劉 煒 楊 龍 李國(guó)玉 李思文 樊國(guó)楨

計(jì)及回流系統(tǒng)設(shè)備行為過程的鋼軌電位動(dòng)態(tài)仿真

劉 煒1楊 龍1李國(guó)玉2李思文1樊國(guó)楨1

（1. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 成都 611756 2. 青島地鐵集團(tuán)有限公司 青島 266021）

為控制雜散電流與鋼軌電位，鋼軌電位限制裝置（OVPD）、連接裝置（CD）等設(shè)備廣泛運(yùn)用于軌道交通運(yùn)營(yíng)線路，直流牽引供電系統(tǒng)中的鋼軌電位異常問題越來越引起重視?；亓飨到y(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)切換會(huì)造成鋼軌電位動(dòng)態(tài)分布發(fā)生顯著變化。建立回流系統(tǒng)等效電路模型時(shí)不應(yīng)只考慮正線，也應(yīng)當(dāng)考慮段場(chǎng)以及回流設(shè)備的行為過程。為此，該文建立OVPD和段場(chǎng)等效電路的通用模型，并提出計(jì)及回流設(shè)備行為過程的直流牽引供電計(jì)算方法。以某實(shí)際地鐵工程為例，對(duì)運(yùn)營(yíng)線路進(jìn)行仿真，采用該文算法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程中的鋼軌電位變化過程更加吻合。在此基礎(chǔ)上，討論分析正線與段場(chǎng)之間的相互影響，結(jié)果表明，段場(chǎng)單向?qū)ㄑb置（UCD）的設(shè)置無法避免正線與段場(chǎng)之間的相互影響；段場(chǎng)鋼軌直接接地更易惡化正線鋼軌電位，相較于正線與段場(chǎng)之間采用阻斷式連接裝置（BCD）的情況下，正線鋼軌電位max和min分別提高34.46%和降低33.97%。

直流牽引供電系統(tǒng) 連接裝置 鋼軌電位 雜散電流

0 引言

國(guó)內(nèi)的直流牽引供電系統(tǒng)主要采用750V或1 500V供電，列車通過受電弓由接觸網(wǎng)取電，鋼軌回流。鋼軌雖然通過扣件絕緣安裝在混凝土道床上，但是由于受到運(yùn)營(yíng)環(huán)境、技術(shù)條件等因素限制，鋼軌與道床結(jié)構(gòu)之間往往無法做到完全絕緣，鋼軌總會(huì)泄漏部分電流至大地，形成雜散電流[1-3]。列車在正常行駛過程中，牽引電流可達(dá)到數(shù)千安，由于鋼軌自身存在阻抗且受雜散電流影響，鋼軌與大地之間不可避免地存在鋼軌電位問題[4-5]。而目前國(guó)內(nèi)地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)的鋼軌電位經(jīng)常達(dá)到120V甚至更高，對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)造成嚴(yán)重影響。

為了減少雜散電流和鋼軌電位，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。文獻(xiàn)[6]提出應(yīng)結(jié)合潮流計(jì)算方法分析直流牽引供電系統(tǒng)雜散電流，并研究了在正常運(yùn)行以及線路短路情況下沿線鋼軌對(duì)地電壓空間分布。文獻(xiàn)[7]基于CDEGS軟件建立地鐵供電系統(tǒng)雜散電流仿真模型，研究了過渡電阻對(duì)地鐵雜散電流分布影響，并在此基礎(chǔ)上估算了鋼軌和排流網(wǎng)的年腐蝕量。文獻(xiàn)[8]利用建立的三層網(wǎng)絡(luò)模型，研究了不均勻過渡電阻對(duì)雜散電流的影響，結(jié)果表明，不均勻過渡電阻雖然不會(huì)影響鋼軌上的電壓降，但是會(huì)改變鋼軌對(duì)地電位分布。文獻(xiàn)[9]對(duì)比分析了不同電流跨區(qū)間傳輸情況下的鋼軌電位變化，指出有效避免跨區(qū)間授流，可大大降低線路鋼軌電位幅值。

