肖偉強(qiáng) 駱志勇 黃山山 常寶波

（1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510000；2.廣州市白云機(jī)電設(shè)備安裝工程有限公司，廣東 廣州 510540；3.廣州市揚(yáng)新技術(shù)研究有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510540）

城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)一般采用直流供電，在車站設(shè)置牽引變電所提供DC1500V 等電源，通過(guò)接觸網(wǎng)（軌）將電源正極布置到線路區(qū)間。列車通過(guò)受電弓（靴）從接觸網(wǎng)獲得正極供電，經(jīng)過(guò)列車負(fù)載后，電流通過(guò)鋼軌回到牽引變電所電源負(fù)極，該部分電流被稱為負(fù)回流。而鋼軌對(duì)地絕緣問(wèn)題容易造成部分負(fù)回流經(jīng)由大地回到電源負(fù)極，導(dǎo)致出現(xiàn)雜散電流和鋼軌電位（以下簡(jiǎn)稱軌電位）問(wèn)題。雜散電流和軌電位過(guò)高問(wèn)題一直是業(yè)內(nèi)難點(diǎn)及研究薄弱點(diǎn)。對(duì)負(fù)回流進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)將有助于解決雜散電流和軌電位過(guò)高問(wèn)題。

1 負(fù)回流對(duì)城市軌道交通供電系統(tǒng)的影響

1.1 負(fù)回流系統(tǒng)的構(gòu)成

以廣州地鐵為例，牽引供電系統(tǒng)牽引回流系統(tǒng)由鋼軌（回流軌）、負(fù)回流電纜以及上下行均流電纜等組成，鋼軌連接負(fù)回流電纜。在上下行鋼軌間安裝均流電纜，包括正線車站兩端、上下行隧道區(qū)間逃生通道等處[1]，如圖1所示。電流路徑為整流機(jī)組正極→直流開關(guān)柜→上網(wǎng)電纜→接觸網(wǎng)→列車→回流軌→回流線→負(fù)極柜→整流機(jī)組負(fù)極[2]。其中，回流軌→回流線→負(fù)極柜→整流機(jī)組負(fù)極區(qū)間的電流被稱為負(fù)回流。為防止鋼軌對(duì)地電位（簡(jiǎn)稱軌電位）過(guò)高給乘客帶來(lái)危險(xiǎn)，車站中還安裝了軌電位保護(hù)裝置，如果出現(xiàn)軌電位過(guò)高，軌電位保護(hù)裝置會(huì)動(dòng)作，將鋼軌直接與大地連接。

圖1 負(fù)回流系統(tǒng)構(gòu)成

正常情況下，所有回流軌中總的負(fù)回流IDC大小如公式（1）所示。

如果某種情況下發(fā)生軌電位過(guò)高，導(dǎo)致均流軌電位裝置（OV2）動(dòng)作，則有公式（2）。

式中：Iov2為軌電位柜2 電流；IHL為負(fù)極柜回流電流。

同樣地，如果軌電位裝置1（OV1）動(dòng)作，則IHL的部分電流也會(huì)流入大地，即IOV1。IOV1 和IOV2最終通過(guò)大地、框架等途徑返回整流機(jī)組的負(fù)極。

目前，在牽引變電所內(nèi)設(shè)置了軌電位保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)軌電位超過(guò)設(shè)定值后，軌電位系統(tǒng)內(nèi)的接觸器會(huì)馬上合閘，使鋼軌短時(shí)接地，降低軌電位，保障乘客上下車安全。傳統(tǒng)軌電位系統(tǒng)采用三段式保護(hù)手段，分別為Ⅰ段保護(hù)、Ⅱ段保護(hù)和Ⅲ段保護(hù)，其動(dòng)作條件由電壓測(cè)量元件與晶閘管模塊配合完成[3]。以某地鐵線路軌電位裝置為例：當(dāng)軌電位電壓大于90V 時(shí)，短路3 次后永久短路；大于等于150V 時(shí)，永久短路；大于等于600V 時(shí)，晶閘管與接觸器配合永久短路[4]。

理論上由于回流軌對(duì)地是絕緣的，因此負(fù)回流不會(huì)進(jìn)入大地。實(shí)際運(yùn)行中因種種原因，回流軌對(duì)地絕緣會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，從而導(dǎo)致部分負(fù)回流經(jīng)由大地流回牽引變電所，該部分負(fù)回流被稱為雜散電流。雜散電流會(huì)對(duì)對(duì)土建結(jié)構(gòu)、管線等產(chǎn)生電腐蝕。同時(shí)會(huì)抬高鋼軌的電位，即軌電位升高。由于鋼軌與車輪、車體相連接，因此軌電位與乘客人身安全密切相關(guān)。在供電系統(tǒng)運(yùn)維過(guò)程中，負(fù)回流也引發(fā)了一些問(wèn)題，例如車輛段中負(fù)極對(duì)地接掛地線時(shí)打火、鋼軌電位限制裝置頻繁動(dòng)作和軌電位過(guò)高誤觸發(fā)框架保護(hù)等[4]。目前，由負(fù)回流造成的雜散電流、軌電位問(wèn)題是城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)研究的焦點(diǎn)之一。

