地铁钢轨电位研究

裴 伟，曾之煜



地铁钢轨电位研究

裴 伟，曾之煜

阐述钢轨电位产生原理，结合实际工程建立模型进行理论计算及软件仿真，并对计算及仿真结果进行分析，旨在加深对地铁钢轨电位的认识，为实际工程提供参考。

地铁；钢轨电位；直流牵引

0 引言

地铁采用直流牵引网供电，且绝大多数采用钢轨回流。为减少杂散电流对结构钢筋及地下金属管线的腐蚀，直流牵引系统不设置接地，采用钢轨对地绝缘安装，从而使钢轨对地存在一定电位差。为确保人身安全，在车站变电所内设置钢轨电位限制装置，当钢轨电位超过一定限值时，钢轨电位限制装置对应在不同的工作段动作，将钢轨与地短接。国内部分城市的地铁线路中，经常出现钢轨电位限制装置动作的情况，如成都地铁1号线海洋公署站在2011年6月—2012年1月期间钢轨电位装置动作512次，其中Ⅰ段电位超过90 V，Ⅱ段电位超过120 V，Ⅲ段电位超过600 V。钢轨电位升高是直流牵引供电系统的一个技术难题，其原因比较复杂。本文对地铁钢轨电位进行研究，旨在加深对地铁钢轨电位的认识，为实际工程提供参考。

1 钢轨电位形成原因

影响钢轨电位的因素包括牵引负荷电流、钢轨纵向电阻、钢轨对地过渡电阻、地下土壤及金属管线纵向电阻等。以单边供电为例，进行最基本的电路分析。符号说明：

s—牵引变电所等效电压源（内阻忽略）；

—钢轨某一点钢轨电位；

rt—钢轨对地过渡电阻；

t—接触网（轨）纵向电阻；

r—钢轨纵向电阻；

tt—接触网（轨）对地过渡电阻；

e—地下土壤及金属管线纵向电阻；

0—牵引网空载电流；

f—牵引负荷电流；

s—杂散电流。

（1）当区间内无列车取流时，理想状态下直流牵引网简化电路见图1。钢轨电位即为rt上产生的电位差，由于空载时接触网（轨）-回流线-大地不能构成电流通路，rt无电流流过，故钢轨电位为零。

图1 理想空载简化电路

（2）实际工况下，接触网（轨）对地存在一个过渡电阻tt，空载时简化电路见图2。从牵引变电所直流电源s经t-tt-e-rt构成了电流通路，此时钢轨电位为空载电流0在rt上产生的电位差-0·rt，这也解释了空载时钢轨电位不为零的现象。

（3）当有列车取流时，忽略接触网（轨）对地过渡电阻，简化电路见图3。在由s-t、列车M-r-e-rt构成的电流通路中，牵引负荷电流f其中一部分分流为杂散电流s，此时钢轨电位为s在rt上产生的电位差-s·rt。

（4）假设牵引变电所内负极母线接地，其简化电路见图4，此时靠近牵引变电所侧的rt被短接，钢轨电位为钢轨纵向电位差(f-S)·r。

图2 实际空载简化电路

图3 负载时简化电路

图4 负极接地简化电路

通过以上定性分析可得出：空载时也可能存在钢轨电位，其值取决于接触网（轨）的绝缘性能；有列车取流时，钢轨电位（绝对值）为杂散电流在钢轨对地过渡电阻上形成的电位差，而与回流在钢轨上产生的纵向电位差无直接联系；钢轨电位等于钢轨纵向电位差的条件是负极母线接地。

2 钢轨回流模型

分析某一点的钢轨电位时，由于供电分区内各点的电阻、电流均不同，故各点的钢轨电位也不同，需将钢轨回流网络等效为分布参数模型，将长度为的供电分区划分为若干段长度为d的有限元。假设网络中各电阻参数均为均匀分布，且忽略回路中暂态元件的影响，建立钢轨回流网络模型如图5所示。

双边供电情况下的牵引-回流系统等效电路如图6所示。分别对列车左右侧区间钢轨回流网络进行KCL和KVL求解。

图5 钢轨回流网络

图6 牵引-回流系统等效电路

式中，x为钢轨某一点钢轨电位；为双边供电分区长度；1为列车取流时距左侧牵引变电所距离；2为列车取流时距右侧牵引变电所距离；为常数；为钢轨距左侧牵引变电所的距离。

3 钢轨电位升高原因分析

由式（1）—式（3）看出，某供电区间内钢轨电位与牵引负荷电流、供电区间长度、钢轨纵向电阻、地下土壤及金属管线纵向电阻、钢轨对地过渡电阻有关。以成都地铁1号线升仙湖站—天府广场站大双边供电分区为例进行分析。成都地铁1号线最高运行速度80 km/h，旅行速度约36 km/h，初期行车对数为17对/h，系统规模行车对数为30对/h，采用B型车，4拖2动编组。取f= 3 200 A，r= 0.01W/km（4根钢轨并联），e= 0.5W/km，rt= 15W/km。变电所设置位置见表1。