GB 50157-2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，在正常雙邊供電運(yùn)行時(shí)，站臺(tái)處走行軌對(duì)地電位不應(yīng)大于120V，車輛基地庫線走行軌對(duì)地電位不應(yīng)大于60V[10]。為防止鋼軌電位過高對(duì)人體造成危害，在各個(gè)車站都安裝鋼軌電位限制器（Over-Voltage Protection Device, OVPD），用以監(jiān)測(cè)鋼軌與大地之間的電壓[11]。實(shí)際上，當(dāng)某車站OVPD合閘后，該車站的鋼軌電位會(huì)被鉗制到地電位，鄰近車站的鋼軌電位將升高或降低，從而造成鋼軌電位問題在線路上的傳播。文獻(xiàn)[12]為準(zhǔn)確評(píng)估動(dòng)態(tài)牽引網(wǎng)絡(luò)的鋼軌電位與雜散電流，建立了考慮OVPD和排流裝置行為機(jī)理的仿真模型。仿真結(jié)果表明，在多個(gè)列車運(yùn)行過程中，鋼軌電位和雜散電流很大程度上受OVPD和排流裝置的運(yùn)行影響，并且可以通過調(diào)整OVPD動(dòng)作后的接地電阻值，降低鋼軌電位和雜散電流。文獻(xiàn)[13]仿真結(jié)果表明，單處的鋼軌電位控制過程會(huì)導(dǎo)致全線鋼軌電位分布的動(dòng)態(tài)改變，從而引起其他位置OVPD的聯(lián)鎖動(dòng)作。目前，段場(chǎng)鋼軌主要存在兩種接地形式：①直接接地；②采用OVPD懸浮接地。段場(chǎng)與正線之間的鋼軌接地方式不完全相同，單向?qū)ㄑb置（Unidirectional Connection Device, UCD）為雜散電流提供路徑的同時(shí)，使得正線和段場(chǎng)的鋼軌電位互相影響。

綜合國(guó)內(nèi)外研究文獻(xiàn)來看，影響雜散電流與鋼軌電位的因素眾多。直流牽引供電系統(tǒng)中，回流設(shè)備的狀態(tài)切換會(huì)引起系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，卻少有文獻(xiàn)關(guān)注OVPD和正線與段場(chǎng)連接裝置（Connection Device, CD）的行為過程以及段場(chǎng)鋼軌接地方式對(duì)鋼軌電位動(dòng)態(tài)分布造成的影響。因此，本文考慮了OVPD和CD的行為過程以及正線和段場(chǎng)的不同接地方式，提出一種計(jì)及回流設(shè)備行為過程的直流牽引供電計(jì)算方法，在迭代過程中對(duì)回流系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行修正。并針對(duì)某地鐵運(yùn)營(yíng)線路，對(duì)比實(shí)測(cè)與仿真的鋼軌電位變化過程，驗(yàn)證了算法的有效性，討論分析了正線與段場(chǎng)之間的相互影響。

1 城市軌道交通回流系統(tǒng)模型

城市軌道交通供電系統(tǒng)主要包括整流機(jī)組、接觸網(wǎng)、牽引網(wǎng)、OVPD和CD等，城市軌道交通供電系統(tǒng)如圖1所示。

城市軌道交通的24脈波整流機(jī)組可采用理想電壓源串聯(lián)電阻的戴維南等效電路或理想電流源并聯(lián)電阻的諾頓等效電路對(duì)其進(jìn)行建模[14]。

列車是軌道交通的主要負(fù)荷，當(dāng)列車處于牽引工況時(shí)，從牽引網(wǎng)吸收功率，當(dāng)其處于制動(dòng)工況時(shí)，向牽引網(wǎng)回饋功率?？紤]到列車功率受網(wǎng)壓波動(dòng)較小，采用恒功率源對(duì)其進(jìn)行等效建模。仿真過程中，每個(gè)仿真時(shí)刻的列車功率保持不變，接觸網(wǎng)授流在迭代過程中根據(jù)牽引網(wǎng)壓實(shí)時(shí)修正。

圖1 城市軌道交通供電系統(tǒng)

在對(duì)牽引網(wǎng)進(jìn)行建模時(shí)，采用“接觸網(wǎng)、鋼軌、大地”的三層網(wǎng)絡(luò)模型，鋼軌與大地存在過渡電阻，為模擬鋼軌電位與雜散電流情況，通過p型單元電路縱向連接。

