城市軌道交通供電系統(tǒng)鋼軌電位限制裝置操作過(guò)電壓研究

陳民武，趙　鑫，丁大鵬，于峰學(xué),馮　祥

(1.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都　610031；2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 電氣化處，陜西 西安　710043；3.無(wú)錫地鐵集團(tuán)有限公司 運(yùn)營(yíng)分公司，江蘇 無(wú)錫　214000)

近年來(lái)，我國(guó)城市軌道交通正經(jīng)歷著前所未有的高速發(fā)展期。截至2015年底，全國(guó)共有25個(gè)城市開(kāi)通運(yùn)營(yíng)了城市軌道線路，運(yùn)營(yíng)線路總長(zhǎng)3 293 km，預(yù)計(jì)2016年末，總運(yùn)營(yíng)里程將超過(guò)3 800 km，新增運(yùn)營(yíng)城市總數(shù)將超過(guò)29個(gè)[1]。目前國(guó)內(nèi)城市軌道交通系統(tǒng)主要采用直流750 V或1 500 V供電制式，流經(jīng)機(jī)車的牽引電流通過(guò)鋼軌返回至牽引變電所負(fù)極母線。運(yùn)行時(shí)的牽引電流可達(dá)2 kA以上，并且由于鋼軌阻抗及雜散電流的影響，機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中鋼軌與地之間會(huì)產(chǎn)生較高的電位差。為了防止鋼軌對(duì)地電位過(guò)高可能造成人身傷害，在各個(gè)車站及停車場(chǎng)內(nèi)都裝設(shè)有鋼軌電位限制裝置(Over-Voltage Protection Device, OVPD)，用以監(jiān)測(cè)鋼軌與大地之間的電壓，當(dāng)鋼軌電位過(guò)高時(shí)將鋼軌接地，起到限制鋼軌電位的作用，保障工作人員及站臺(tái)乘客的人身安全[2]。

隨著OVPD的廣泛運(yùn)用，其經(jīng)常在工作中出現(xiàn)二段和三段電壓保護(hù)誤動(dòng)，導(dǎo)致OVPD的接觸器永久接地，使部分回流電流從OVPD的接觸器泄入大地而形成高達(dá)800 A以上的雜散電流[3]，雜散電流會(huì)對(duì)金屬形成電化學(xué)腐蝕，嚴(yán)重腐蝕埋地金屬管線、鋼筋結(jié)構(gòu)及隧道相關(guān)設(shè)施與建筑，進(jìn)而對(duì)地鐵運(yùn)行安全造成嚴(yán)重危害[4]。

本文研究建立包含有鋼軌電位限制裝置的城市軌道交通回流系統(tǒng)等效電路模型，對(duì)OVPD的動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行仿真，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，分析產(chǎn)生OVPD操作過(guò)電壓的原因及其導(dǎo)致二段和三段電壓保護(hù)誤動(dòng)的機(jī)理和規(guī)律，提出抑制操作過(guò)電壓的解決方案。

1　OVPD工作原理

城市軌道交通OVPD連接回流系統(tǒng)中的鋼軌和大地，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。圖中：I為機(jī)車取流；I1和I2為牽引電流；I3和I4為鋼軌電流；I5為雜散電流；I6和I7為泄露電流的回流電流。

OVPD保護(hù)策略為三段式保護(hù)，具體如下。

(1)當(dāng)鋼軌電位U達(dá)到一段電壓保護(hù)動(dòng)作閾值U1(一般設(shè)為90 V)且持續(xù)0.8 s后，OVPD將鋼軌與大地短接，有效降低鋼軌電位。在預(yù)設(shè)時(shí)間10 s內(nèi)接觸器保持合閘狀態(tài)，之后接觸器恢復(fù)斷開(kāi)。在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)若裝置動(dòng)作次數(shù)達(dá)到3次，裝置閉鎖，需人工手動(dòng)復(fù)位[5]；

