地鐵車輛段雜散電流分析與防護方案

金文輝

地鐵車輛段雜散電流分析與防護方案

金文輝

（西安工程大學電子信息學院，西安 710600）

目前，普遍采用單向導通裝置減少地鐵車輛段雜散電流，但車輛段雜散電流問題依舊突出。本文對正線段和車輛段進行建模仿真，通過機車牽引計算得到機車取流與時間的關系，將機車取流代入單向導通裝置處的電阻網絡模型，模擬機車處于不同工況時對車輛段軌道電壓、電流及雜散電流的影響，并對車輛段雜散電流產生的原因進行分析，就此原因對傳統單向導通裝置進行優化改進，采用大功率集成門極換流晶閘管（IGCT）作為新式智能單向導通裝置控制器件，在滿足地鐵復雜運行環境的同時大大提高了單向導通裝置的可靠性，還可有效降低車輛段雜散電流。

城市軌道交通；車輛段；單向導通裝置；雜散電流防護

0 引言

在地鐵運行中，地鐵采用鋼軌作為機車回流線路，使牽引電流流回變電站負極柜中。隨著列車長時間運營，鋼軌某一點處的絕緣性能變差，會導致部分牽引回流泄漏到大地，使地鐵地下鋼筋結構及埋設管道等金屬體發生電解，遭受電化學腐蝕。地鐵車輛段一直是絕緣性能的薄弱區，再加上段內線路復雜，且無法像正線段一樣鋪設排流網，導致車輛段雜散電流居高不下，嚴重影響了工人作業時的生命安全及車輛段的使用壽命[1-2]。

加設單向導通裝置可以減少車輛段雜散電流，很多學者對單向導通裝置進行了一系列研究。文獻[3]對車輛段雜散電流進行測試分析，解釋了雜散電流流通路徑，但并沒有對造成該問題的單向導通裝置提出具體的改進方法。文獻[4]提出在單向導通裝置的消弧部位使用大功率可關斷晶閘管（gate turn- off thyristor, GTO）器件，但現場無法滿足GTO器件關斷條件，還需設計專門的可控關斷電路。文獻[5]為預防雜散電流泄漏，對單向導通裝置提出使用正向晶閘管和反向晶閘管，但地鐵供電系統中的電壓、電流相對較大，晶閘管并不適用于大功率環境。

對于上述存在的問題，本文首先對正線段及車輛段連接處即單向導通裝置處進行建模仿真，分析正線段機車在牽引加速、勻速、減速情況下對車輛段雜散電流的影響，并對現有單向導通裝置存在的問題提出改進措施，可在滿足地鐵復雜運行環境的同時減少車輛段雜散電流。

1 車輛段傳統雜散電流防護方案

目前認為車輛段的雜散電流主要來源于鋼軌電流的泄漏，因此采取相應措施減少鋼軌電流在軌道上的回流路徑。首先在車輛段庫內與庫外之間、出入場線區與正線段區之間設置軌道絕緣節，保證正線段與車輛段電氣隔離，阻止正線段電流流入車輛段；其次為保證列車運行通過絕緣節時可正常回流，在絕緣節處加設單向導通裝置。

傳統單向導通裝置示意圖如圖1所示[6]，主要由二極管、隔離開關、消弧裝置組成，一般安裝于車輛段與正線段軌道絕緣節處，方向由車輛段處指向正線段處。二極管使鋼軌電流無法從正線段流入車輛段，減少了車輛段鋼軌電流的流通。隔離開關可在二極管發生故障時手動或電動合閘，保證機車運行時軌道電流不斷流。消弧裝置保證機車通過絕緣節時不會發生拉弧現象，灼燒鋼軌。

圖1 傳統單向導通裝置示意圖

在現場實際應用中，工人在車輛段作業時經常發生掛接地線放電現象，威脅工人生命安全，且車輛段的雜散電流問題依舊沒有得到解決。

2 建模仿真分析

2.1 回流模型建立

地鐵正線段雜散電流分布模型如圖2所示，為簡化問題，在公式推導過程中采用單邊供電和單一負荷，且假設各電阻均勻分布[7-12]。則在電路分析過程中可以按線性回路考慮，從而使用疊加原理，利用微元法建立正線段軌道電流、排流網電流、大地電流和軌道電壓、排流網電壓的微分方程，進而求出雜散電流和軌道電位。圖2中，z為鋼軌的縱向電阻，p為排流網縱向電阻，M為埋地金屬縱向電阻，g1為鋼軌與排流網之間的過渡電阻，g2為排流網與埋地金屬之間的過渡電阻，g3為埋地金屬與大地之間的過渡電阻，DC為牽引變電站，1為牽引變電站內阻，b1為再生制動的串聯電阻，p為排流網電流，M為埋地金屬電流，為機車取流，1為機車回流。雜散電流流通線路如圖3所示，其中為測量點距離變電所的距離（km）；為機車距離變電所的距離（km）。畫出節點電壓和電流圖如圖4～圖7所示。