1.2 軌電位對(duì)雜散電流的影響

在列車正常運(yùn)行時(shí)無(wú)雜散電流情況下，軌電位的理論上只與回流軌的電阻和回流電流相關(guān)，是一條直線。以廣州地鐵三號(hào)線為例，其五山站到天客站的軌電位理論分布如圖2所示。

圖2 軌電位分布理論示意圖

隨著運(yùn)營(yíng)年限增加及外界環(huán)境的影響等，鋼軌對(duì)地?zé)o法保證完全良好的絕緣，進(jìn)而產(chǎn)生雜散電流。雜散電流的存在會(huì)導(dǎo)致軌電位的分布出現(xiàn)零點(diǎn)偏移，相應(yīng)地軌電位的數(shù)值也會(huì)超出原設(shè)計(jì)值。當(dāng)某一位置發(fā)生絕緣損壞時(shí)，該位置的軌地電位為零，但由于其余各處仍可近似看作均勻介質(zhì)，因此軌電位的分布曲線仍為一條直線[5]。

目前雜散電流及軌電位是城市軌道交通供電系統(tǒng)的研究焦點(diǎn)之一，常見的方法包括采用集中參數(shù)和分布參數(shù)的方法分析雜散電流和軌電位分布、利用等效電路計(jì)算雜散電流和軌電位的分布情況。在實(shí)際應(yīng)用中，上述2 種方法均存在一定的誤差。主要原因是無(wú)法獲得各處軌電位的數(shù)值，需要靠回流軌和電纜的參數(shù)進(jìn)行推算。在實(shí)際運(yùn)行中，由于兩站之間鋼軌和電纜等距離較長(zhǎng)，一般為2km～4km，回流軌和電纜的參數(shù)造成誤差被大幅放大，導(dǎo)致實(shí)際值與理論值相差較大。例如鋼軌電阻率與理論不符、線路上存在道岔和魚尾板等造成回路電阻與理想鋼軌不同、列車情況不同造成負(fù)荷電流的情況不同以及隧道內(nèi)上下行均流線的影響等，這將導(dǎo)致實(shí)際的軌電位情況與理論計(jì)算有較大差異[6]，進(jìn)而導(dǎo)致雜散電流較高的分析誤差，給解決軌電位和雜散電流問(wèn)題帶來(lái)較大的困擾。如果能夠獲得整個(gè)回流軌不同區(qū)間的軌電位，即可利用各個(gè)區(qū)間的回流軌參數(shù)計(jì)算出雜散電流的分布情況。

1.3 雜散電流的相關(guān)計(jì)算

雜散電流是由鋼軌對(duì)地絕緣存在泄漏點(diǎn)造成的。絕緣泄漏點(diǎn)可以發(fā)生在上下行鋼軌的任何位置，雜散電流可能會(huì)從任意位置流入大地。對(duì)雜散電流的分布進(jìn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)算，將有助于改善地鐵線網(wǎng)中雜散電流的治理。

可以將鋼軌劃分為若干區(qū)間，如圖3所示，將某段鋼軌劃分為S1～S4共4 個(gè)區(qū)間。

圖3 分布式軌電位示意圖

每個(gè)區(qū)間對(duì)應(yīng)的軌電位、負(fù)回流和電阻分別為Un、In和Rn。假設(shè)S2和S3區(qū)間發(fā)生絕緣問(wèn)題，部分負(fù)回流經(jīng)大地流走，形成雜散電流Ig。

1.3.1 鋼軌電阻的計(jì)算

各區(qū)間電阻R1、R2、R3、R4可以利用回流軌的參數(shù)與區(qū)間長(zhǎng)度計(jì)算獲得。在已知鋼軌的電阻率、截面積等參數(shù)前提下，通過(guò)電阻計(jì)算公式可計(jì)算出鋼軌電阻，如公式（3）所示。

式中：ρ是電阻率，TB/T 2344—2012《43kg/m～75kg/m 鋼軌訂貨技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)中未對(duì)電阻率進(jìn)行規(guī)定，經(jīng)咨詢鋼軌生產(chǎn)單位，如果鋼軌電阻率取2.95×10-7Ω·m，實(shí)際鋼軌電阻率不同地鐵可能不同。L是鋼軌的長(zhǎng)度，S是鋼軌的橫截面積，根據(jù)我國(guó)定型生產(chǎn)的鋼軌標(biāo)準(zhǔn)P60，查閱相關(guān)資料得S=77.45cm2，這樣可算出每米鋼軌的電阻，如公式（4）所示。

由于上下行有4 根鋼軌，因此每米鋼軌等效電阻如公式（5）所示。

對(duì)不同區(qū)段的鋼軌電阻，可通過(guò)計(jì)算不同區(qū)段鋼軌的長(zhǎng)度得出相應(yīng)的電阻。根據(jù)實(shí)際情況，認(rèn)為每段鋼軌的電阻是固定的，只隨長(zhǎng)度的改變而改變，其他因素對(duì)其電阻的影響可忽略不計(jì)。