圖1　OVPD結(jié)構(gòu)原理圖

(2)當(dāng)鋼軌電位U達(dá)到二段電壓保護(hù)動(dòng)作閾值U2(一般設(shè)為150 V)時(shí)，OVPD無(wú)延時(shí)使接觸器直接合閘并閉鎖，需人工手動(dòng)復(fù)位[6]；

(3)當(dāng)鋼軌電位U達(dá)到三段電壓保護(hù)動(dòng)作閾值U3(一般設(shè)為600 V)時(shí)，晶閘管模塊無(wú)延時(shí)導(dǎo)通，接觸器接收到晶閘管導(dǎo)通的信號(hào)后合閘并永久閉鎖，需人工手動(dòng)復(fù)位[7-8]。

OVPD具體保護(hù)流程圖如圖2所示。

圖2　OVPD動(dòng)作流程圖

2　基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的OVPD誤動(dòng)機(jī)理分析

2016年3月，針對(duì)無(wú)錫地鐵2號(hào)線OVPD頻繁動(dòng)作和閉鎖的問(wèn)題，對(duì)該線牽引變電所鋼軌電位進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中OVPD多次出現(xiàn)三段與一段電壓保護(hù)同時(shí)動(dòng)作的現(xiàn)象，任取某一動(dòng)作時(shí)刻的鋼軌電位如圖3所示。從圖3可以看出：當(dāng)鋼軌電位達(dá)到90 V時(shí)，OVPD一段電壓保護(hù)啟動(dòng)正常，但在一段電壓保護(hù)動(dòng)作時(shí)刻產(chǎn)生了幅值高達(dá)886 V的過(guò)電壓，使三段電壓保護(hù)誤動(dòng)，OVPD的接觸器閉鎖，鋼軌電位變?yōu)榱恪７治鋈坞妷罕Ｗo(hù)誤動(dòng)的原因?yàn)椋阂欢坞妷罕Ｗo(hù)接觸器在合閘時(shí)產(chǎn)生的操作過(guò)電壓達(dá)到了三段電壓保護(hù)動(dòng)作的閾值，導(dǎo)致三段電壓保護(hù)動(dòng)作，接觸器直接閉鎖。

圖3　無(wú)錫地鐵2號(hào)線鋼軌電位

2016年5月，針對(duì)西安地鐵1號(hào)線OVPD頻繁動(dòng)作和閉鎖的問(wèn)題，對(duì)西安地鐵1號(hào)線牽引變電所的鋼軌電位進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中OVPD多次出現(xiàn)二段電壓保護(hù)誤動(dòng)、接觸器直接閉鎖的現(xiàn)象，任取某一動(dòng)作時(shí)刻的鋼軌電位如圖4所示。從圖4可以看出：一段電壓保護(hù)接觸器恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生了操作過(guò)電壓，與此同時(shí)發(fā)生了二段電壓保護(hù)動(dòng)作。分析二段電壓保護(hù)誤動(dòng)的原因是接觸器分閘時(shí)所產(chǎn)生的操作過(guò)電壓所致。

圖4　西安地鐵1號(hào)線鋼軌電位

正常情況下，一段電壓保護(hù)需有效地將鋼軌與地短接，經(jīng)預(yù)設(shè)的延時(shí)后再及時(shí)斷開(kāi)接觸器，恢復(fù)一段電壓保護(hù)，避免接觸器長(zhǎng)時(shí)間合閘而導(dǎo)致較大的電流泄入大地。實(shí)際在現(xiàn)場(chǎng)，OVPD二段、三段電壓保護(hù)誤動(dòng)會(huì)使較大的電流流入大地而形成雜散電流。取測(cè)試過(guò)程中OVPD閉鎖后一段時(shí)間內(nèi)流經(jīng)OVPD的電流波形如圖5所示。從圖5可以看出：OVPD的電流幅值可達(dá)700 A。

在OVPD接觸器動(dòng)作的暫態(tài)過(guò)程中，其等值電路是1個(gè)由電阻、電感和電容組成的高階電路。在OVPD分、合閘的過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致等值電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)發(fā)生變化，再加上電力機(jī)車在線路區(qū)間運(yùn)行時(shí)等值電路的參數(shù)也不斷改變，從而使得在OVPD動(dòng)作的暫態(tài)過(guò)程中形成高階振蕩電路而產(chǎn)生操作過(guò)電壓[9]。

