于志永

分級(jí)式鋼軌電位限制裝置的研究

于志永

（青島地鐵集團(tuán)有限公司，266011，青島//高級(jí)工程師）

目前，國內(nèi)城市軌道交通針對(duì)鋼軌電位過高的問題，多采用鋼軌電位限制裝置來抑制鋼軌電位。當(dāng)鋼軌電位超過規(guī)定值時(shí)，鋼軌電位限制裝置會(huì)動(dòng)作，將鋼軌與大地直接短接。但這一保護(hù)動(dòng)作造成雜散電流的泄露量明顯增加。為此提出了一種新型的分級(jí)式鋼軌電位限制裝置。該裝置在鋼軌與大地之間增設(shè)了大功率小阻值電阻，不僅可抑制鋼軌電位，還能有效減少雜散電流的泄漏。

城市軌道交通；鋼軌電位限制裝置；雜散電流；分級(jí)控制

AbstractCurrently，rail potential is usually too high in urban rail transit.In order to ensure the safety of passengers，rail potential limiting device is widely used to suppress the rail potential.When rail potential exceeds a predetermined value，the rail potential limiting device will be activated,which directly connects the rail with earth but often results in significant increase of stray current leakage.Therefore，it is necessary to optimize the rail potential limiting device to reduce the stray current impact.In this paper，a novel hierarchical rail potential limiting device is proposed，it can not only suppress rail potential，but also reduce the stray current leakage effectively.

Key wordsurban rail transit；over-voltage protection device（OVPD）； stray current； hierarchical control

Author′s addressQingdao Metro Group Co.，Ltd.，266011，Qingdao，China

在城市軌道交通中，由于鋼軌本身阻抗及雜散電流的影響，鋼軌和大地之間會(huì)存在電位差。這個(gè)電位差稱為鋼軌電位［1］。目前，在國內(nèi)已運(yùn)營的城市軌道交通中，普遍存在鋼軌電位異常升高的問題，這會(huì)威脅乘客的人身安全［2-4］。為了抑制鋼軌電位，現(xiàn)在普遍的做法就是在鋼軌與地母排之間裝設(shè)鋼軌電位限制裝置（OVPD）。當(dāng)測得的鋼軌電位超過規(guī)定值時(shí)，OVPD就會(huì)動(dòng)作，將鋼軌與大地直接連接，將鋼軌電位控制在安全電位以下［5-7］。雖然OVPD可以抑制鋼軌電位過高的情況，但是OVPD動(dòng)作時(shí)會(huì)將鋼軌與地母排短接，從而使大量的鋼軌電流通過OVPD流入地網(wǎng)，形成雜散電流。這樣不僅對(duì)隧道、道床的結(jié)構(gòu)鋼筋以及附近金屬管線造成危害，還會(huì)影響地鐵中的電氣設(shè)備、設(shè)施的正常運(yùn)行，影響車站的使用壽命［8-9］。因此，為了能夠更有效地抑制鋼軌電位，降低雜散電流的影響，研究一種新型分級(jí)式OVPD是十分有必要的。

1 OVPD工作原理

OVPD安裝在鋼軌和變電所接地網(wǎng)之間。為保護(hù)乘客及工作人員的人身安全，實(shí)時(shí)監(jiān)測鋼軌電位，如果電位超過設(shè)定值，則OVPD動(dòng)作，將鋼軌與大地短接，達(dá)到降低鋼軌電位的目的，從而保護(hù)乘客以及工作人員的安全。OVPD包含電流檢測、電壓檢測和合閘回路等3個(gè)部分［10］，如圖1所示。

圖1 OVPD原理圖

根據(jù)IEC 62128-1—2013《鐵路應(yīng)用設(shè)施-固定裝置 第1部分：防電擊的保護(hù)性措施》，OVPD技術(shù)參數(shù)應(yīng)滿足以下要求：

（1）鋼軌電位保護(hù)措施應(yīng)優(yōu)先于設(shè)備保護(hù)和雜散電流防護(hù)措施。

（2）OVPD動(dòng)作時(shí)，接觸器可以多次動(dòng)作，但應(yīng)盡可能限制其每次短接時(shí)間在10 s以內(nèi)。

（3）短路接觸器額定電流需大于故障狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的最大電流。

（4）限制鋼軌電位在人體耐壓允許值之下，確保乘客和工作人員的人身安全。

（5）OVPD的動(dòng)作電壓值必須與框架保護(hù)配合。

OVPD的電壓存在反時(shí)限的特性。根據(jù)人體耐受電壓-時(shí)間特性標(biāo)準(zhǔn)，將OVPD的電壓控制分為3個(gè)電壓動(dòng)作等級(jí)［11］：

（1）第一電壓動(dòng)作等級(jí)：如測得的電壓值大于或等于U1的閾值（90 V），則經(jīng)過1 s延時(shí)后，直流接觸器閉合，將鋼軌與大地有效短接。直流接觸器閉合10 s后自動(dòng)斷開。如果在一段時(shí)間內(nèi)，接觸器連續(xù)動(dòng)作3次，則接觸器將處于閉鎖狀態(tài)。