以下為本文對(duì)直流牽引供電系統(tǒng)回流系統(tǒng)主要設(shè)備的行為過程進(jìn)行建模。

1.1 OVPD通用模型

忽略O(shè)VPD分合閘的中間過程，其工作狀態(tài)可分為分閘和合閘狀態(tài)。由OVPD的控制特性可知，只有當(dāng)OVPD合閘時(shí)，鋼軌直接接地，時(shí)刻OVPD所在位置處的鋼軌對(duì)地電阻為

式中，()為時(shí)刻OVPD的狀態(tài)；0為OVPD處于分閘狀態(tài)；1為OVPD處于合閘狀態(tài)；dj為OVPD處于分閘狀態(tài)時(shí)的鋼軌對(duì)地電阻；dv為OVPD處于合閘狀態(tài)時(shí)的鋼軌對(duì)地電阻。

影響OVPD工作狀態(tài)的參數(shù)主要為OVPD的段動(dòng)作整定值U、U的對(duì)應(yīng)動(dòng)作延時(shí)t、動(dòng)作后的復(fù)歸時(shí)間re以及其所在位置處的鋼軌對(duì)地電壓(,)。目前，常見的OVPD整定值方案多為Ⅲ段整定值方案。為避免OVPD裝置動(dòng)作后復(fù)歸產(chǎn)生的操作過電壓導(dǎo)致裝置誤動(dòng)作的情況，也提出了多段整定值方案。據(jù)此，OVPD的狀態(tài)切換策略如圖2所示。圖中，D0為(,)≥U的持續(xù)時(shí)間，D1為OVPD處于合閘狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間。

對(duì)于OVPD的合閘過程而言，不僅要滿足當(dāng)前時(shí)刻(,)≥U，還要滿足其持續(xù)時(shí)間D0≥t的條件；而當(dāng)OVPD處于1時(shí)，只要滿足D1≥re的條件，OVPD即可實(shí)現(xiàn)分閘。

圖2 OVPD狀態(tài)切換策略

1.2 段場(chǎng)通用等效電路模型

在地鐵正線和車輛段、停車場(chǎng)之間一般設(shè)置鋼軌絕緣節(jié)，段場(chǎng)分布情況如圖3所示。鋼軌絕緣節(jié)的部位通常并聯(lián)CD，以避免列車經(jīng)過絕緣節(jié)時(shí)出現(xiàn)打火現(xiàn)象。因此，建立段場(chǎng)的通用等效電路模型時(shí)必須考慮CD的控制特性。

圖3 段場(chǎng)分布情況

現(xiàn)有CD主要分三種類型：①UCD，由反并聯(lián)的二極管與晶閘管消弧支路組成，通過鋼軌電位控制晶閘管的工作狀態(tài)；②阻斷式連接裝置（Blocking Connection Device, BCD），通過列車信號(hào)控制，當(dāng)有列車經(jīng)過時(shí)，BCD導(dǎo)通閉合，無列車經(jīng)過時(shí)，保證正線與段場(chǎng)之間電氣分隔；③貫通式連接裝置(Through Connection Device, TCD)，正線與段場(chǎng)之間完全電氣連通。綜合考慮段場(chǎng)CD的控制特性和鋼軌的接地方式后，段場(chǎng)的等效電路模型如圖4所示。圖中，1為X1～X2之間的鋼軌電阻；z為X2～X3和X4～X5之間的等效電阻，如式（2）所示；2為X3～X4之間的鋼軌電阻；3為X5～X6之間的鋼軌電阻；d1～d5為相應(yīng)區(qū)段的鋼軌對(duì)地過渡電阻；k為X6處采用不同鋼軌接地方式下的鋼軌對(duì)地電阻，如式（3）所示。

圖4 段場(chǎng)的等效電路模型

式中，C為CD類型；C0、C1、C2為段場(chǎng)分別采用UCD、BCD和TCD；F為UCD二極管的正向?qū)妷航?；C為裝置消弧支路的觸發(fā)電壓；D()為時(shí)刻CD兩側(cè)的電壓差；j為鋼軌絕緣節(jié)電阻；0為CD導(dǎo)通后的電阻；D為列車通過信號(hào)，D0為未檢測(cè)到列車通過，D1為檢測(cè)到列車通過。

