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        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

        2020-07-04 02:47:46李懷志
        現(xiàn)代城市軌道交通 2020年6期
        關(guān)鍵詞:流網(wǎng)雜散鋼軌

        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。

        參考文獻(xiàn)

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        收稿日期 2019-08-09

        責(zé)任編輯 宗仁莉

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