城市軌道交通直流牽引供電系統鋼軌電位升高原因及控制措施

段立新

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，710043，西安∥教授級高級工程師）

采用直流牽引供電系統的城市軌道交通，運營中會出現鋼軌電位超標的情況。對此，出于運營安全考慮，常采用將鋼軌電位限制裝置（OVPD）接地的措施來降低鋼軌電位，有時甚至會出現多處OVPD接地的情況。這樣做雖能降低鋼軌電位，但也會導致雜散電流過大的現象產生。投入排流柜雖能減少雜散電流危害，但又會引起鋼軌電位升高。當OVPD與排流柜同時投入時，會導致設備發熱而燒損元器件。本文通過對城市軌道交通直流牽引供電系統運營中出現的鋼軌電位超標、OVPD及排流柜故障等問題的深入分析，提出了相應的解決措施和相關建議。

1 直流牽引供電系統的構成及回流系統主要設備運行特點

1.1 直流牽引供電系統的構成

城市軌道交通直流牽引供電系統由牽引系統及回流系統構成，如圖1所示。

圖1 城市軌道交通直流牽引供電系統構成示意圖

與交流牽引供電系統相比，直流牽引系統電壓低，同等荷載情況下直流牽引電流數倍于交流系統；列車取流均來自接觸網，走行鋼軌作為回流軌使用，回流電流也數倍于交流系統；無論是軌回流還是入地的少量電流最終都匯聚至牽引變電所負極側。

直流牽引供電系統其回流系統的電流非常大，鋼軌又存在內阻，因此承擔回流的鋼軌其電位本身就比較高；再加之行車密度高，列車起動頻繁，因此會導致鋼軌電位的進一步升高。若將OVPD接地，變電所附近的鋼軌電位會由低負值變為0，能夠保證人員安全（如圖2中的曲線2所示）。這樣雖降低了變電所附近的鋼軌電位，但卻升高了其它地方的鋼軌電位，列車車頭所在位置處的鋼軌電位最高，為最高正值。

鋼軌作為牽引電流回路，雖然其對地絕緣安裝，但仍有部分雜散電流流入道床；同時還有部分雜散電流經道床流入結構鋼筋等金屬管線，但最終都由鋼軌經回流電纜流入變電所負極。

圖2 鋼軌電位分布示意圖

1.2 回流系統主要設備運行特點

1.2.1 OVPD運行特點

設置OVPD是為限制鋼軌與地之間的電位，以避免軌道區域中的高電位危及人身安全。如果軌電位超出規定值，OVPD會自動將軌道短時接地，斷開軌對地之間的連接。OVPD的動作保護根據不同的電壓區段和延時按一、二、三段動作保護來考慮。OVPD接線原理如圖3所示。

圖3OVPD接線原理示意圖

1.2.2 排流柜運行特點

一般情況下，當檢測結構鋼筋極化電位受雜散電流影響超過規定的0.5 V時投入排流柜，將匯集的來自道床收集網等處的雜散電流引入排流柜的負極柜。排流柜接線示意圖如圖4所示。

2 回流系統運行過程中出現的問題

GB 50490—2009規定，正線鋼軌電位不應超過90 V。EN 50122—1規定，鋼軌電位在120 V以內，不應威脅到人身安全。出于經濟性考慮，很多線路雙邊供電時按90 V控制正線鋼軌電位，而大雙邊供電時按120 V控制鋼軌電位。

OVPD檢測走行軌對保護地的電位差。當該電位差較大時，如正線鋼軌電位超過OVPD一段保護動作閥值90 V時，OVPD一段保護動作；當電位差超過OVPD二段保護動作閥值150 V時，OVPD頻繁報警動作甚至閉鎖。

OVPD接地后，鋼軌回流入地，附屬結構中鋼筋網回流加大，極化電位升高；由于附屬結構雜散電流是通過排流柜進入負極柜的，因此排流柜也投入運行。此時雜散電流進一步加大，最后出現排流柜電阻箱與母線排搭接處發紅及電阻箱燒損等問題。排流柜內電阻箱及母線排接線燒傷的現場照片如圖5所示。

圖4 排流柜接線示意圖

圖5 排流柜內電阻箱與母排接線燒傷現場照片

3 鋼軌電位超標及相關設備問題主因

3.1 鋼軌電位升高或超標原因

由于鋼軌存在內阻，因此牽引回流在鋼軌上有電位差。該電位差的大小與線路上行駛或起動的列車數量、列車功率、牽引所間距等具體情況有關。列車功率越大，距牽引變電所距離越遠，鋼軌電位越高。比如采用大雙邊供電時，其鋼軌電位比單邊供電的高。

如果發生接觸網與鋼軌或與架空地線短路、DC設備框架泄漏等故障，則會導致鋼軌電位升高；回流通道中，比如道岔的回流跳線，以及回流電纜與鋼軌或與回流箱、負極柜的母排連接等位置存在缺陷，也會導致鋼軌電位超標。

3.2 OVPD不正常動作原因分析

根據某條城市軌道交通線路的實測數據進行分析，在約24 h的測試過程中，控制室記錄數據顯示，OVPD曾發生一段、二段保護同時動作6次，一、二、三段保護同時動作3次。截取其中9∶15—9∶22的一次記錄，如圖6和圖7所示，發現鋼軌電位與回流電流的變化趨勢一致，鋼軌電位隨著回流電流的增加而增加；在記錄時段，OVPD一段、二段電壓保護同時動作。