式中，Q為段場(chǎng)鋼軌的接地方式；Q0為直接接地；Q1為通過OVPD懸浮接地；dk為鋼軌直接接地電阻。

2 計(jì)及回流設(shè)備行為過程的直流牽引供電計(jì)算方法

計(jì)及回流設(shè)備行為過程的直流牽引供電計(jì)算方法主要由內(nèi)外兩層循環(huán)組成，外層循環(huán)包括整流機(jī)組、段場(chǎng)、OVPD的計(jì)算模型調(diào)整；內(nèi)層循環(huán)用于供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的單次求解計(jì)算。其步驟如下：

（1）掃描列車運(yùn)行圖。通過讀取牽引計(jì)算結(jié)果，獲得當(dāng)前時(shí)刻的列車信息，確定列車的位置和功率以及接觸網(wǎng)授流情況。

（2）初始化系統(tǒng)參數(shù)。任意牽引所初始工作狀態(tài)為整流狀態(tài)（REC），全線OVPD設(shè)置為0，電壓收斂精度為。

（3）掃描全線元件。根據(jù)各元件（整流機(jī)組、段場(chǎng)、OVPD、CD等）時(shí)刻狀態(tài)，更新節(jié)點(diǎn)-支路導(dǎo)納矩陣信息。

（4）對(duì)形成的直流牽引供電系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)-支路導(dǎo)納矩陣進(jìn)行求解計(jì)算。

（5）根據(jù)求解得到的各節(jié)點(diǎn)電壓、支路信息等，判斷電壓是否滿足收斂條件。若不滿足，返回步驟（3）；若滿足，則繼續(xù)。

（6）判斷列車節(jié)點(diǎn)電壓是否達(dá)到車載制動(dòng)電阻起動(dòng)電壓on。若達(dá)到，起動(dòng)車載制動(dòng)電阻，返回步驟（3）；否則，繼續(xù)。

（7）判斷牽引所的狀態(tài)是否合理。若不合理，則調(diào)整牽引所狀態(tài)，返回步驟（3）；若合理，則繼續(xù)。

（8）根據(jù)式（2）判斷CD的z阻值是否需要修改。若是，則調(diào)整支路信息，并返回步驟（3）；否則，繼續(xù)。

（9）判斷OVPD狀態(tài)()是否滿足切換條件。若滿足，則根據(jù)式（1）調(diào)整支路信息，返回步驟（3）；否則，繼續(xù)。

（10）判斷是否達(dá)到仿真結(jié)束時(shí)刻。若是，仿真結(jié)束；否則，=+1，返回步驟（3）。

計(jì)及回流設(shè)備行為過程的供電計(jì)算算法流程如圖5所示。

圖5 計(jì)及回流設(shè)備行為過程的供電計(jì)算算法流程

3 算法驗(yàn)證

為驗(yàn)證算法的有效性，對(duì)某地鐵運(yùn)營(yíng)線路進(jìn)行供電計(jì)算，結(jié)合實(shí)測(cè)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 仿真條件

該線路全長(zhǎng)為58.35km，采用直流1 500V接觸軌授流，鋼軌回流。全線共設(shè)置22個(gè)車站，1段1場(chǎng)，牽引所18個(gè)，其中3個(gè)區(qū)間所，該地鐵工程系統(tǒng)如圖6所示，各牽混所的位置分布見表1。其中，停車場(chǎng)A位于車站6和車站7之間，與正線交界處為7.44km處，車輛段B位于車站22號(hào)和車站23號(hào)之間，與正線交界在50.78km處。段場(chǎng)的CD類型為C0，OVPD及UCD詳細(xì)設(shè)備參數(shù)見表2，表中，括號(hào)內(nèi)表示段場(chǎng)的OVPD整定值。接觸軌電阻為0.010 6W/km，鋼軌電阻為0.02W/km。環(huán)境條件對(duì)鋼軌對(duì)地過渡電阻影響較大，而該運(yùn)營(yíng)線路正線分為地下段和地上段。同時(shí)，對(duì)該運(yùn)營(yíng)線路的不同環(huán)境區(qū)段進(jìn)行了鋼軌對(duì)地過渡電阻檢測(cè)，仿真時(shí)采用真實(shí)測(cè)量值，設(shè)置地下段鋼軌對(duì)地過渡電阻dx=1.816W·km，地上段鋼軌對(duì)地過渡電阻ds= 19.119W·km，段場(chǎng)與正線的鋼軌對(duì)地過渡電阻保持一致。

圖6 某地鐵工程系統(tǒng)