（2）第二電壓動(dòng)作等級(jí)：如測得的電壓值大于或等于U2的閾值（150 V），直流接觸器基本無延時(shí)動(dòng)作（動(dòng)作反應(yīng)時(shí)間0.1 s），將鋼軌與大地短接，并且接觸器將處于閉鎖狀態(tài)。

（3）第三電壓動(dòng)作等級(jí)：當(dāng)測得的電壓超過U3的閾值（600 V）時(shí)，為抵消直流接觸器機(jī)械動(dòng)作延時(shí)的20 ms，晶閘管元件立刻啟動(dòng)，加速將鋼軌電位鉗制到零值。當(dāng)接觸器動(dòng)作后，晶閘管自動(dòng)退出，而且接觸器處于閉鎖狀態(tài)。

OVPD還具有故障報(bào)警功能。如測得的電位差小于設(shè)定電壓（5 V）且保持24 h，則OVPD控制器將判斷裝置控制回路出現(xiàn)故障，從而使合閘線圈失電，接觸器閉合且閉鎖，面板上的故障指示燈以及閉鎖指示燈亮起。當(dāng)排查故障后，可通過面板的復(fù)位按鈕來恢復(fù)OVPD的運(yùn)行。

2 OVPD對(duì)雜散電流的影響

當(dāng)城市軌道交通供電區(qū)間有車輛行駛或接觸網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，會(huì)出現(xiàn)鋼軌電位升高現(xiàn)象。這會(huì)引起OVPD動(dòng)作來降低鋼軌電位，保護(hù)乘客人身安全。當(dāng)OVPD動(dòng)作時(shí)，會(huì)對(duì)雜散電流造成一定的影響，下面通過MATLAB/SIMULINK軟件進(jìn)行仿真分析。

2.1 模型建立

對(duì)于城市軌道交通來說，軌道可認(rèn)為是1個(gè)純電阻性集中參數(shù)線，軌道和大地之間只有純阻性的電氣連接，其表征為過渡電阻，單位是贅/km；大地也可認(rèn)為是1個(gè)純阻性的參數(shù)線。所以，可將城市軌道交通回流系統(tǒng)分成一些有限單元，建立離散模型［12］。加入OVPD的回流系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 加入OVPD的回流系統(tǒng)模型

2.2 鋼軌電位裝置投入的仿真分析

如圖2所示，當(dāng)列車運(yùn)行在區(qū)間2時(shí)，取，I=3 000 A，L=2 km，Rg=0.03 贅/km，Rp=0.01 贅/km，Rd=0.01贅/km，R1=15贅/km，R2=3贅/km，進(jìn)行仿真計(jì)算。當(dāng)OVPD處的鋼軌電位大于0時(shí)，OVPD動(dòng)作。經(jīng)仿真計(jì)算可得出鋼軌電位、雜散電流Is的分布曲線，分別如圖3和圖4所示。

圖3 列車在區(qū)間2時(shí)的鋼軌電位分布圖

圖4 列車在區(qū)間2時(shí)的雜散電流分布圖

由圖3可見，當(dāng)列車在區(qū)間2運(yùn)行時(shí)，區(qū)間2沿線的鋼軌電位均為正，最大值約為49 V，DC 2處與DC 3處鋼軌電位接近，約為5 V；而當(dāng)OVPD 2與OVPD 3動(dòng)作后，沿線鋼軌電位均下降，且降低的幅值大致相同。

由圖4可見，當(dāng)OVPD未動(dòng)作時(shí)，區(qū)間1內(nèi)的雜散電流最大值僅約為0.8 A，而區(qū)間3內(nèi)的雜散電流最大值約為3.0 A。當(dāng)OVPD 2動(dòng)作時(shí)，雜散電流急劇增大，最大值約為4.3 A。當(dāng)OVPD 3動(dòng)作時(shí)，雜散電流也急劇增大，且在OVPD 3處雜散電流最大，約為4.2 A。OVPD 3動(dòng)作時(shí)的雜散電流變化趨勢與OVPD 2動(dòng)作時(shí)基本一致。

可見，當(dāng)OVPD動(dòng)作時(shí)，鋼軌電位會(huì)降低，而雜散電流會(huì)增大。故需優(yōu)化OVPD以降低OPVD動(dòng)作時(shí)所產(chǎn)生的雜散電流。

3 分級(jí)式OVPD

為了更有效地抑制鋼軌電位以及雜散電流，本文提出新的分級(jí)式OVPD。

3.1 分級(jí)式OVPD的工作原理

分級(jí)式OVPD在鋼軌與大地之間增設(shè)大功率小阻值電阻。當(dāng)鋼軌電位超過規(guī)定值時(shí)，傳統(tǒng)OVPD通過直流接觸器直接將鋼軌與大地短接。而分級(jí)式OVPD通過小阻值電阻來降低鋼軌對(duì)大地之間的電位，可有效減少從OVPD中泄漏的雜散電流。分級(jí)式OVPD工作原理圖如圖5所示。