圖2 地鐵正線段雜散電流分布模型

圖3 雜散電流流通線路

圖4 電壓節點圖1

結合基爾霍夫電壓定律，由圖4可得

圖6 電壓節點圖2

圖7 電流節點圖2

由圖5得

由圖6得

由圖7得

由圖3得

將式（5）代入式（1）～式（4）并整理成矩陣形式得

令

則有

上述微分方程所對應的齊次方程組為

根據式（7）和式（8）可得

將式（10）代入式（9）可得

由矩陣形式表示為

根據排流網結構的邊界初始條件，對式（7）進行求解，即可得到軌道電壓、雜散電流、軌道電流的表達式。

2.2 不同工況下的車輛段仿真

表1 機車牽引運行仿真參數

地鐵機車運行中的阻力采用經驗公式，即

2.3 仿真結果分析

根據機車最快速牽引策略計算，通過Matlab仿真，得到不同工況下的機車速度-時間-位移如圖8所示，機車牽引功率-時間如圖9所示，機車取流-時間如圖10所示。

圖8 不同工況下機車速度-時間-位移

圖9 不同工況下機車牽引功率-時間

圖10 不同工況下機車取流-時間

由圖8～圖10可知，機車運行時間為79s，機車在出發第16.5s時，達到最高限速80km/h，此時牽引功率和機車取流也達到最大，隨后由牽引加速轉為勻速行駛，在第52.6s時，機車由勻速行駛進入制動減速階段。機車在加速過程中最大牽引功率為4 474.3kW，機車最大取流為2 982.8A，在減速過程中最大制動功率為5 313.3kW，機車制動取流為3 542.2A。

由于地鐵車輛段與正線段之間通過單向導通裝置連接，在Simulink中搭建正線段與車輛段電阻網絡模型如圖11所示，將機車牽引計算所得到的機車取流作為電流源來模擬機車不同的運行工況，并對車輛段鋼軌電位和雜散電流進行分析。

圖11 單向導通裝置處電阻網絡模型

圖12所示為不同工況下車輛段軌道電壓、軌道電流和雜散電流變化曲線，當機車處于牽引加速或勻速行駛工況時，機車通過受電弓從接觸網取流并通過鋼軌回流，此時機車位置對于鋼軌電位為正，則單向導通裝置負極端處電位也為正，此時因二極管的單向導通性，單向導通裝置電流幾乎為零，但當機車處于減速工況時，電流方向發生改變，單向導通裝置負極端所對電位為負，電流流過單向導通裝置。

圖12 車輛段軌道電壓、軌道電流、雜散電流變化曲線

圖13所示為車輛段雜散電流-時間-位移，圖14所示為車輛段軌道電壓-時間-位移，由仿真結果可以看出，車輛段的雜散電流和軌道電位與正線段的列車運行工況息息相關，車輛段鋼軌電流最大值為22A，雜散電流最大值為19A，軌道電壓最大值為-53V。

圖13 車輛段雜散電流-時間-位移

圖14 車輛段軌道電壓-時間-位移

單向導通裝置造成的雜散電流流通路徑如圖15所示，從正線段鋼軌-正線段過渡電阻-大地-埋地金屬-車輛段過渡電阻-車輛段鋼軌-單向導通裝置-正線段鋼軌最終返回變電站負極，無論車輛段是否有機車運行，傳統的單向導通裝置都會受到正線段電流的影響，單向導通裝置二極管無法關斷的特性為雜散電流的持續流通提供了一條通路。

圖15 車輛段雜散電流流通路徑

在實際測量中，工人在掛接地線進行工作時，多次出現接觸線燒融的現象，在對車輛段雜散電流的在線監測中，其值可達幾百安，遠遠大于仿真預計值，這對車輛段工人作業及附近鋼筋結構具有極大的危害。

3 車輛段雜散電流優化方案

針對車輛段絕緣性能相比于正線段差的問題，應對單向導通裝置進行優化升級。目前所使用的單向導通裝置因使用二極管器件[14-15]，正線段雜散電流會通過大地和單向導通裝置形成回路流回變電所負極，造成車輛段一直存在雜散電流。根據第2節所分析的車輛段鋼軌電位及雜散電流產生原因，以及目前單向導通裝置所存在的問題，本文設計一款新式智能單向導通裝置。

新式智能單向導通裝置技術要求如下：

1）器件應選擇大功率全控型器件。

2）集成門極換流晶閘管（integrated gate-com- mutated thyristor, IGCT）支路設計容量為額定容量的1.5～2倍。

3）應設計相應保護電路。

4）應具備數據采集及遠程通信系統。

新型智能單向導通裝置示意圖如圖16所示，主要包括主控系統（STM32）、傳感器模塊（絕緣節兩端電壓檢測模塊、支路電流檢測模塊）、輔助電源電路模塊、485通信模塊、支路保護電路、IGCT器件。

圖16 新型智能單向導通裝置示意圖

單向導通器件：地鐵供電系統普遍采用1 500V直流供電，以鋼軌作為回流軌道，牽引電流通常可達2 000A以上。考慮到地鐵牽引電流，宜采用大容量全控器件作為單向導通的主器件，IGCT將絕緣柵雙極晶體管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）與GTO的優點結合起來，符合地鐵系統高電壓、大電流的使用條件，因此選用IGCT作為智能單向導通裝置的主器件。

