直流牵引供电系统钢轨电位限制措施探讨陆清照

直流牵引供电系统钢轨电位限制措施探讨陆清照

陆清照

（南宁轨道交通集团有限责任公司工程师广西南宁530000）

摘要：结合轨道交通行业内研究现状，调研国内已运营线路运行数据，阐述直流牵引供电系统钢轨电位的成因及危害，最后从轨道交通工程建设期和运营期分别探讨可行的钢轨电位限制措施。

关键词：直流供电；钢轨电位；钢轨电位限制

1引言

电力牵引用于轨道交通系统已有100多年的历史，伴随着经济和科技的发展，城市轨道交通电力牵引方式也不断地改变。综合考虑电压损失、城轨列车功率以及晶闸管整流逆变技术的应用等因素，世界各国城市轨道交通大多采用直流供电制式，国际电工委员会拟定的电压标准有DC600V、DC750V和DC1500V三种。除广州地铁APM（AutomatedPeopleMoverSystem）线路采用三相交流600V供电，国内城市轨道交通项目中多数选用DC750V、DC1500V接触网或接触轨的供电系统。

2钢轨电位的成因

以DC1500V牵引供电系统为例，理想电流通路如图1所示。为减少杂散电流对土建结构钢筋、钢轨、设备金属外壳及其它地下金属管线的腐蚀，直流牵引供电系统设计为不接地系统，对直流供电设备采用绝缘安装，钢轨通过绝缘垫与大地绝缘，以减少杂散电流的泄漏。

图1直流牵引系统电流通路示意图

由上图可看出，列车运行时，牵引电流由牵引变电所的正极出发，经由接触网、电动列车和钢轨返回至牵引变电所的负极，钢轨对地电位随之产生。钢轨对地电位的大小，主要受线路上起动或运行列车的数量、负荷电流、牵引所间距、钢轨纵向电阻、钢轨与地间的过渡电阻等因素影响[1]。

3钢轨电位的危害

钢轨电位主要有如下危害[2]：

一是过高的钢轨电位危及乘客安全。钢轨对地绝缘安装，是直流牵引电流的负极回流通路。钢轨对地电位过高时，列车与钢轨之间为等电位，则站台人员即有可能触电。

二是由于钢轨与轨枕、道床间无法做到理想绝缘，且随着运营时间的推移，钢轨绝缘垫绝缘性能下降。钢轨对地存在电位时，则形成杂散电流，对土建结构钢筋、设备金属外壳及地下金属管线产生电腐蚀。

4钢轨电位限制装置（Over-VoltageProtectionDevice，OVPD）的应用现状

根据《地铁设计规范》（GB50157-2013）中规定“15.7.16正常双边供电运行时，站台处走行轨对地电位不应大120V，车辆基地库线走行轨对地电位不应大于60V。当走行轨对地电压超标时，应采取短时接地措施。”

为避免过高钢轨电位对轨道行人、站台人员和设施造成伤害，通常在各车站及停车场/车辆段内装设钢轨电位限制装置，用以监测钢轨与大地之间的电压，轨电位过高时将钢轨接地，起到限制钢轨电位的作用。

国内地铁的牵引供电系统全部采用不接地系统，该系统虽然有效抑制了杂散电流，但导致钢轨电位过高，OVPD经常在工作中出现保护动作。经调研，国内已运营地铁线路几乎每条线路都有2个及以上车站的OVPD频繁动作。OVPD频繁动作会缩短其使用寿命，一旦OVPD动作失灵则对地铁的运营安全带来威胁。因此实际操作中通常将每条线路的2至3个车站OVPD永久合闸，直接将钢轨与大地短接。但OVPD合闸后，部分负极回流会通过大地回流至变电所，产生大量杂散电流，久之将对地铁金属设备设施及第三方（油气、电力管道等）金属设施产生不可逆的腐蚀。

