基于回流系統(tǒng)集中參數(shù)模型的地鐵鋼軌電位和雜散電流計(jì)算

李懷志

摘 要：地鐵直流供電及回流系統(tǒng)中存在鋼軌對(duì)地電位和雜散電流。鋼軌對(duì)地電位對(duì)人身和設(shè)備存在直接安全隱患，雜散電流對(duì)地鐵鋼結(jié)構(gòu)形成比較嚴(yán)重的電蝕。文章以具有 OVPD 裝置的直流供電及回流系統(tǒng)為例，建立回流網(wǎng)集中參數(shù)電氣模型，通過(guò) multisim 軟件仿真，計(jì)算鋼軌對(duì)地電位和雜散電流，總結(jié)鋼軌對(duì)地電位和雜散電流規(guī)律，為排流柜投入運(yùn)行、OVPD 保護(hù)電壓設(shè)置等提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地鐵;回流系統(tǒng);集中參數(shù);鋼軌電位;雜散電流;OVPD

中圖分類號(hào)：U231.8

地鐵直流接觸網(wǎng)（軌）供電系統(tǒng)采用鋼軌回流，節(jié)約建設(shè)成本。鋼軌本身的縱向電阻和鋼軌對(duì)地的過(guò)渡電阻構(gòu)成回流系統(tǒng)的一部分，產(chǎn)生鋼軌對(duì)地電位和雜散電流。GB 50157-2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中規(guī)定直流牽引供電系統(tǒng)應(yīng)為不接地系統(tǒng)，牽引變電所中的直流牽引供電設(shè)備必須絕緣安裝，正常雙邊供電運(yùn)行時(shí)，站臺(tái)處走行軌對(duì)地電位不應(yīng)大于120V，車輛基地庫(kù)線走行軌對(duì)地電位不應(yīng)大于60 V。劉燕等[2]列舉了嚴(yán)重雜散電流腐蝕危險(xiǎn)，用微元法建立雜散電流分布的數(shù)學(xué)模型。陳超錄等[3]提出限制鋼軌對(duì)地電位的方法，計(jì)算出短路狀態(tài)下鋼軌電位限制裝置（OVPD）晶閘管參數(shù)選取依據(jù)。本文旨在構(gòu)建回流系統(tǒng)集中參數(shù)模型，基于multisim軟件仿真，計(jì)算各工況下的鋼軌電位和雜散電流數(shù)值，為排流柜投入運(yùn)行、OVPD保護(hù)電壓設(shè)置等提供依據(jù)。

1 地鐵直流供電及回流系統(tǒng)

地鐵直流供電及回流系統(tǒng)主要由牽引降壓變壓器、整流機(jī)組、接觸網(wǎng)、直流饋線柜、排流柜、OVPD裝置、回流鋼軌、排流網(wǎng)、饋電線和回流線等組成。排流網(wǎng)用于收集雜散電流，OVPD裝置用于限制鋼軌對(duì)排流網(wǎng)的電位（對(duì)地電位），確保設(shè)備和人身安全。地鐵直流供電及回流系統(tǒng)如圖1所示。

2 回流系統(tǒng)集中參數(shù)模型

2.1 基本假設(shè)

地鐵接觸網(wǎng)一般采用雙邊供電，供電臂長(zhǎng)度通常為2km。為了簡(jiǎn)化模型，現(xiàn)做如下假設(shè)：

（1）忽略接觸網(wǎng)電阻;

（2）鋼軌類型為60 kg/m;

（3）鋼軌縱向電阻線性分布，忽略無(wú)縫鋼軌接頭的影響;

（4）鋼軌各處對(duì)地的過(guò)渡電阻均勻等值。

2.2 回流系統(tǒng)微單元結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)CJJ 49-1992 《地鐵雜散電流防護(hù)技術(shù)規(guī)程》中地鐵走行軌回流系統(tǒng)要求，對(duì)于運(yùn)行線路，取鋼軌對(duì)地過(guò)渡電阻Rg = 3 Ω · km，60kg/m規(guī)格的鋼軌縱向電阻Rr = 0.0153Ω/km。

由于鋼軌的縱向阻值與其長(zhǎng)度成正比，過(guò)渡電阻阻值與鋼軌長(zhǎng)度成反比，因此，每50m的鋼軌縱向電阻R1 = 0.000765Ω;每100m的鋼軌對(duì)地過(guò)渡電阻R2 = 30Ω。以每100m鋼軌長(zhǎng)度劃分為1 個(gè)回流系統(tǒng)微單元，構(gòu)建每100 m集中參數(shù)下的回流系統(tǒng)微單元結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

2.3 單供電臂回流網(wǎng)集中參數(shù)電氣模型

單邊供電是雙邊供電的基礎(chǔ)，基于回流系統(tǒng)微單元模型，構(gòu)建長(zhǎng)度為2km的單供電臂回流網(wǎng)集中參數(shù)電氣模型，如圖3所示。設(shè)一維坐標(biāo)原點(diǎn)在鋼軌0m處，坐標(biāo)軸方向向右。

