城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)殘壓研究

王曉博 尚志堅 趙 壘

（西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，710016，西安∥第一作者，工程師）

我國城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)普遍采用直流1 500 V 供電制式，在運營中普遍出現(xiàn)的問題是：接觸網(wǎng)隔離各方向來電后，驗電器仍然顯示接觸網(wǎng)帶電，即存在接觸網(wǎng)殘壓。西安、廣州、南京、成都、天津等地的城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)均存在這一情況。接觸網(wǎng)殘壓直接威脅人身安全，影響檢修施工及接觸網(wǎng)送電保護(hù)閉鎖。

各地采用了不同的應(yīng)對方式以減小接觸網(wǎng)殘壓造成的影響。成都地鐵采取的措施是，對直流開關(guān)柜線路測試中殘壓檢測定值進(jìn)行臨時調(diào)整，以避免接觸網(wǎng)無法送電；天津輕軌采取的措施是，對接觸網(wǎng)殘壓值進(jìn)行現(xiàn)場檢測，區(qū)分殘壓和正常電壓，如果確定為殘壓，則放電及掛接地線，以降低接觸網(wǎng)殘壓對檢修的影響。但由于對接觸網(wǎng)殘壓的成因沒有明確的答案，因此無法采取針對性的措施從根本上解決接觸網(wǎng)殘壓問題，這是我國城市軌道交通供電行業(yè)面臨的共同難題。

1 接觸網(wǎng)殘壓現(xiàn)象分析

西安地鐵自2011年供電系統(tǒng)送電調(diào)試以來，每年都會出現(xiàn)數(shù)十起接觸網(wǎng)殘壓現(xiàn)象，檢測的接觸網(wǎng)殘壓從70多V 至700多V，存在較大的安全隱患。接觸網(wǎng)殘壓的主要影響如下：

1）檢修中，如果接觸網(wǎng)殘壓小于驗電器報警啟動電壓，則驗電器顯示無電。掛接地線過程中會出現(xiàn)接觸網(wǎng)打火問題，燒蝕設(shè)備。

2）檢修中，如果接觸網(wǎng)殘壓大于驗電器報警啟動電壓，按照安全工作規(guī)程驗明有電，則不允許掛接地線作業(yè)，從而影響生產(chǎn)檢修。

3）直流饋線開關(guān)柜線路測試接觸網(wǎng)殘壓的出廠值設(shè)定為300 V，送電過程中，如果接觸網(wǎng)殘壓大于300 V 時，測試無法通過，開關(guān)柜不能合閘，則會導(dǎo)致接觸網(wǎng)無法送電而直接影響行車。

表1為西安地鐵接觸網(wǎng)殘壓發(fā)生次數(shù)統(tǒng)計表。根據(jù)表1統(tǒng)計及實際的發(fā)生狀況，西安地區(qū)接觸網(wǎng)殘壓出現(xiàn)的規(guī)律和特點如下：

表1 西安地鐵接觸網(wǎng)殘壓發(fā)生次數(shù)統(tǒng)計表 次

1）接觸網(wǎng)殘壓主要發(fā)生在1、2月及10～12月。因為在此時間段內(nèi)溫度低，易形成凝霜和凝露。

2）接觸網(wǎng)殘壓多出現(xiàn)在雨、霧、霾等較為惡劣的氣候條件下。

3）接觸網(wǎng)殘壓基本都發(fā)生在車輛段或與車輛段相鄰的露天段出入段線的接觸網(wǎng)區(qū)段。

由此可以認(rèn)為，接觸網(wǎng)殘壓受外界環(huán)境因素影響較大，露天段接觸網(wǎng)絕緣部件性能易受到環(huán)境影響，因此，初步推斷絕緣降低是造成接觸網(wǎng)產(chǎn)生殘壓的原因，并以此作為進(jìn)一測試分析的依據(jù)。

2 接觸網(wǎng)殘壓實測與分析

2.1 接觸網(wǎng)殘壓實測

西安地鐵1號線西咸車輛段及其相鄰區(qū)段發(fā)生過多起接觸網(wǎng)殘壓較嚴(yán)重的情況，其殘壓值最高可達(dá)到760 V，故以此段作為測試區(qū)段。圖1為接觸網(wǎng)殘壓實測區(qū)段示意圖。