圖5　流經(jīng)OVPD的電流

3　回流系統(tǒng)建模及OVPD動(dòng)作過(guò)程仿真

3.1　回流系統(tǒng)建模

對(duì)城市軌道交通回流系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化與假設(shè)，選取“鋼軌—大地”兩層回流結(jié)構(gòu)，建立城市軌道交通回流系統(tǒng)分布參數(shù)等效電路模型[7,10]。模型中設(shè)置3座牽引變電所，采用雙邊供電方式，末端所設(shè)置了OVPD，機(jī)車采用電流源代替[11]。模型中假設(shè)：回流系統(tǒng)參數(shù)均勻分布；牽引電流是1個(gè)恒定直流；饋電線路阻抗忽略不計(jì)[2]。簡(jiǎn)化后的回流系統(tǒng)等效電路模型如圖6所示。圖中：Us為直流牽引電壓；Rs為變電所等效電阻；Rr為接觸網(wǎng)縱向電阻；R1為鋼軌縱向電阻；L1為鋼軌電感；R2為軌地過(guò)渡電阻；C2為軌地電容；R3為大地縱向電阻；C0為電纜對(duì)地電容；L0為電纜電感；K為OVPD的接觸器。

圖6　回流系統(tǒng)等效電路模型

回流系統(tǒng)為分布參數(shù)系統(tǒng)，當(dāng)考慮暫態(tài)變化對(duì)鋼軌電位的影響時(shí)，鋼軌縱向電阻R1、鋼軌電感L1、軌地過(guò)渡電阻R2和軌地電容C2均會(huì)對(duì)其產(chǎn)生顯著影響[2]，因此有必要對(duì)以上回流系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行具體分析。

1)鋼軌參數(shù)

鋼軌縱向電阻R1：目前城市軌道交通常用60和65 kg·m-1鋼軌，西安地鐵1號(hào)線和無(wú)錫地鐵2號(hào)線均采用60 kg·m-1鋼軌，其電阻標(biāo)準(zhǔn)值為27.3 mΩ·km-1?？紤]鋼軌之間的連接等影響，結(jié)合依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28026.2—2011《軌道交通 地面裝置》對(duì)鋼軌縱向電阻進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果，仿真模型中取鋼軌縱向電阻為36 mΩ·km-1。

鋼軌電感L1：鋼軌電感由內(nèi)電感和外電感組成。鋼軌內(nèi)流過(guò)電流時(shí)在其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的參數(shù)為鋼軌內(nèi)電感。鋼軌外部電感除了考慮軌道和接觸網(wǎng)及大地的耦合關(guān)系外，還應(yīng)考慮回流軌道與軌道下方鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整體道床、周圍隧道結(jié)構(gòu)中的鋼筋網(wǎng)絡(luò)之間的互感。根據(jù)文獻(xiàn)[2]綜合考慮各種影響因素，仿真模型中取鋼軌電感為1 mH·km-1。

2)軌地參數(shù)

軌地過(guò)渡電阻R2：盡管理論上鋼軌絕緣安裝，但在工程實(shí)踐中無(wú)法保證鋼軌與地之間絕對(duì)絕緣，軌地之間存在電流通路。CJJ49—1992《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定，在建或新建地鐵線路的軌地過(guò)渡電阻不應(yīng)小于15 Ω·km，已投運(yùn)的地鐵線路不應(yīng)小于3 Ω·km。仿真模型中取軌地過(guò)渡電阻為10 Ω·km。

軌地電容C2：暫態(tài)變化過(guò)程中鋼軌與地之間存在電容效應(yīng)，用鋼軌與地之間均勻分布的電容元件描述。將與地平行放置的2條鋼軌看作考慮大地影響的二線傳輸系統(tǒng)，根據(jù)電磁場(chǎng)理論，鋼軌對(duì)地電容C2為[12]

(1)