1.3.2 雜散電流的計(jì)算

根據(jù)歐姆定律，如公式（6）～公式（9）所示。

正常情況下，I1=I2=I3=I4。如果出現(xiàn)各區(qū)間電流不相等的情況，I1≠I2≠I3≠I4，則說(shuō)明該區(qū)間發(fā)生的雜散電流泄漏，電流的差值即為雜散電流的大小，如公式（10）所示。

因此，可以通過(guò)測(cè)量回流軌各區(qū)間的軌電位推算雜散電流的分布。

在實(shí)際應(yīng)用中，還必須考慮上下行均流線的影響，如圖4所示。

圖4 上下行均流線示意圖（單位：mm2）

如果上下行鋼軌存在電位差，則部分電流會(huì)在上下行均流線中流動(dòng)，顯然這部分電流不屬于雜散電流。因此需要在原式Ig=I2-I3的基礎(chǔ)上將均流線中的電流修訂進(jìn)去。如公式（11）所示。

式中：Iline為與計(jì)算區(qū)間所連的均流線中的電流。

在目前的常規(guī)設(shè)計(jì)中，軌電位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)在車站內(nèi)的鋼軌，該方式無(wú)法全面反映包括區(qū)間范圍內(nèi)整體負(fù)回流和雜散電流的分布的情況[7-8]。該文針對(duì)該情況提出了一種城軌牽引供電負(fù)回流監(jiān)測(cè)技術(shù)方案。

雜散電流是由鋼軌對(duì)地絕緣存在泄漏點(diǎn)造成的。絕緣泄漏點(diǎn)可以發(fā)生在上下行鋼軌的任何位置，雜散電流可能會(huì)從任意位置流入大地。對(duì)雜散電流的分布進(jìn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)算，將有助于改善地鐵線網(wǎng)中雜散電流的治理。

2 負(fù)回流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 整體方案

以廣州地鐵3 號(hào)線五山站至天客站區(qū)間為例。

系統(tǒng)包括底層數(shù)據(jù)采集裝置和云端軟件。底層數(shù)據(jù)采集裝置安裝在車站和隧道內(nèi)，采集負(fù)極柜回流電流、車站內(nèi)上下行鋼軌軌電位、隧道內(nèi)各區(qū)間的上下行鋼軌軌電位和上下行鋼軌均流線電流。數(shù)據(jù)采集裝置采集的軌電位和電流數(shù)據(jù)通過(guò)4G/5G 無(wú)線路由器傳輸?shù)皆贫?。云端進(jìn)行分析計(jì)算后將結(jié)果傳送給后臺(tái)機(jī)，進(jìn)行雜散電流和軌電位分布的分析。拓?fù)淙鐖D5所示。

圖5 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備布局

首先，車站內(nèi)。饋線柜、排流柜、軌電位柜內(nèi)安裝電壓/電流變送器和電流電壓采集裝置，采集饋線電流和車站內(nèi)軌電位。饋線柜的電流之和為總電流，負(fù)回流的大小等于饋線柜電流之和。在該方案中，需要采集五山站和天客站2 個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

其次，隧道內(nèi)。每隔一段距離在五山站和天客站上下行鋼軌安裝分布式軌電位采集裝置，采集各個(gè)區(qū)間的軌電位。通過(guò)霍爾元件和電流采集裝置采集上下行鋼軌之間的均流線電流。

考慮實(shí)施的成本，均流線敷設(shè)的位置安裝分布式軌電位傳感器和霍爾元件、數(shù)據(jù)采集裝置。

該方案在城軌實(shí)際線路區(qū)段、牽引變電所設(shè)置各電氣量等監(jiān)測(cè)設(shè)備，結(jié)合列車動(dòng)態(tài)運(yùn)行組織等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)全面，能夠?qū)崿F(xiàn)牽引負(fù)回流的科學(xué)管理，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到軌電位、接觸網(wǎng)電流和雜散電流情況，能夠分析出各區(qū)段負(fù)回流的分布情況。能夠從全局中找到各區(qū)段牽引負(fù)回流通流能力的瓶頸位置、鋼軌對(duì)地絕緣薄弱位置等問(wèn)題，并找到負(fù)回流、雜散電流存在的問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

城軌牽引負(fù)回流系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)質(zhì)量將直接影響乘客人身安全和其他專業(yè)系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，具有重要意義。該文監(jiān)測(cè)方案跳出了目前在牽引變電所內(nèi)對(duì)軌電位進(jìn)行監(jiān)測(cè)的束縛，從全局對(duì)牽引負(fù)回流進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，分析現(xiàn)場(chǎng)中的薄弱位置問(wèn)題并進(jìn)行處理，極大地減少了戶外現(xiàn)場(chǎng)維修處置的工作量，提高了效率和牽引負(fù)回流的運(yùn)行質(zhì)量，達(dá)到了降低軌電位、保證乘客人身安全、提高負(fù)回流通流能力、降低負(fù)回流電能損耗、控制雜散電流以及降低其他設(shè)備系統(tǒng)電腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)的目標(biāo)，具有重要意義及經(jīng)濟(jì)價(jià)值。