圖6 鋼軌電位現場實測數據截圖

圖7 鋼軌回流電流現場實測數據截圖

圖6 中，當鋼軌電位超過一段電壓保護動作閾值90 V時，OVPD一段保護動作正常；但OVPD一、二段保護間隔出現了一定延時，一、二段保護分別動作，此時也出現了OVPD閉鎖。從現場測試數據看，OVPD發生一段、二段保護動作時，鋼軌電位均沒有超過二段保護動作閾值150 V，因此OVPD二段保護動作不是由于鋼軌電位異常偏高引起的。OVPD二段保護動作時刻記錄的約550 V電壓值，應是接觸器合閘所產生的操作過電壓。文獻［2］也提到個別線路中發生OVPD一、二、三段保護同時動作時，動作時刻記錄的最高電壓為886 V，遠超過了OVPD三段保護動作的閾值600 V。

分析后認為，引起OVPD二、三段保護異常動作的主要原因是：接觸器分合閘次數較多，導致接觸器觸頭磨損嚴重，從而在分合閘時產生異常過電壓；在OVPD二、三段保護電路中，有可能因晶閘管損壞而使得導通電壓不正常；OVPD中PLC（可編程邏輯控制器）保護算法異常以及其他可能的保護裝置故障。

3.3 投入OVPD和排流柜后問題分析

3.3.1 OVPD長時間接地后果

OVPD長時間接地與直流系統為不接地系統的方式相矛盾。OVPD長時間接地會抬升其他位置的鋼軌電位和增加該區段的人身安全隱患。因為每個變電所都設有OVPD，若存在多處OVPD接地的情況，雜散電流擴散嚴重。

3.3.2 直接排流法的不足

排流柜排流時，鋼軌接地后電位為0，電流沿電纜和二極管流向負母線，負母線的負電位變為接近零電位，兩變電所間軌對地電位增加1倍，兩變電所均成為陽極區域，則雜散電流上升了數倍。

3.3.3 排流柜故障

OVPD接地后增加的雜散電流到一定程度后排流柜會投入；當排流柜處于排流狀態時，鋼軌電位會上升甚至超標，此時OVPD又會投入。這兩種情況均造成OVPD與排流柜同時投入。根據文獻［3］中等效的軌道-埋地金屬-大地的電阻分布網絡（見圖8），泄漏到地下的雜散電流is（x）可用式（1）簡化計算。

圖8 軌道-埋地金屬-大地的電阻分布網絡圖

式中：

L——列車車頭距牽引變電所的距離；

I——列車電流；

Rs——鋼軌電阻；

Rr——排流網電阻；

Rg——軌對地過渡電阻。

若 L為 4 km，I取 3 500 A，Rs為 0.019 Ω/km，Rr為 0.05 Ω/km，Rg分別取 15.00 Ω·km 和 0.02 Ω·km時，計算得到最大is（x）分別為9 A和825 A。軌對地過渡電阻接近0時，測算靠近變電所的鋼軌和埋地金屬結構之間跨接電流超過900 A。分析后認為，最不利的情況下同時投入OVPD和排流柜時，排流柜支路電流遠超過自身額定電流值，造成排流柜相關器件因通過電流增大而發熱甚至燒壞。

4 應對措施

4.1 降低鋼軌電位

目前，我國各城市的軌道交通線路在運營初期的行車對數就達到了遠期高峰小時的指標，因此，應使客流預測及系統能力配套適應超預期客流增長的需要，做到防患于未然。

減少回流通路電阻，也可采取與軌道并聯電纜、增加回流電纜的截面積等措施，但其并聯的范圍及電纜的截面積需要通過測試或計算來確定。

應仔細檢查回流通道中回流線或電纜與鋼軌、道岔、匯流箱、負極柜等連接處接頭的牢固程度。

可采用如低溫軟釬焊加栓接的方式將L形銅排與鋼軌連接，或將電纜與銅牌預留孔通過螺栓連接，完成回流或均流電纜與軌之間的連接。

4.2 防止OVPD頻繁動作及閉鎖

若出現OVPD頻繁動作及閉鎖的現象，應重點檢修接觸器觸頭及保護電路用晶閘管等部件；還可按文獻［2］的方法，采取在接觸器兩端加裝過電壓抑制電路的方法。

4.3 避免同時投入OPVD及排流柜

文獻［1］認為，OVPD具有保護人身安全的作用，其重要程度比排流柜等級高。當OVPD投入時應避免與排流柜通過地連接。為此應對排流柜做短時屏蔽，當確認OVPD斷開后才能投入排流柜。

因OVPD與排流柜在各變電所相互獨立，因此可將所有OVPD和排流柜信號信息上傳至SCADA（電力監控）系統進行檢測，若檢測到OVPD動作，則給相應的排流柜發出斷開信號。

5 結語

直流牽引供電系統較為復雜，存在以鋼軌回流為主的鋼軌電位超標、回流通路不暢、雜散電流泄漏，以及雜散電流擴散引起主體結構金屬腐蝕等問題。因此，應綜合考慮，避免出現如鋼軌電位超標等諸多問題。一旦出現鋼軌電位超標，應及時查找并排除接觸網短路及OVPD等設備故障，檢查并保持回流通路通暢，采取防止OVPD操作過電壓措施，采用邏輯控制和加強監測等方式避免OVPD與排流柜同時動作問題，避免故障范圍擴大。另外，建議新建城市軌道交通線路的直流牽引供電系統采用單獨設置回流軌方案。這個方案可從根本上解決直流牽引供電系統中諸多以走行軌回流為主的問題。