式中：ε0為真空介電常數(shù)；l為鋼軌長(zhǎng)度；Req為鋼軌等值半徑；h為鋼軌等效軸心對(duì)地高度；d為2條鋼軌之間的水平距離。

另外，OVPD通過(guò)電力電纜與鋼軌和地相連，仿真模型中OVPD中接觸器與地之間的電感用電纜電感L0等效，OVPD中接觸器與地之間的電容用電纜的對(duì)地電容C0等效。

3.2　OVPD動(dòng)作過(guò)程仿真

仿真模型中設(shè)定：線路長(zhǎng)度為5 km，接觸網(wǎng)電壓結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)取1 700 V，機(jī)車取流為2 000 A,上、下行各設(shè)置1輛機(jī)車取流。

等值電路模型中的參數(shù)取值如下：R1=36 mΩ·km-1，L1=1 mH·km-1，R2=10 Ω·km，C2=42.884 5 nF·km-1，R3=30 mΩ·km-1，C0=46 nF，L0=0.122 mH。

OVPD一段電壓保護(hù)動(dòng)作即接觸器合閘后，改變了回流系統(tǒng)等值電路的結(jié)構(gòu)，使電路發(fā)生振蕩，產(chǎn)生合閘過(guò)電壓，對(duì)合閘時(shí)的暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真如圖7所示。

圖7　合閘過(guò)電壓仿真結(jié)果

由于機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)的不同、牽引負(fù)荷電流的劇烈變化等因素的影響，使得過(guò)電壓的產(chǎn)生具有很大的隨機(jī)性。統(tǒng)計(jì)無(wú)錫地鐵2號(hào)線鋼軌電位測(cè)試數(shù)據(jù)中的合閘過(guò)電壓，超過(guò)600 V的過(guò)電壓為13次，而圖7中合閘過(guò)電壓的仿真結(jié)果為647 V，也超過(guò)了600 V，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中多次出現(xiàn)超過(guò)600 V的合閘過(guò)電壓的情況基本相符。

OVPD一段電壓保護(hù)動(dòng)作即接觸器合閘后，經(jīng)過(guò)10 s延時(shí)接觸器分閘，模型中設(shè)定分閘時(shí)刻流經(jīng)OVPD的電流為400 A，對(duì)分閘時(shí)的暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真如圖8所示。

圖8　分閘過(guò)電壓仿真結(jié)果

改變模型中分閘時(shí)刻流經(jīng)OVPD泄入大地的電流，對(duì)不同電流幅值下分閘時(shí)的暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　分閘過(guò)電壓與流經(jīng)OVPD電流的關(guān)系

仿真結(jié)果表明：OVPD操作過(guò)電壓隨著流經(jīng)OVPD電流的增大而增大，當(dāng)流經(jīng)OVPD的電流為600 A時(shí)，過(guò)電壓幅值可達(dá)到2 392 V，在地鐵實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中控制盤記錄的鋼軌電位數(shù)據(jù)也存在高達(dá)2 422 V的過(guò)電壓；并且，圖4中過(guò)電壓幅值最大為818 V，與流經(jīng)OVPD的電流為200～300 A時(shí)的過(guò)電壓仿真結(jié)果基本一致，表明仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況基本相符。

上述OVPD分、合閘過(guò)程的仿真結(jié)果表明：OVPD在分、合閘時(shí)會(huì)產(chǎn)生操作過(guò)電壓，過(guò)電壓的幅值達(dá)到或超過(guò)了二段和三段電壓保護(hù)動(dòng)作閾值后，導(dǎo)致二段和三段電壓保護(hù)誤動(dòng)，接觸器閉鎖，增大了雜散電流產(chǎn)生的危害。

4　解決方案設(shè)計(jì)

OVPD二段和三段電壓保護(hù)誤動(dòng)的原因是由于接觸器分、合閘產(chǎn)生操作過(guò)電壓所致，接觸器分、合閘動(dòng)作改變了回流系統(tǒng)等值電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使電路發(fā)生振蕩產(chǎn)生過(guò)電壓。問(wèn)題的解決思路應(yīng)從過(guò)電壓的抑制入手，考慮改變電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使暫態(tài)過(guò)程中的振蕩電路變?yōu)榉钦袷庪娐贰?/p>

