排流柜及鋼軌電位限制裝置對雜散電流及鋼軌電位影響的測試分析*

陳華銀 樊國楨 張 麗 李思文 劉 煒

(1. 成都軌道交通集團有限公司， 610096， 成都； 2. 西南交通大學電氣工程學院， 610031， 成都∥第一作者， 高級工程師)

在城市軌道交通直流牽引供電系統中，普遍存在鋼軌電位過高的情況。為限制鋼軌電位，需在回流系統中安裝鋼軌的OVPD (電位限制裝置)。OVPD在鋼軌電位過高時動作，將鋼軌接地。但是，OVPD閉合增加了注入大地的雜散電流，進而對周圍建筑及埋地金屬管道造成腐蝕。為避免雜散電流對第三方的影響，可設置排流柜，將排流網及大地中的雜散電流收集至牽引所負極，以減少雜散電流的擴散，但排流柜投入使用和退出使用的策略始終缺少依據。

對于OVPD、排流柜對雜散電流及鋼軌電位的影響，國內外專家已做過相關研究。文獻[1]認為使用不接地系統可有效減少雜散電流，但相應地會抬升鋼軌電位。文獻[2]證實處于加速和制動工況下的列車會顯著抬升鋼軌電位，增大雜散電流。文獻[3]證實跨區間傳輸電流會使鋼軌電位上升。文獻[4-6]認為應避免排流柜和OVPD同時投入使用，以降低鋼軌電位和雜散電流。

本文以某地鐵線路為實例進行測試，選用1列車在3個車站組成的區段內進行往返運行，同步監測車站及其相鄰站的鋼軌電位、OVPD電流及排流柜電流等數據，分析OVPD與排流柜投入使用后，對雜散電流及鋼軌電位的影響。

1 排流柜與OVPD投入使用的測試方案

1.1 排流柜與OVPD的工作原理

OVPD的工作原理如圖1所示。當鋼軌電位超出規定值時，OVPD會自動動作，將鋼軌接地，其動作保護根據不同電壓整定值和延時按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段動作保護來考慮。其中，Ⅰ段動作整定值為120 V；Ⅱ段動作整定值為150 V；Ⅲ段動作整定值為600 V。

圖1 OVPD工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of OVPD working principle

排流柜的工作原理如圖2所示。排流柜由地支路及排流網支路組成，分別收集大地中雜散電流及排流網中的雜散電流，并將雜散電流送至牽引所負母排。

圖2 排流柜工作原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of current drainage cabinet working principle

1.2 測試方案

本次試驗選取的測試線路如圖3所示。其中：A站、B站為參與測試的牽混所；C站為參與測試的降壓所；D站為與C站相鄰的牽混所；A—B—C為線路的支線。在夜間非運營時段安排1列車在A—B—C區段內往返運行3次。每次測試時，列車均按照A—B—C—B—A的順序往返行駛，在每座車站的停靠時間均為30 s。

圖3 實測線路情況示意圖Fig.3 Schematic diagram of the actual line situation

試驗開始前，全線OVPD分閘，C站正線與支線接觸網隔離開關斷開，以此確保試驗過程中僅有A站、B站兩個車站的牽引供電所供電。試驗使用的電氣量監測系統如圖4所示。3次試驗期間，列車工況完全相同，具體的試驗情況如下：

1) 第1次試驗，B站排流柜未投入使用，全線OVPD分閘，列車運行按照A—B—C—B—A的順序行駛。

2) 第2次試驗，B站排流柜投入使用，全線OVPD分閘，列車運行按照A—B—C—B—A的順序行駛。

3) 第3次試驗，B站排流柜投入使用，A站OVPD合閘，列車運行按照A—B—C—B—A的順序行駛。

排流柜支路、OVPD的電流使用多個霍爾電流傳感器進行測量。開環霍爾電流傳感器套在排流柜地支路、上下行排流網支路及OVPD對應直流電纜上。電纜夾層傳感器安裝的位置如圖5所示，用數據線將傳感器連接至數據采集機箱，再將數據采集機箱連接至電腦并布置在絕緣板上。鋼軌電位信息通過DVL2000電壓傳感器同步測量，將電壓傳感器的兩線夾分別夾在OVPD的負極母排和地母排上，以獲取鋼軌電位。同1個車站內多個電壓、電流信號采用NI(美國國家儀器)設備同步采集測量。不同車站間的多個電壓、電流信號采用網絡同步對時。

圖4 排流柜、OVPD投入使用和退出使用試驗電氣量監測系統示意圖Fig.4 Schematic diagram of electrical quantity monitoring system in condition of drainage cabinet and OVPD in use or not

圖5 電流傳感器的安裝位置Fig.5 Current sensor installation location

2 測試結果分析

2.1 雜散電流分布情況分析

第1次試驗時，因B站排流柜和A站OVPD均未投入使用，雜散電流值均為0。第2次試驗時， B站排流柜投入使用，其排流柜地支路、排流網支路的實測電流如圖6所示。選取圖6中的2個典型時刻(t1、t2)，對電流值進行進一步分析，其結果如表1所示。通過排流柜地支路流回排流柜的電流在t2時刻達到最大值(64.03 A)，排流網支路電流在該時刻僅為2.35 A，因此，96%的電流經地支路收回。

a) 地支路電流

b) 排流網支路電流圖6 第2次試驗時排流柜電流的實測情況Fig.6 Field measurement of drainage cabinet current in the second test