線路的車輛參數(shù)見表3，全天采取大、小交路發(fā)車，大交路為牽混所1～25號(hào)，發(fā)車間隔890s；小交路為牽混所1～20號(hào)，發(fā)車間隔425s。牽引計(jì)算模擬得到的上下行列車速度-位置曲線和功率-位置曲線如圖7所示。仿真總時(shí)長(zhǎng)890s，列車在正線 運(yùn)行。

表1 某地鐵工程牽混所分布

Tab.1 Location distribution of traction mixed substations for certain subway project

表2 設(shè)備參數(shù)

Tab.2 Device parameters

表3 車輛參數(shù)

Tab.3 Train parameters

3.2 實(shí)測(cè)驗(yàn)證

最靠近段場(chǎng)的正線車站的鋼軌電位變化情況更能直接反映段場(chǎng)對(duì)正線的影響。為此，選取該線路車站22號(hào)以及車輛段B的鋼軌對(duì)地電位進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)。測(cè)量時(shí)，不同位置的設(shè)備檢測(cè)信號(hào)通過GPS同步授時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的詳細(xì)布置方案如圖8所示。

同時(shí)，對(duì)該運(yùn)營(yíng)線路的鋼軌電位進(jìn)行仿真，并與實(shí)測(cè)鋼軌電位進(jìn)行比較，車輛段B的OVPD動(dòng)作前后鋼軌電位如圖9所示。圖9a為車輛段B的鋼軌電位變化過程，圖9b為車站22號(hào)的鋼軌電位變化過程，1和2分別為車輛段B的OVPD動(dòng)作與復(fù)歸時(shí)刻。

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置分布

圖9 車輛段B的OVPD動(dòng)作前后鋼軌電位

當(dāng)靠近車輛段B的正線鋼軌電位為負(fù)時(shí)，UCD的二極管環(huán)節(jié)導(dǎo)通，鋼軌電位通過UCD傳遞至車輛段B內(nèi)。由于段場(chǎng)內(nèi)OVPD的整定值為60V，在1時(shí)刻動(dòng)作，鋼軌直接接地，鉗制正線的鋼軌電位。因此，供電計(jì)算中如果不考慮CD和段場(chǎng)內(nèi)OVPD的行為過程，如車站22號(hào)所示，正線和段場(chǎng)的鋼軌電位過程仿真差別較大。因仿真條件設(shè)置與實(shí)際過程中的接觸軌授流情況和全線鋼軌對(duì)地過渡電阻情況不完全一致，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果之間雖然存在一定差異，但在誤差允許范圍內(nèi)。其中，考慮段場(chǎng)后的車站22號(hào)的鋼軌電位仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)鋼軌電位的Pearson相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99，絕對(duì)誤差的平均值為1.29V。

4 討論與分析

為進(jìn)一步探究不同條件下正線與段場(chǎng)之間的關(guān)系，改變仿真條件設(shè)置見表4。表中，Q(1/V)為段場(chǎng)鋼軌采用OVPD懸浮接地時(shí)，OVPD的I段整定值，Q0(/)表示段場(chǎng)內(nèi)鋼軌直接接地。

表4 仿真條件設(shè)置

Tab.4 Simulation condition setting

4.1 正線過渡電阻變化對(duì)段場(chǎng)的影響

對(duì)仿真期間890s內(nèi)段場(chǎng)OVPD動(dòng)作次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，動(dòng)作次數(shù)見表5。

表5 段場(chǎng)OVPD動(dòng)作次數(shù)統(tǒng)計(jì)

Tab.5 Statistics of OVPD closing times in the parking lot and depot

Case2、Case4、Case6和Case8，段場(chǎng)OVPD均多次動(dòng)作。其中，Case6和Case8中僅車輛段B的OVPD動(dòng)作。原因是dx不達(dá)標(biāo)，鋼軌電位普遍偏低，而停車場(chǎng)A距離地下段較近，正線傳遞至停車場(chǎng)A的鋼軌電位未滿足OVPD的狀態(tài)切換條件。而線路首端鋼軌對(duì)地過渡電阻低，導(dǎo)致線路末端的鋼軌電位普遍上升，車輛段B受正線鋼軌電位的影響，更加頻繁動(dòng)作。