圖1 西安地鐵1號線西咸車輛段及正線接觸網(wǎng)分區(qū)示意圖

在圖1中，西咸車輛段與正線相鄰的兩個供電分區(qū)為出段線1D2分區(qū)和入段線1D3分區(qū)（分別有336個和312個絕緣支撐部件），均為露天段；正線區(qū)段1A1、1B2分區(qū)分別與1D3、1D2分區(qū)相鄰，含地面段和地下段部分（分別有210個和482絕緣支撐部件）；1A2、1B3分區(qū)是分別與1A1、1B2分區(qū)相鄰的地下段正線接觸網(wǎng)分區(qū)；1B3分區(qū)為1B2分區(qū)正線相鄰區(qū)段，相互之間為絕緣錨段關(guān)節(jié)，無電氣連接。

本項測試的目的，是為了驗證接觸網(wǎng)各分區(qū)間的電壓相互影響關(guān)系。不同停送電情況下接觸網(wǎng)各分區(qū)電壓測試結(jié)果見表2。

測試中，1A1分區(qū)出現(xiàn)了殘壓，因此重點對1A1分區(qū)電壓值進(jìn)行測試分析，可以得到以下結(jié)果：

1）1A1 分區(qū)未受到1A2、1B2、1B3、1D2 分區(qū)電壓的直接影響，這4個接觸網(wǎng)分區(qū)停電后，1A1分區(qū)殘壓仍然存在。

2）1A1 分區(qū)殘壓與1D3 分區(qū)有直接關(guān)系：當(dāng)1D3分區(qū)帶電時，1A1 分區(qū)出現(xiàn)殘壓；當(dāng)1D3 分區(qū)停電時，1A1分區(qū)殘壓消失。

3）1A1分區(qū)送電時，1D3分區(qū)未出現(xiàn)殘壓，因此1A1分區(qū)不影響1D3分區(qū)。

由此可得以下實測結(jié)論

1）接觸網(wǎng)殘壓與相鄰區(qū)段接觸網(wǎng)送電情況存在關(guān)聯(lián)性。

2）接觸網(wǎng)殘壓不是普遍推測的接觸網(wǎng)存在殘留電荷產(chǎn)生的網(wǎng)壓，而是與相關(guān)區(qū)域帶電情況有關(guān)。

3）1D3 分區(qū)對 1A1 分區(qū)形成殘壓，1D2 分區(qū)對1B2分區(qū)無殘壓，1A1分區(qū)正線送電對車輛段接觸網(wǎng)1D3分區(qū)殘壓沒有影響，因此可判斷殘壓與設(shè)備電氣絕緣性能有關(guān)。

表2 不同停送電情況下接觸網(wǎng)各供電分區(qū)電壓值

2.2 接觸網(wǎng)系統(tǒng)對地絕緣電阻分布分析

依據(jù)上述實測結(jié)論，對接觸網(wǎng)絕緣電阻分布作進(jìn)一步研究。測試區(qū)段接觸網(wǎng)系統(tǒng)中露天段為柔性接觸網(wǎng)，地下段為剛性接觸網(wǎng)，接觸網(wǎng)系統(tǒng)通過各支持定位絕緣子與大地絕緣。

現(xiàn)以西安地鐵1號線1D3和1A1接觸網(wǎng)分區(qū)為例，1D3和1A1分區(qū)接觸網(wǎng)對地絕緣電阻是分別由n1個絕緣子和n2個絕緣子并聯(lián)形成的電阻值（n1＝312個，n2＝210個）。圖2為1D3和1A1分區(qū)接觸網(wǎng)對地電阻分布示意圖。

圖2 1D3和1A1分區(qū)接觸網(wǎng)對地電阻分布示意圖

分段絕緣器、接觸網(wǎng)絕緣子絕緣電阻（兆歐級別）相對于接觸網(wǎng)線路電阻（117.68μΩ／m）和鋼軌對地電阻（地下段標(biāo)準(zhǔn)為15Ω·km）比差極大，計算中可以忽略。接觸網(wǎng)各絕緣子為并聯(lián)關(guān)系，對地電阻關(guān)系可簡化為圖3所示。

圖3 1D3和1A1分區(qū)接觸網(wǎng)對地電阻等效圖

根據(jù)圖3接觸網(wǎng)對地電阻等效情況分析，假設(shè)當(dāng) 車輛段側(cè)（1D3）供電，正線側(cè)（1A1）停電時，依據(jù)電阻的分壓原理，RA與RB串聯(lián)并與RC并聯(lián)，當(dāng)車輛段電壓為1 500 V 時，則正線接觸網(wǎng)電壓為，即正線電壓由分段絕緣器絕緣電阻值與正線絕緣電阻值共同決定。