圖5 分級(jí)式OVPD原理圖

在城市軌道交通系統(tǒng)中，列車從起動(dòng)、加速運(yùn)行、勻速運(yùn)行、制動(dòng)直至停止，其牽引電流都是逐步變化的，一般情況下不會(huì)發(fā)生突變，除非出現(xiàn)接觸網(wǎng)直接搭接鋼軌等事故。在列車運(yùn)行中，鋼軌電位也隨著牽引電流逐步變化；因此，可通過分級(jí)式OVPD來逐步控制，其控制流程如圖6所示。

圖6 分級(jí)控制OVPD的控制流程圖

分級(jí)式OVPD實(shí)時(shí)監(jiān)測鋼軌電位，如鋼軌電位超過U1，則直流接觸器1動(dòng)作，將電阻R1投入。由于R1比該點(diǎn)的過渡電阻小，故可降低此處的鋼軌電位。此時(shí)，如鋼軌電位仍超過規(guī)定U1，則立刻啟動(dòng)雙向晶閘管1，將電阻R2投入。這相當(dāng)于采用并聯(lián)降低阻值的方法，進(jìn)一步降低該處的電壓值。電阻R3的投入與電阻R2一致；如此時(shí)的電壓仍很大，則啟動(dòng)直流接觸器2，將鋼軌與大地直接短接。當(dāng)鋼軌電位突然過高，超過U2時(shí)，直流接觸器2還能直接閉合，起到保護(hù)作用。在閉合一定時(shí)間后，直流接觸器即可自動(dòng)斷開。

3.2 仿真分析

分級(jí)式OVPD控制流程圖，在MATLAB/SIMULINK軟件中搭建分級(jí)鋼軌電位的模型，進(jìn)行仿真。假設(shè)I=4 000 A，R1=5Ω，R2=4Ω，R3=2 Ω。將分級(jí)OVPD的U1設(shè)為0 V。這樣可直接仿真電阻分別投入及接觸器2閉鎖的情況。仿真時(shí)間為5 s，分級(jí)式OVPD在1 s時(shí)投入。仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 分級(jí)式OVPD動(dòng)作的鋼軌電位變化圖

圖8 分級(jí)式OVPD動(dòng)作泄漏的雜散電流變化圖

如圖7所示，分級(jí)式OVPD未投入時(shí)，鋼軌電位約為34.5 V；在1 s時(shí)，投入分級(jí)式OVPD；在1.0—1.1 s段，分級(jí)式OVPD檢測到鋼軌電位大于U1，進(jìn)而閉合接觸器1，投入電阻R1，鋼軌電位降至26 V；在1.1—1.2 s段，分級(jí)式OVPD檢測到鋼軌電位仍大于U1，則啟動(dòng)晶閘管1，投入電阻R2，鋼軌電位降至19.8 V；在1.2—1.3 s段，分級(jí)式OVPD檢測到鋼軌電位大于U1，啟動(dòng)晶閘管2，投入電阻R3，鋼軌電位降至13 V；此時(shí)鋼軌電位仍然大于U1，則啟動(dòng)接觸器2，將鋼軌電位與大地直接短接，將鋼軌電位降至0。

如圖8所示，在不同階段OVPD泄漏的雜散電流不同，R1投入時(shí)，Is約為 5.5 A；R2投入時(shí)，Is約為8.8 A；R3投入，Is約為 12.5 A；接觸器 2 閉合，Is約為19 A。

根據(jù)上述分析，當(dāng)U1設(shè)定較高時(shí)，電阻不需要全部投入就能降到設(shè)定值一下。這樣既可保證鋼軌電位降到人體安全電壓以下，又可保證OVPD泄漏的雜散電流比直接接地小很多，從而有效減少雜散電流對(duì)周圍埋地金屬的腐蝕。同理，分級(jí)的電阻設(shè)置得越多，就越能在有效控制鋼軌電位的同時(shí)限制雜散電流的泄漏。

4 結(jié)語

本文首先對(duì)OVPD的工作原理進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，建立了OVPD投入時(shí)回流系統(tǒng)的離散模型，利用MATLAB/SIMULINK軟件進(jìn)行仿真分析，得到OVPD合閘時(shí)的鋼軌電位分布以及雜散電流分布。

仿真結(jié)果表明，當(dāng)OVPD動(dòng)作時(shí)，泄漏的雜散電流會(huì)明顯增加。針對(duì)這種情況提出分級(jí)式OVPD，該裝置是在原來裝置的基礎(chǔ)上增加大功率的小阻值電阻，并通過這種小阻值電阻來降低鋼軌對(duì)大地之間的電位以保證人身安全。該分級(jí)式OVPD還能有效減少從OVPD中泄漏的電流，降低雜散電流的影響。

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Research on Hierarchical Rail Potential Limiting Device

YU Zhiyong

U224.4

10.16037/j.1007-869x.2017.09.028

2016-01-08）