主控系統：為準確控制單向導通裝置的通斷、減少雜散電流，設計一款傳感器。該傳感器須具備兩個功能：①必須準確判斷有無機車通過鋼軌絕緣節，并能有效過濾非機車物體（如人），傳感器將信號傳至主控系統，作為導通IGCT的判斷依據，此時智能單向導通裝置為列車提供回流路徑；②具備絕緣節兩側鋼軌電壓、電流的采集功能，當兩側電壓差過大，超過起弧電壓時，同樣將信號傳至主控系統導通IGCT，此時智能單向導通裝置作為消弧裝置使用，避免灼燒鋼軌。

保護電路：在地鐵高電壓、大電流的環境下，應設置相應的保護電路，共分為三種：短路保護、斷路保護和過電壓保護。

1）短路保護

短路保護采用反向電流保護方式。在每個IGCT一端設有霍爾電流傳感器，依靠逆向電流通過霍爾電流傳感器測得的數據可知IGCT的故障，確保在IGCT發生故障時能可靠地發出信號。

2）斷路保護

裝置中每個支路均應在符合要求的條件下選用特性相同的IGCT，即在單向導通裝置正常運行導通時，每個IGCT流過的電流都是相同的。如果其中一個IGCT損壞造成該支路斷路，支路中沒有電流時，應在該支路加入霍爾電流傳感器，通過霍爾電流傳感器來找出故障，并發出報警信號。

3）過電壓保護

每個支路需要配備阻容吸收裝置，在機車起動加速時及直流系統短路時，可以吸收產生的涌流，保護相應器件。為抑制過電壓，在阻容吸收裝置支路上可并聯一個壓敏電阻，當支路兩端電壓過高時，壓敏電阻工作，自動將支路旁路，保護元器件不受損壞，當電壓下降恢復正常時，壓敏電阻也隨之恢復正常。

通信功能及上位機設計：地鐵系統已具有完整的地鐵數據采集與監控（supervisory control and data acquisition, SCADA）系統，為方便實時監測智能單向導通裝置運行狀態，主控系統需要將鋼軌絕緣節電壓差、支路電流、隔離開關狀態、IGCT短路、斷路狀態實時上傳地鐵SCADA系統，以便工作人員實時獲知設備狀態。

新型單向導通裝置關閉后的車輛段鋼軌電位、鋼軌電流和雜散電流如圖17所示。52.6s時單向導通裝置閉合前后對比見表2。

圖17 新型單向導通裝置關閉后的車輛段鋼軌電位、鋼軌電流和雜散電流

表2 52.6s時單向導通裝置閉合前后對比

由圖17和表2可知，當機車在正線段運行時，若無機車經過絕緣節或絕緣節兩側軌道電壓沒超過主系統設定值時，單向導通裝置保持關閉，即截斷雜散電流流通路徑，雜散電流幾乎為零，大大降低了雜散電流，進而減少雜散電流對車輛段的腐蝕破壞。因此，在無機車經過絕緣節時，單向導通裝置保持關閉對于抑制雜散電流是切實可行的。

4 結論

本文首先對正線段進行建模計算，并獲取軌道電壓、電流及雜散電流的分布情況，隨后引入機車牽引計算，通過機車牽引計算得到機車取流與時間的關系，并將機車取流代入單向導通裝置處的電阻網絡模型，模擬機車處于不同工況下對車輛段軌道電壓、電流及雜散電流的影響，分析了車輛段雜散電流產生的原因，并由此提出了一種新的智能單向導通裝置，有效解決了傳統單向導通裝置因無法關斷而為雜散電流提供流通路徑的問題，從而減少了地鐵雜散電流的泄漏。此外，鋼軌電位限制裝置對車輛段鋼軌電位的影響，可在后續工作中進行進一步研究與分析。

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Analysis and protection scheme of stray current in subway depot

JIN Wenhui

(School of Electronics and Information, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710600)

One-way conduction devices are widely used to reduce the stray current in the depot, but the problem of stray current in the depot is still prominent. In this paper, the main line segment and the depot are modeled and simulated. The relationship between the locomotive flow and time is obtained through the locomotive traction calculation, and the locomotive flow is brought into the resistance network model at the one-way conduction device to simulate the locomotive in different working conditions. The influence of voltage, current and stray current is analyzed, and the causes of stray current in the depot are analyzed. For these reasons, the traditional one-way conduction device is optimized and improved, and high-power integrated gate-commutated thyristor (IGCT) is used as the new intelligent one-way conduction device control device. While satisfying the complex operating environment of the subway, the reliability of the one-way conduction device is greatly improved, and the stray current of the depot is greatly reduced.

urban rail transit; depot; one-way conduction device; stray current protection

2022-08-31

2022-09-28

金文輝（1995—），男，陜西省渭南市合陽縣人，碩士研究生，主要研究方向為軌道交通雜散電流治理與防護。