2.3 接觸網(wǎng)絕緣電阻與網(wǎng)壓關(guān)系實測與分析

2.3.1 接觸網(wǎng)絕緣部件單體絕緣性能測試

接觸網(wǎng)每個供電分區(qū)是由許多絕緣子固定和支撐的，想要掌握接觸網(wǎng)整體對地絕緣電阻情況，就必須了解絕緣部件的絕緣電阻。因此，首先對單體絕緣子在不同環(huán)境下的絕緣性能進(jìn)行測試，以此作為分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。測試數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同情況下接觸網(wǎng)絕緣部件絕緣性能測試表

西咸車輛段現(xiàn)場情況是，1D3和1A1接觸網(wǎng)分區(qū)通過分段絕緣器實現(xiàn)電氣分?jǐn)?，分段絕緣器兩端導(dǎo)電體與1 500 V 電纜并聯(lián)連接。受接觸網(wǎng)定位器安裝的限制，電纜需從分段絕緣器上方跨接，影響分段絕緣器兩側(cè)絕緣電阻。因此，部件絕緣性能測試內(nèi)容包括柔性絕緣子、剛性絕緣子、分段絕緣器和并聯(lián)綁扎電纜4部分。

表3測試數(shù)據(jù)表明：

1）潮濕環(huán)境下，各設(shè)備絕緣強(qiáng)度下降明顯，特別是并聯(lián)綁扎電纜，由于表面憎水性差、電纜間易積水，故電阻值下降幅度最大。

2）在干燥情況下，分段絕緣器絕緣電阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正線和車輛段絕緣電阻值，可以達(dá)到100倍以上，而在潮濕環(huán)境下二者間的絕緣電阻值差縮小并趨近于相等。

3）總體絕緣強(qiáng)度均在兆歐級別，1 500 V 供電系統(tǒng)對地絕緣仍滿足設(shè)備運行要求。

2.3.2 接觸網(wǎng)系統(tǒng)絕緣電阻推算

假設(shè)各單體絕緣部件絕緣電阻相同，結(jié)合1D3和1A1分區(qū)并聯(lián)絕緣部件數(shù)量，可估算得到：

1）1D3分區(qū)對地絕緣電阻值RC為10.2 MΩ～8.0GΩ。

2）1A1分區(qū)對地絕緣電阻值RB為13.0 MΩ～10.0GΩ。

3）1A1與1D3分區(qū)間絕緣電阻，包含分段絕緣器自身絕緣電阻與并聯(lián)電纜的絕緣電阻，其值為10.9 MΩ～763.9 GΩ。

2.3.3 接觸網(wǎng)系統(tǒng)絕緣電阻實測

在單體部件測試基礎(chǔ)上進(jìn)行接觸網(wǎng)系統(tǒng)整體絕緣性能測試，以驗證分析結(jié)果。如圖4所示，只能測定整體絕緣電阻，即，測定車輛段兩端接觸網(wǎng)對地電阻、正線兩端接觸網(wǎng)對地電阻和分段絕緣器絕緣電阻。

圖4 1D3和1A1分區(qū)接觸網(wǎng)絕緣電阻實測方法

通過實測得到的接觸網(wǎng)系統(tǒng)絕緣電阻數(shù)據(jù)見表4。

表4 1D3和1A1分區(qū)接觸網(wǎng)絕緣電阻實測值 kΩ

基于表4數(shù)據(jù)分析可得：

1）RARB／（RA＋RB）＝2 250 kΩ，RA、RB均大于2250 kΩ；

2）RARC／（RA＋RC）＝273 kΩ，即RA、RC均不小于273 kΩ；

3）RA與RC不會同時大于546 kΩ，因此可得273 kΩ＜RC＜310 kΩ。

由RB／（RA＋RB）×1 500 V＝殘壓值（正線停電時測得殘壓值為87 V），可確定RA約為41 MΩ，RB約為2.4 MΩ，RC約為275 kΩ。測量結(jié)果與推算的絕緣電阻值近似，但仍有一定差別。這是因為現(xiàn)場實際環(huán)境更為復(fù)雜，絕緣電阻受雨水、灰塵等更加惡劣的污染影響。