第3次試驗時， B站排流柜和A站OVPD均投入使用，監測到的排流柜地支路、排流網支路電流如圖7所示。與第2次試驗的結果類似，第3次試驗的排流柜地支路電流遠大于排流網支路電流，且在t3時達最大值(35.22 A)，此時的排流網支路電流僅為0.39 A，地支路電流在雜散電流總量中的占比達98%。

表1 第2次試驗時2個典型時刻排流柜的電流瞬時值Tab.1 Instantaneous value of drainage cabinet current at two typical moments in the second test

a) 地支路電流

b) 排流網支路電流圖7 第3次試驗的排流柜電流實測情況Fig.7 Field measurement of drainage cabinet current in the third test

3次試驗期間列車牽引電流隨時間的變化曲線如圖8所示，列車取流在03:20:25時達到最大值為1 383.6 A。分析第2次、第3次試驗的排流柜總收回電流后發現，經由地支路收回電流較多。雜散電流大部分經通路電阻相對較小的大地回流，但仍會造成雜散電流腐蝕。

圖8 列車牽引電流-時間曲線Fig.8 Traction current-time curve of train

A站的OVPD電流如圖9所示，選取圖9中的3個典型時刻(t3、t4、t6)，得到第3次試驗B站排流柜地支路電流、A站OVPD電流的結果如表2所示。

圖9 第3次試驗A站的OVPD電流Fig.9 OVPD current at station A in the third test

表2 第3次試驗B站排流柜地支路電流、A站OVPD電流在3個典型時刻的瞬時值Tab.2 Instantaneous values of the ground branch current of station B drainage cabinet and the OVPD current of station A at three typical moments in the third test

列車在接近及駛離A站時，由于OVPD直接接地，導致大量雜散電流泄漏，此雜散電流在B站經排流柜地支路收集至牽引所負母排。將圖9的A站OVPD電流及圖6的B站排流柜地支路電流進行對比分析，當OVPD合閘后，除A站泄漏的雜散電流由B站排流柜收回外，其余雜散電流均由A站OVPD收回，此期間B站排流柜電流最大值僅為1.55 A。OVPD收回電流在t5時刻達最大值(134.60 A)，而在第2次試驗中，t2時刻列車處于相同位置時B站排流柜地支路電流最大值僅為60.02 A。由此可見：OVPD的投入使用導致雜散電流增加；排流柜與OVPD的同時投入使用會加劇雜散電流的泄漏，同時使排流柜回流效果變差。

2.2 鋼軌電位分布情況分析

3次試驗期間A、B、C、D 4個車站的鋼軌電位如圖10所示，監測到各站的鋼軌電位最大值如表3所示。由圖10可知：第2次試驗B站排流柜投入使用后，4個車站的鋼軌電位均有所上升，其中C站和D站的鋼軌電位分別上升至11.14 V和10.72 V；在第3次試驗A站OVPD合閘后，B站、C站、D站的鋼軌電位分別上升至10.49 V、24.30 V、24.08 V。由此，排流柜和OVPD的投入使用均會抬升車站的鋼軌電位，使得雜散電流情況進一步惡化。在第2次和第3次試驗期間，C站和D站的鋼軌電位在排流柜和OVPD投入使用后均上升明顯，因此也參與了雜散電流的主要泄漏過程。

a) A站鋼軌電位

b) B站鋼軌電位

c) C站鋼軌電位

d) D站鋼軌電位圖10 3次試驗期間4個監測車站的鋼軌電位分布Fig.10 Rail potential distribution of four monitoring stations during the three tests

表3 3次試驗4個監測車站的鋼軌電位最大值 Tab.3 Maximum rail potential value of four monitoring stations in the three tests

3 結語

本文共進行了3次試驗，以研究排流柜及OVPD均未投入使用、僅排流柜投入使用、排流柜及OVPD均投入使用3種情況下對雜散電流及鋼軌電位的影響，結論如下：

1) 排流柜投入使用使雜散電流增大，且排流柜地支路收回的電流占總收回電流總量的98%以上。雜散電流大部分經通路電阻相對較小的大地回流，進而對城市軌道交通自身及周圍埋地金屬設施造成腐蝕影響。

2) 排流柜和OVPD同時投入使用會加劇雜散電流的泄漏，且使排流柜的回流效果變差。當列車位于OVPD閉合處時，排流柜和OVPD間形成回路，為雜散電流提供流通路徑。

3) 排流柜投入使用會抬升鋼軌電位，排流柜和OVPD同時投入使用會進一步惡化鋼軌電位分布，增加雜散電流。浮地系統應盡量避免排流柜和OVPD同時投入使用，可優先投入使用OVPD，以保證乘客的人身安全。