CD為C0或C2時(shí)，僅Case9仿真過程中段場(chǎng)的OVPD沒有動(dòng)作，其原因是Case9中段場(chǎng)OVPD的整定值設(shè)定與正線保持一致。正線與段場(chǎng)OVPD的設(shè)置均是為了保障人身安全，保持正線和段場(chǎng)OVPD整定值一致，既能兼顧人生安全，又能夠有效避免段場(chǎng)OVPD頻繁動(dòng)作。

4.2 正線過渡電阻全線達(dá)標(biāo)情況下正線與段場(chǎng)之間的相互影響

圖10為停車場(chǎng)A鋼軌接地支路電流。段場(chǎng)CD為C0或C2，且鋼軌直接接地時(shí)，大量的雜散電流通過停車場(chǎng)A泄漏或收集，附近的管道及其他金屬結(jié)構(gòu)也將受到極其嚴(yán)重的腐蝕。當(dāng)段場(chǎng)采用OVPD懸浮接地時(shí)，只有正線通過CD傳遞至段場(chǎng)內(nèi)的鋼軌電位滿足OVPD的狀態(tài)切換條件時(shí)，OVPD才會(huì)動(dòng)作。OVPD動(dòng)作后，段場(chǎng)收集或泄漏雜散電流與鋼軌直接接地情況基本保持一致。段場(chǎng)采用OVPD懸浮接地能夠有效抑制其收集或泄漏的雜散電流。

圖10 停車場(chǎng)A鋼軌接地支路電流分布情況

段場(chǎng)CD類型以及鋼軌接地方式不同，導(dǎo)致段場(chǎng)對(duì)正線造成影響程度也不同。選取Case2車輛段B的OVPD動(dòng)作前一仿真時(shí)刻進(jìn)行分析，如圖11所示，L1、L2分別為表示停車場(chǎng)A、車輛段B與正線鋼軌的交界。Case1正線鋼軌電位分布與其他仿真條件下的鋼軌電位分布有明顯差異，Case2、Case4與Case3有略微差異。其原因在于，供電計(jì)算時(shí)，UCD達(dá)到導(dǎo)通條件，而Case1中段場(chǎng)鋼軌直接接地，正線鋼軌電位立刻被鉗制；Case2、Case4中段場(chǎng)鋼軌采用OVPD懸浮接地，故仿真得到的鋼軌電位基本保持一致。

圖11 正線鋼軌電位分布情況

圖12為仿真時(shí)間段內(nèi)的正線鋼軌電位最值分布情況。Case2、Case3和Case4的正線鋼軌電位最值基本保持一致，而Case1差別較大。段場(chǎng)鋼軌直接接地會(huì)惡化距離段場(chǎng)較遠(yuǎn)處的正線鋼軌電位。其中，車站10號(hào)的鋼軌電位惡化程度最嚴(yán)重，max= 138.101V，min=-117.288V，相較于Case3分別提高34.46%和降低33.97%。

圖12 正線鋼軌電位最值分布情況

4.3 正線過渡電阻部分區(qū)段不達(dá)標(biāo)情況下正線與段場(chǎng)的相互影響

Case5仿真過程中，車站10號(hào)的OVPD在第3s時(shí)動(dòng)作，對(duì)比分析OVPD動(dòng)作前一仿真時(shí)刻至復(fù)歸后的鋼軌電位，圖13～圖15分別為Case5、Case6和Case7正線鋼軌電位的動(dòng)態(tài)變化過程。Case6與Case7中鋼軌電位基本一致，Case5差別較大。在第2s時(shí)（OVPD動(dòng)作前1s），該站在Case7中鋼軌電位達(dá)到119.4V，而在Case5中達(dá)到127.6V。正線鋼軌對(duì)地過渡電阻部分區(qū)段不達(dá)標(biāo)，易惡化鋼軌對(duì)地過渡電阻較高區(qū)段的鋼軌電位至限值附近。Case5和Case6段場(chǎng)均設(shè)置UCD，仿真期間僅Case5中正線OVPD動(dòng)作，段場(chǎng)鋼軌直接接地對(duì)正線鋼軌電位影響程度最大。