測試結(jié)果證明：

1）雖然存在殘壓，但接觸網(wǎng)整體絕緣電阻滿足直流系統(tǒng)的絕緣要求，安全可靠。

2）分段絕緣器絕緣電阻是正線接觸網(wǎng)絕緣電阻的17.1 倍，是車輛段接觸網(wǎng)絕緣電阻的149.1倍。與單體部件理論值對比表明，正線接觸網(wǎng)受環(huán)境影響較小。由此可以推測，隨著環(huán)境的劣化，分段絕緣器絕緣電阻下降率將大于正線接觸網(wǎng)，正線接觸網(wǎng)殘壓會繼續(xù)增大。

3）當(dāng)正線電壓為1 500 V 時，根據(jù)電阻情況，車輛段接觸網(wǎng)電壓不足10 V；雖然殘壓不能消除，但車輛段接觸網(wǎng)相對較低的絕緣電阻使車輛段內(nèi)接觸網(wǎng)殘壓不明顯。

2.3.4 絕緣電阻與電壓分布仿真分析

使用Mutisim 仿真軟件建立模型（見圖6）進(jìn)行仿真分析。僅考慮車輛段1D3分區(qū)與正線1A1分區(qū)停送電情況，依據(jù)實測及理論數(shù)據(jù)驗證絕緣電阻與電壓分布關(guān)系。表5為1D3、1A1分區(qū)接觸網(wǎng)電壓分布仿真數(shù)據(jù)。

基于表5數(shù)據(jù)可得以下結(jié)論：

1）接觸網(wǎng)殘壓的計算公式為RB／（RA＋RB）×1500V，由此可知其大小由接觸網(wǎng)絕緣電阻間比例關(guān)系決定。

圖5 1D3、1A1分區(qū)接觸網(wǎng)電壓分布仿真

2）接觸網(wǎng)殘壓的大小由分段絕緣器電阻和接觸網(wǎng)電阻共同作用，理論值為0＜?xì)垑海? 500 V。因此，殘壓只能減小，不能消除。

3）仿真中測得殘壓范圍為10.0V～815.9 V，仿真結(jié)果與西安地鐵監(jiān)測的殘電壓從數(shù)10 V 至700多V 相吻合。

2.4 實物模擬驗證

為了對分析結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步驗證，使用接觸網(wǎng)分段絕緣器和絕緣子依據(jù)圖3搭建起測試回路，做定性模擬驗證（見圖6）。絕緣子A 和絕緣子B上部連接在一起，在絕緣子A 兩端加1 500 V 電壓，通過在分段絕緣器噴淋水霧降低絕緣電阻來檢測絕緣子B的電壓值。

表5 1D3、1A1分區(qū)接觸網(wǎng)電壓分布仿真數(shù)據(jù)

圖6 接觸網(wǎng)殘壓模擬驗證

測試結(jié)果顯示，隨著分段絕緣器受潮后絕緣電阻下降，絕緣子B電壓同步升高，由15 V 逐步上升到41 V，這就是接觸網(wǎng)殘壓的變化情況。

3 結(jié)論

通過實測、仿真分析及驗證，充分證明了接觸網(wǎng)殘壓是由接觸網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)絕緣電阻分壓比例關(guān)系決定的，是采用分段絕緣器連接的接觸網(wǎng)固有特性。當(dāng)相鄰區(qū)段接觸網(wǎng)供電時，接觸網(wǎng)殘壓不可避免，主要影響環(huán)境變化較大的車輛段和停車場，但可以通過采取有效措施來降低接觸網(wǎng)殘壓，以減小造成的不良影響。減少對接觸網(wǎng)殘壓影響的措施如下：

1）改進(jìn)設(shè)計和施工工藝。提高分段絕緣器兩端絕緣電阻，防止分段絕緣器絕緣電阻的降低，避免相關(guān)設(shè)備與分段絕緣器搭接，以減少外界環(huán)境對其造成的影響。

2）改進(jìn)相關(guān)技術(shù)。在保證安全的對地電阻前提下，降低發(fā)生殘壓區(qū)段接觸網(wǎng)的對地絕緣電阻。當(dāng)初步判斷驗電器內(nèi)部的兆歐級電阻為殘壓時，臨時可將1～2組驗電器掛至接觸網(wǎng)上，然后再進(jìn)行驗電，如能通過則證明為殘壓，即可采取安全措施或投入被閉鎖的饋線開關(guān)。

3）改進(jìn)送電組織流程。當(dāng)受接觸網(wǎng)殘壓影響導(dǎo)致直流饋線開關(guān)無法正常送電時，電力調(diào)度可將與分段絕緣器連接的相鄰區(qū)段接觸網(wǎng)停電，然后再向殘壓區(qū)段送電，這樣可快速恢復(fù)設(shè)備功能，以保障運營安全。

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