城軌交流牽引供電系統(tǒng)鋼軌電位分析與治理

（江蘇省徐州技師學(xué)院 江蘇 徐州 221000）

引言

城市軌道交通供電系統(tǒng)與外界環(huán)境接口的相關(guān)技術(shù)，參照國(guó)際、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，介紹城市軌道交通供電系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境影響的領(lǐng)域，以及在工程驗(yàn)收、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時(shí)宜進(jìn)行的測(cè)試項(xiàng)目，主要包括牽引供電系統(tǒng)諧波測(cè)試、綜合接地系統(tǒng)測(cè)試、站臺(tái)邊緣接觸電壓和跨步電壓測(cè)試、整個(gè)軌道交通系統(tǒng)對(duì)外界的發(fā)射測(cè)試、主變電所對(duì)外界的工頻電磁場(chǎng)影響測(cè)試、雜散電流腐蝕防護(hù)測(cè)試等內(nèi)容，為軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、聯(lián)調(diào)和運(yùn)營(yíng)管理提供重要技術(shù)參考。

1.城市軌道交通供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

城市軌道交通供變電系統(tǒng)設(shè)施包括主變電所/電源開(kāi)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(shè)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(lái)自城市電網(wǎng)的10kV/35kV中壓，通過(guò)電源開(kāi)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(wǎng)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(chē)站各種動(dòng)力、照明設(shè)備供電。降壓變電所時(shí)常與牽引變電所合建，根據(jù)需要，區(qū)間可設(shè)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(tǒng)中具有供機(jī)車(chē)走行、傳輸信號(hào)、牽引網(wǎng)回流等重要作用。正常工況下，由于軌道和大地為非線(xiàn)性參數(shù)回路，因此可認(rèn)為牽引電流通過(guò)鋼軌和大地兩個(gè)路徑進(jìn)行回流，部分牽引電流泄入地中流經(jīng)軌地泄漏電導(dǎo)形成軌道與大地的電位差，即鋼軌電位。過(guò)高的鋼軌電位對(duì)人員安全、軌道周邊設(shè)備正常運(yùn)行造成威脅。本文基于城軌交流牽引供電系統(tǒng)的等值數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)鋼軌電位的分布表達(dá)式。軌地間為高度非線(xiàn)性的參數(shù)網(wǎng)絡(luò)，在進(jìn)行鋼軌電位理論分析時(shí)，作如下假設(shè)：鋼軌回路為適用疊加定理的線(xiàn)性電路；鋼軌向兩端無(wú)限延長(zhǎng)且參數(shù)均勻，工頻下軌地過(guò)渡導(dǎo)納僅計(jì)及電導(dǎo)g；大地的電導(dǎo)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(xiàn)、鋼軌的間距可忽略不計(jì)，因而可認(rèn)為電纜與接觸線(xiàn)、鋼軌間無(wú)電磁耦合，所以在分析鋼軌電位電流分布過(guò)程中可忽略電纜牽引網(wǎng)部分對(duì)鋼軌電流電位的分布影響，只考慮短回路接觸網(wǎng)與鋼軌回路部分之間的耦合影響。

2.2 貫通地線(xiàn)對(duì)鋼軌電位的影響。交流電氣化鐵路綜合接地系統(tǒng)是將鐵路沿線(xiàn)的牽引回流系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、電子信息系統(tǒng)、電力供電系統(tǒng)、道床等需要接地的裝置通過(guò)貫通地線(xiàn)連為統(tǒng)一的接地系統(tǒng)，增設(shè)貫通地線(xiàn)可降低回流網(wǎng)輸入電阻，增大軌地泄漏電導(dǎo)，間接降低鋼軌電位。借鑒交流電氣化鐵路的經(jīng)驗(yàn)，在城軌交流牽引系統(tǒng)中引入綜合接地系統(tǒng)，在上下行中間增設(shè)一條貫通地線(xiàn)。建立的城軌交流牽引系統(tǒng)精確仿真模型，仿真新系統(tǒng)采取多種鋼軌電位治理措施下鋼軌電位過(guò)高的治理效果，逐步提出新系統(tǒng)治理鋼軌電位的綜合措施，并驗(yàn)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(tǒng)鋼軌電位過(guò)高問(wèn)題，滿(mǎn)足鋼軌電位相關(guān)規(guī)定要求。

2.3 輔助電源優(yōu)化方案節(jié)能計(jì)算。按照上文所述各器件的功率和效率，在滿(mǎn)負(fù)載情況下，空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化前壓縮機(jī)功耗為34.48kVA×8÷（98%×95%×96%×98%）≈314.93kVA，通風(fēng)機(jī)和冷凝器功耗為9.48kVA×8÷（98%×95%）≈81.46kVA；優(yōu)化后空調(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)功耗為34.48kVA×8÷（98%×98%）≈287.21kVA，通風(fēng)機(jī)和冷凝器功耗為9.48kVA×8÷（98%×98%）≈78.97kVA。在相同負(fù)荷情況下，車(chē)輛輔助電源輸入端優(yōu)化前后功耗差為30.21kVA。按照輔助供電系統(tǒng)長(zhǎng)期處于50%的負(fù)載工況運(yùn)行，以每天運(yùn)行18h計(jì)算，則由于輔助供電系統(tǒng)方案優(yōu)化，每年每列車(chē)節(jié)電可達(dá)30.21kVA×50%×18h×365=99239.85kW·h，按照電費(fèi)1.0元/kW·h計(jì)算，每年每列車(chē)可節(jié)省電費(fèi)99239.85元。另一方面，優(yōu)化后輔助供電系統(tǒng)重量和空調(diào)系統(tǒng)重量降低，也可以實(shí)現(xiàn)減重節(jié)能的效果。

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

結(jié)語(yǔ)

城軌交流牽引供電系統(tǒng)的鋼軌電位分布特性，搭建了城軌交流牽引供電系統(tǒng)仿真模型，仿真分析了鋼軌電位分布特性。針對(duì)該系統(tǒng)過(guò)高鋼軌電位的問(wèn)題，提出了上下行鋼軌并聯(lián)、牽引所特設(shè)集中接地極、并聯(lián)回流線(xiàn)、在線(xiàn)路上下行并聯(lián)貫通地線(xiàn)的方法及具體實(shí)施措施。根據(jù)各種措施的仿真結(jié)果，提出新系統(tǒng)鋼軌電位綜合治理措施，驗(yàn)證了采取這些措施能有效抑制新系統(tǒng)鋼軌電位，為新型城軌交流牽引供電系統(tǒng)抑制鋼軌電位的工程實(shí)現(xiàn)提供借鑒思路。