RC電路是常用的抑制操作過(guò)電壓的保護(hù)電路，電路中電容元件用來(lái)抑制電壓的突然變化，減緩過(guò)電壓的沖擊；電阻元件用來(lái)消耗系統(tǒng)中的能量，增大系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，加速振蕩所引起能量的衰減[13]。加裝RC保護(hù)電路后的系統(tǒng)簡(jiǎn)化原理圖[7]如圖9所示，圖中：R和C分別為加裝保護(hù)電路的電阻和電容。

圖9　加裝RC保護(hù)電路后的系統(tǒng)簡(jiǎn)化原理圖

在仿真模型中，將RC保護(hù)電路并接到OVPD兩端后，得到圖7和圖8所示仿真操作過(guò)電壓的抑制效果，分別如圖10和圖11所示。

圖10　RC保護(hù)電路抑制合閘過(guò)電壓的仿真效果

圖11　RC保護(hù)電路抑制分閘過(guò)電壓的仿真效果

由加裝RC保護(hù)電路前后的仿真波形可以看出：加裝RC保護(hù)電路改變了回流系統(tǒng)等效電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使暫態(tài)過(guò)程中的振蕩電路變?yōu)榱朔钦袷庪娐?，從而有效地將合閘過(guò)電壓抑制在二段和三段電壓保護(hù)動(dòng)作閾值以下；將分閘過(guò)電壓的抑制在三段電壓保護(hù)動(dòng)作閾值以下，避免OVPD的誤動(dòng)。

對(duì)于分閘過(guò)電壓，除了考慮加裝過(guò)電壓抑制電路以外，還針對(duì)分閘過(guò)電壓與流經(jīng)OVPD泄入大地的電流之間的關(guān)系，對(duì)OVPD分閘添加條件限制。當(dāng)OVPD合閘動(dòng)作完成后，通過(guò)在OVPD中加裝電流檢測(cè)元件檢測(cè)流經(jīng)OVPD的泄漏電流絕對(duì)值I0，若I0大于整定值I，不分閘；若I0小于整定值I，OVPD可以分閘[7]。表2為流經(jīng)OVPD不同電流情況下加裝RC電路的抑制效果。

表2　分閘過(guò)電壓抑制與流經(jīng)OVPD電流的關(guān)系

從表2可以看出：當(dāng)流經(jīng)OVPD的電流為300 A時(shí)，RC保護(hù)電路可以將分閘過(guò)電壓抑制到110.9 V，該值小于二段電壓保護(hù)動(dòng)作閾值U2，故可將整定值I設(shè)為300 A。

通過(guò)以上過(guò)電壓解決方案的設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的仿真結(jié)果，表明在加裝RC保護(hù)電路基礎(chǔ)上，結(jié)合改進(jìn)的分閘條件，有效抑制了操作過(guò)電壓的產(chǎn)生，可以避免OVPD二段和三段電壓保護(hù)誤動(dòng)。

5　結(jié)　語(yǔ)

在分析鋼軌電位限制裝置二段和三段電壓保護(hù)誤動(dòng)原因的基礎(chǔ)上，揭示了一段電壓保護(hù)接觸器分閘和合閘過(guò)程改變了回流系統(tǒng)等值電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)，造成了高階振蕩電路的暫態(tài)過(guò)程，容易產(chǎn)生操作過(guò)電壓。鋼軌電位限制裝置動(dòng)作過(guò)程的仿真也證明了接觸器分合閘過(guò)程的暫態(tài)特性，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。

提出了鋼軌電位限制裝置操作過(guò)電壓的解決方案，即通過(guò)增加振蕩抑制電路，改變主回路的電氣特性，配合引入泄露電流檢測(cè)判據(jù)，可以有效地抑制操作過(guò)電壓，防止裝置誤閉鎖，也減少了雜散電流產(chǎn)生的危害。

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