城軌交流牽引供電系統鋼軌電位分析與治理

（江蘇省徐州技師學院 江蘇 徐州 221000）

引言

城市軌道交通供電系統與外界環境接口的相關技術，參照國際、國內標準，介紹城市軌道交通供電系統對外界環境影響的領域，以及在工程驗收、系統聯調時宜進行的測試項目，主要包括牽引供電系統諧波測試、綜合接地系統測試、站臺邊緣接觸電壓和跨步電壓測試、整個軌道交通系統對外界的發射測試、主變電所對外界的工頻電磁場影響測試、雜散電流腐蝕防護測試等內容，為軌道交通供電系統設計、施工、驗收、聯調和運營管理提供重要技術參考。

1.城市軌道交通供電系統結構

城市軌道交通供變電系統設施包括主變電所/電源開閉所、牽引變電所、降壓變電所和跟隨所等。其中集中式供電需設置主變電所，主變電所通常引入AC110kV高壓，降壓至35kV或10kV，分散式供電則直接采用來自城市電網的10kV/35kV中壓，通過電源開閉所接入牽引變電所和降壓變電所。牽引變電所將AC35kV/10kV中壓降壓整流至DC1.5kV/750V為接觸網或接觸軌供電。降壓變電所將AC35kV/10kV中壓降壓成AC380/220V低壓電，向車站各種動力、照明設備供電。降壓變電所時常與牽引變電所合建，根據需要，區間可設立跟隨式降壓變電所。

2.鋼軌電位分析與治理

2.1 鋼軌電位分析。鋼軌在牽引系統中具有供機車走行、傳輸信號、牽引網回流等重要作用。正常工況下，由于軌道和大地為非線性參數回路，因此可認為牽引電流通過鋼軌和大地兩個路徑進行回流，部分牽引電流泄入地中流經軌地泄漏電導形成軌道與大地的電位差，即鋼軌電位。過高的鋼軌電位對人員安全、軌道周邊設備正常運行造成威脅。本文基于城軌交流牽引供電系統的等值數學模型，推導鋼軌電位的分布表達式。軌地間為高度非線性的參數網絡，在進行鋼軌電位理論分析時，作如下假設：鋼軌回路為適用疊加定理的線性電路；鋼軌向兩端無限延長且參數均勻，工頻下軌地過渡導納僅計及電導g；大地的電導率σ是均勻的；忽略牽引變壓器漏抗，即Ztt=0。考慮到供電電纜與回流電纜布置緊密，且電纜之間的間距相比電纜與接觸線、鋼軌的間距可忽略不計，因而可認為電纜與接觸線、鋼軌間無電磁耦合，所以在分析鋼軌電位電流分布過程中可忽略電纜牽引網部分對鋼軌電流電位的分布影響，只考慮短回路接觸網與鋼軌回路部分之間的耦合影響。

2.2 貫通地線對鋼軌電位的影響。交流電氣化鐵路綜合接地系統是將鐵路沿線的牽引回流系統、信號系統、電子信息系統、電力供電系統、道床等需要接地的裝置通過貫通地線連為統一的接地系統，增設貫通地線可降低回流網輸入電阻，增大軌地泄漏電導，間接降低鋼軌電位。借鑒交流電氣化鐵路的經驗，在城軌交流牽引系統中引入綜合接地系統，在上下行中間增設一條貫通地線。建立的城軌交流牽引系統精確仿真模型，仿真新系統采取多種鋼軌電位治理措施下鋼軌電位過高的治理效果，逐步提出新系統治理鋼軌電位的綜合措施，并驗證了本文指出的綜合治理鋼軌電位措施能有效治理新系統鋼軌電位過高問題，滿足鋼軌電位相關規定要求。

2.3 輔助電源優化方案節能計算。按照上文所述各器件的功率和效率，在滿負載情況下，空調系統優化前壓縮機功耗為34.48kVA×8÷（98%×95%×96%×98%）≈314.93kVA，通風機和冷凝器功耗為9.48kVA×8÷（98%×95%）≈81.46kVA；優化后空調系統壓縮機功耗為34.48kVA×8÷（98%×98%）≈287.21kVA，通風機和冷凝器功耗為9.48kVA×8÷（98%×98%）≈78.97kVA。在相同負荷情況下，車輛輔助電源輸入端優化前后功耗差為30.21kVA。按照輔助供電系統長期處于50%的負載工況運行，以每天運行18h計算，則由于輔助供電系統方案優化，每年每列車節電可達30.21kVA×50%×18h×365=99239.85kW·h，按照電費1.0元/kW·h計算，每年每列車可節省電費99239.85元。另一方面，優化后輔助供電系統重量和空調系統重量降低，也可以實現減重節能的效果。

2.4 電流腐蝕防護。目前城市軌道交通一般采用直流牽引供電，列車電源由牽引變電所提供，通過架空接觸網或接觸軌送向列車，機車受流后通過走行軌回流。雖然在設計中走行軌對地要求絕緣，但由于走行軌對大地始終存在過渡電阻，因此牽引回流并非全部通過走行軌回流至牽引變電所，而是有一部分通過走行軌雜散流入道床，并由道床流向結構鋼筋、電纜外皮以及沿線的金屬管線，在變電所附近這些散在外部的電流又通過金屬管線、道床等媒質流回走行軌并最終回到牽引變電所，從而形成雜散電流。

結語

城軌交流牽引供電系統的鋼軌電位分布特性，搭建了城軌交流牽引供電系統仿真模型，仿真分析了鋼軌電位分布特性。針對該系統過高鋼軌電位的問題，提出了上下行鋼軌并聯、牽引所特設集中接地極、并聯回流線、在線路上下行并聯貫通地線的方法及具體實施措施。根據各種措施的仿真結果，提出新系統鋼軌電位綜合治理措施，驗證了采取這些措施能有效抑制新系統鋼軌電位，為新型城軌交流牽引供電系統抑制鋼軌電位的工程實現提供借鑒思路。