以南宁轨道交通已运营线路为例，1、2号线轨电位一天内动作次数最多分别达20次、90次，为限制钢轨电位，确保乘客安全，以及规避钢轨电位长期过高可能引起的直流系统电压框架保护误动作（导致全站整流系统退出运行）问题，目前两条线分别将2个站点OVPD永久合闸。据现场统计，流经已合闸OVPD的峰值电流已达800A，平均电流为120A，若长期合闸运行，杂散电流腐蚀将日益严重，影响地铁安全运行。

5钢轨电位限制措施探讨

如何能更好地限制钢轨电位已成为业内难题，下面结合钢轨电位的成因，从轨道交通工程建设期和运营期分别进行探讨。

5.1建设期

主要从降低回流回路电阻和钢轨对地电阻角度进行分析。

设计上，牵引变电所设置应考虑相关规范对钢轨电位的要求并留有裕量，同时合理设置大双边供电时供电区段内的车站数，以缩短牵引回流路径；回流电缆配置应按照远期高峰小时正常运行/越区供电时回流电流确定正常运行/越区供电时各牵引变电所回流电缆根数及截面（按二者中最大值确定）[2]；根据车站间距和线路特点合理设置均流电缆；装设OVPD和排流柜；合理选择整流机组容量，降低整流机组内阻等[3]。

施工中，回流轨尽量采用无缝钢轨，并应全线电气连续。线路开通前，应对走行轨纵向电阻及走行轨对地泄露电阻进行测量，不满足要求的线路区段应及时整改[2]。

5.2运营期

除将轨电位限制装置永久合闸外，针对处于运营期的轨道交通钢轨电位限制措施主要如下

（1）优化列车运行图

通过优化列车在沿线车站的停留时间，减少多辆机车同时加速或制动的情形，降低线路最大牵引电流值，进而降低轨电位。该措施实施成本低，但随着行车密度的增加，机车同时取流几率增大，优化空间小，效果不明显。

（2）增加接续电缆、回流电缆、均流电缆

通过增加接续电缆、回流电缆、均流电缆来改善回流回路电阻，该措施在多条运营线路得到应用。

（3）在钢轨上并接电缆

在钢轨上并接回流电缆，降低回流回路电阻，由于钢轨电阻占回流回路总电阻比重大，抑制效果较好，但该方式需在钢轨上间隔一定距离设置一个焊接点用于连接回流电缆，导致钢轨焊接点增多，不利于钢轨长期运行。

（4）增设再生能量回收装置

当前直流牵引供电系统中机车制动产生的电流回馈至接触网后只能由其他机车吸收，制动机车与吸收机车距离越远，回流路径越长，钢轨电位上升幅度越大。该措施将机车制动能量回馈至牵引供电系统，缩短了回流路径，然而由于牵引回路电阻的存在，且此类装置需新增降压连接变压器、高压大功率电力电子逆变模块功率柜、超级电容器、控制柜等器件，单独采用不仅占地面积大、实施难度大、成本偏高，且难以有效限制钢轨电位。

（5）加强设备日常维护和检测

加强对牵引回流网所涉及设备设施的检查维护，如道岔、钢轨接续线，过轨金属管线、铁垫板和夹板、轨距块、轨距杆、道床，屏蔽门绝缘子、有电体与接地体间绝缘间隙，轨行区渗漏水、积水、灰尘污染情况等，一旦发现异常应及时处理。

6结语

相关部门在轨道交通工程建设期和运营期应因地制宜，采取安全、经济、可行、高效的措施，多方位限制钢轨电位，确保地铁安全稳定运行。

参考文献：

[1]刘培洪.地铁轨电位与轨电位限制装置[J].黑龙江交通科技，2017（05）：165-166.

[2]王平.简析城市轨道交通钢轨电位[J].现代城市轨道交通，2014（02）：67-69，73.

[3]吴显志.广州地铁轨电位过高分析及研究[J].机电工程技术，2012（06）：142-144.