PSCADA系統遙調合閘程序，評估合閘次序間隔和實時性、一致性。建議PSCADA系統遙調合閘（分閘）次序為701—702—703—704，間隔5 s，進一步拉開701與703 、702與704 操作間隔，避免在恢復送電的過程中再次發生感應電壓過高導致線路測試不通過的情況。

2）直流開關綜合保護裝置線路測試中的接觸軌殘壓值U由150 V提高到300 V，避免線間電容產生的感應電壓以及線路殘壓衰減不及時對牽引網供電的影響。

[1] 于偉松. 城市軌道交通供電系統設計原理與應用[Z]. 西南交通大學出版社, 2008.

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[4] 薛小強, 趙壘, 王曉博. 地鐵牽引變電所高壓電流開關合閘故障的處理[J]. 城市軌道交通研究, 2013, (5): 133.

[5] 王曉博, 尚志堅, 趙壘．城市軌道交通直流牽引供電系統接觸網殘壓研究[J]．城市軌道交通研究, 2015, (9): 55.

Detection and Mechanism Research of Contact Rail Residual Voltage for Metro DC Power Supply System

Li Huan

（Wuhan Metro Group Co., Ltd, Wuhan 430070, China)

TM93

A

1003-4862（2018）06-0010-05

2018-05-02

李歡（1983-），工程師。研究方向：軌道交通供電系統。Email：89716154@qq.com