3 回流系統(tǒng)集中參數(shù)仿真模型

某城市4動(dòng)2拖編組B型電客車，直流供電額定電壓為1500V，定員載荷工況。OVPD設(shè)置在車站（車輛段），距離原點(diǎn)1850m處。不考慮列車運(yùn)行時(shí)電流實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化，假定列車從接觸網(wǎng)取流為一段時(shí)間內(nèi)的平均值，等效為一直流恒流源。查閱電客車牽引制動(dòng)特性曲線，確定在牽引工況下受電弓取流IS = 2800A，制動(dòng)工況下受電弓回流IS = 3500A，牽引負(fù)荷等效為直流電流源，并假定牽引工況取流為參考正方向，制動(dòng)工況回流為反方向。利用multisim軟件，建立回流系統(tǒng)集中參數(shù)仿真模型，如圖4所示。利用萬(wàn)用表測(cè)試接地點(diǎn)G到V1、V2…直至V22點(diǎn)對(duì)地電位，利用電流探針測(cè)試排流網(wǎng)各處電流（I1～I(xiàn)19）。

4 仿真結(jié)果

4.1 工況 1：排流網(wǎng)未投入運(yùn)行

正常工況下，排流網(wǎng)不投入運(yùn)行，用multisim軟件仿真測(cè)試V1～V22各點(diǎn)對(duì)G點(diǎn)電位和I1～I(xiàn)19各條支路雜散電流，鋼軌電位分布如圖5所示，雜散電流分布如圖6所示。鋼軌電位和雜散電流具有如下規(guī)律：

（1）鋼軌各處對(duì)地電位呈線性規(guī)律，雜散電流呈拋物線規(guī)律;

（2）坐標(biāo)原點(diǎn)處，鋼軌對(duì)地電位為41.93V和-52.413V，坐標(biāo)1000m處雜散電流為6.99A和-8.73A;

（3）坐標(biāo)1000 m處鋼軌對(duì)地電位最低，接近0 V;

（4）制動(dòng)工況下鋼軌最高電位絕對(duì)值比牽引工況下鋼軌最高電位高。

4.2 工況 2：排流網(wǎng)投入運(yùn)行

由于列車大多數(shù)時(shí)間運(yùn)行在牽引工況，為簡(jiǎn)化問(wèn)題，本文只討論牽引工況下排流網(wǎng)投入運(yùn)行情況，即排流網(wǎng)作用結(jié)果相當(dāng)于圖4中A點(diǎn)和B點(diǎn)短接。用multisim軟件仿真測(cè)試各點(diǎn)在牽引工況下鋼軌對(duì)地電位和雜散電流，結(jié)果分別如圖7和圖8所示。鋼軌電位和雜散電流具有如下規(guī)律：

（1）鋼軌各處對(duì)地電位呈線性規(guī)律，雜散電流呈拋物線規(guī)律;

（2）坐標(biāo)原點(diǎn)處鋼軌對(duì)地電位最高，為83.445 V，雜散電流為0 A;

（3）坐標(biāo)2000 m處鋼軌對(duì)地電位為0 V，雜散電流最大為27.7 A;

（4）排流網(wǎng)投入運(yùn)行時(shí)鋼軌對(duì)地電位最大值增加，雜散電流最大值增加。

4.3 工況 3：OVPD 裝置動(dòng)作

根據(jù)鋼軌對(duì)地電位高低，OVPD裝置動(dòng)作。當(dāng)車站鋼軌對(duì)地電位超過(guò)120 V（車輛段鋼軌對(duì)地電位超過(guò)60V）時(shí)，OVPD裝置接觸器觸點(diǎn)與地短接，相當(dāng)于圖 4中V19點(diǎn)與G點(diǎn)短接。此時(shí)鋼軌各點(diǎn)電位和雜散電流如圖9和圖10所示。鋼軌電位和雜散電流具有如下規(guī)律：

（1）鋼軌各處對(duì)地電位呈線性規(guī)律，雜散電流呈拋物線規(guī)律;

（2）坐標(biāo)1850 m處，鋼軌對(duì)地電位為0 V，雜散電流為23.8 A;

（3）坐標(biāo)原點(diǎn)處鋼軌對(duì)地電位為77.260 V，雜散電流為0 A;

（4）OVPD裝置動(dòng)作時(shí)鋼軌對(duì)地電位最大值增加，雜散電流最大值增加。

4.4 結(jié)果比較

通過(guò)分析地鐵供電回流系統(tǒng)在正常（排流網(wǎng)未投入運(yùn)行）、排流網(wǎng)投入運(yùn)行和OVPD裝置動(dòng)作3種工況下鋼軌對(duì)地電位和雜散電流數(shù)據(jù)，由圖11可以看出排流網(wǎng)投入運(yùn)行時(shí)鋼軌對(duì)地電位最高，雜散電流最大。

5 結(jié)論及建議

當(dāng)回流網(wǎng)雜散電流檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到雜散電流過(guò)大時(shí)，排流網(wǎng)投入運(yùn)行，減小流經(jīng)鋼結(jié)構(gòu)中的電流，導(dǎo)致總的雜散電流值增加，鋼軌對(duì)地電位升高。當(dāng)OVPD裝置動(dòng)作時(shí)也會(huì)增加鋼軌對(duì)地電位和雜散電流值。因此，減小鋼軌對(duì)地電位和隧道鋼結(jié)構(gòu)中雜散電流的最好方案是及時(shí)有效維護(hù)鋼軌下的減震絕緣膠墊、軌枕固定螺栓和蝶形彈簧，增加鋼軌對(duì)地過(guò)渡電阻;規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)鋼軌接縫的焊接工藝，減小鋼軌縱向電阻;利用參比電極做好雜散電流監(jiān)測(cè)，減少排流網(wǎng)投入運(yùn)行次數(shù)（甚至不投入運(yùn)行）;安裝更加智能的OVPD保護(hù)裝置，減少OVPD裝置誤動(dòng)作次數(shù)和鉗位時(shí)間。

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收稿日期 2019-08-09

責(zé)任編輯 宗仁莉