圖13 Case5正線鋼軌電位動(dòng)態(tài)變化過程

圖14 Case6正線軌電位動(dòng)態(tài)變化過程

圖15 Case7正線軌電位動(dòng)態(tài)變化過程

正線OVPD動(dòng)作后，鋼軌直接接地，當(dāng)有列車在附近牽引時(shí)，會(huì)有大量電流直接注入大地，圖16為該車站OVPD動(dòng)作前一仿真時(shí)刻至復(fù)歸后的雜散電流泄漏情況。Case5中該車站OVPD動(dòng)作后，注入電流最高達(dá)到1 884.75A。

圖16 車站10雜散電流泄漏情況

5 結(jié)論

本文建立了考慮OVPD、CD行為過程和段場(chǎng)接地方式的直流牽引供電系統(tǒng)仿真模型，并通過實(shí)測(cè)驗(yàn)證了仿真模型在鋼軌電位動(dòng)態(tài)計(jì)算方面的有效性。主要結(jié)論如下：

1）段場(chǎng)鋼軌采用直接接地的方式：①會(huì)導(dǎo)致段場(chǎng)直接收集正線泄漏的雜散電流，嚴(yán)重腐蝕段場(chǎng)附近的管線等金屬結(jié)構(gòu)；②通過UCD的傳導(dǎo)，惡化正線的鋼軌電位，相較于采用BCD情況，鋼軌電位max和min分別提高了34.46%和降低33.97%。

2）段場(chǎng)采用UCD方案時(shí)，當(dāng)正線鋼軌電位為負(fù)，鋼軌電位傳入段場(chǎng)，是段場(chǎng)內(nèi)OVPD負(fù)電位頻繁動(dòng)作的主要原因。段場(chǎng)OVPD頻繁動(dòng)作，反過來又會(huì)惡化正線鋼軌電位和雜散電流。

3）正線鋼軌過渡電阻局部不達(dá)標(biāo)，會(huì)惡化其他區(qū)段的鋼軌電位，傳遞至段場(chǎng)內(nèi)，導(dǎo)致段場(chǎng)的OVPD更加頻繁動(dòng)作。在保證人身安全的前提下，提高段場(chǎng)的鋼軌電位限值能夠減少段場(chǎng)的OVPD動(dòng)作次數(shù)，進(jìn)而避免段場(chǎng)鋼軌頻繁接地對(duì)正線鋼軌電位造成影響。

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Dynamic Simulation of Rail Potential Considering the Equipment Behavior Process of Recirculation System

11211

（1. School of Electrical Engineering Southwest Jiaotong University Chengdu 611756 China 2. Qingdao Metro Group Co. Ltd Qingdao 266021 China）

The abnormal rail potential in the DC traction power supply system has attracted more and more attention. In order to control the stray current and rail potential, the rail potential limiter over-voltage protection device (OVPD), the connection device connection device (CD) and other equipment are widely used in operating lines. The dynamic distribution of rail potential will be significantly changed with the state switching of the equipment. When establishing the equivalent circuit model of the recirculation system, not only the main line should be considered, but also the parking lot/depot and the behavior of recirculation equipment. To this end, this paper established a general model of parking lot/depot equivalent circuit and OVPD. And a DC traction power supply calculation method is proposed considering the behavior of the recirculation devices. Taking an actual subway project as a simulation example, the calculation results with the proposed algorithm are more consistent with the rail potential change process in the actual project. On this basis, the interaction between the main line and the parking lot/depot was discussed and analyzed. The results show that the setting of the unidirectional connection device (UCD) of the parking lot/depot cannot avoid the interaction between the main line and the parking lot/depot, and the direct grounding of rail in parking lot/depot is more likely to deteriorate the rail potential of the main line. Compared with the case of a blocking connection device (BCD) between the main line and parking lot/depot, the rail potentialmaxandminin main increased by 34.46% and decreased by 33.97%, respectively.

DC traction power supply system, connection device, rail potential, stray current

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210024

TM922.3

劉 煒 男，1982年生，副教授，研究方向?yàn)闋恳╇娤到y(tǒng)理論與仿真、雜散電流與鋼軌電位和再生制動(dòng)能量利用。E-mail: liuwei_8208@swjtu.cn（通信作者）

楊 龍 男，1997年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡s散電流與鋼軌電位。E-mail: 572841475@qq.com

2021-01-07

2021-03-03

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題：基于車-地-軌耦合的雜散電流評(píng)估與控制技術(shù)資助項(xiàng)目（2017YFB1201103-05）。

（編輯 陳 誠(chéng)）