表1 变电所设置位置

3.1 行车对数的影响

（1）大双边运行。根据发车对数及旅行速度计算，初期大双边供电分区内同时可能有6列车取流（暂不考虑此时直流馈线继电保护动作，下同），系统规模大双边供电分区内同时可能有10列车取流。按极端情况考虑，上下行分别有1列车在供电分区中点取流，其余4列车根据追踪间隔计算得出其分别位于区间中点两侧。由此可得钢轨电位分布见图7和图8，其中1、2……代表每列车启动产生的钢轨电位，代表所有钢轨电位之和，下同。

图7 初期大双边供电区间钢轨电位分布

图8 系统规模大双边供电区间钢轨电位分布

（2）正常双边运行。选取人民北路站—天府广场站区间，计算得理论上该区间内同时可能有4列车取流。有2种情况的钢轨电位较大：上下行各有1列车在供电分区中点取流，则根据追踪间隔计算该分区只有该2列车运行；4列车均匀分布在该区间内，且基本靠近中点。同理可计算得出系统规模双边供电时供电分区内可能有6列车同时取流。钢轨电位分布如图9和图10所示。

图9 初期双边供电区间钢轨电位分布

图10 系统规模双边供电钢轨电位分布

3.2 钢轨回流电阻的影响

钢轨纵向电阻增大有2种原因：运营时间较长导致整体磨损较大；某些关键部位（如道岔处、钢轨鱼尾板连接处等）电气连接不畅，导致局部电阻陡增。

不同钢轨纵向电阻时的钢轨电位分布见图11。

建立模型如图12，假设点附近一段钢轨（600 m长）r骤增10倍，对比图9，端头牵引所的钢轨电位由-160 V变为-222 V。

图11 不同Rr的钢轨电位分布

图12 Rr骤增时系统规模大双边供电模型

3.3 钢轨对地过渡电阻的影响

分别取不同的钢轨对地过渡电阻，得到系统规模大双边供电区间钢轨电位分布见图13。

图13 不同Rrt的钢轨电位分布

3.4 地下土壤及金属管线纵向电阻的影响

不同地下土壤及金属管线纵向电阻时系统规模大双边供电区间钢轨电位分布见图14。

图14 不同Re的钢轨电位分布

3.5 站台门接地方式的影响

在装设站台门的地铁线路中，为了保证人身安全，通常将站台门与钢轨做等电位联结，且站台门采用绝缘安装。当其对地绝缘失效时，即将钢轨与地短接，此时短接点的钢轨电位被钳制为地电位，而端头牵引所的钢轨电位绝对值增加到钢轨未接地时列车取流处的钢轨正电位与端头牵引变电所负电位绝对值之和（图15）。

图15 站台门接地时钢轨电位分布

4 结论及建议

通过以上计算及仿真，得出以下结论：

（1）一个（大）双边供电分区内多车取流时，最高钢轨电位（绝对值）通常不是出现在中点，而是出现在（大）双边供电分区两端的牵引所。只有在上、下行区间单列车在中点取流时，其取流处的钢轨电位最高且与牵引变电所处的钢轨电位互为相反；

（2）钢轨纵向电阻的大小对钢轨电位影响较大，某一段钢轨纵向电阻的陡增，会导致端头牵引所处钢轨电位的陡增；

（3）当钢轨对地过渡电阻超过15W/km时，其大小对钢轨电位的影响较小；

（4）当地下土壤及金属管线纵向电阻低于 1W/km时，其大小对钢轨电位的影响较小；

（5）与钢轨做等电位联结的站台门接地后，端头牵引所的钢轨电位将被显著抬升。

鉴于以上分析，为了避免某一车站钢轨和地短接后将邻近车站的钢轨电位抬升而导致钢轨电位限制装置频繁动作，给维护带来困扰，在地铁的设计、施工及运营阶段，建议采取如下措施：

（1）加大钢轨接头、道岔段的连接电缆截面；

（2）施工应严格按照设计及验收标准进行；

（3）运营后，定期组织测试钢轨纵向电阻，及时维护更换；

（4）站台门不考虑与钢轨做等电位联结，加强站台门绝缘安装及站台绝缘安全带的绝缘性能；

（5）适当将钢轨电位限制装置整定值调高，设有站台门的线路，考虑将列车停车信号接入钢轨电位限制装置电压回路，当列车停靠且钢轨电位升高到特定值时，钢轨电位限制装置方可动作。

5 结语

钢轨电位升高的原因比较复杂，本文仅从常规因素进行分析，未考虑一些暂态元件的参数，如列车运行中轮对与地之间形成的平板电容、钢轨自身的电感等。随着列车的启动、制动，其原有直流环境可能产生高频交流，这些暂态元件之间的电磁能量相互转换，可能产生过电压，致使有些车站钢轨电位超过了600 V（不考虑钢轨电位限制装置本身的问题），加之列车生产厂家不同，其列车启动电流曲线也不尽相同。另外，优化运营方案，如根据站间距合理安排发车间隔，尽量避免停靠在同一车站的上、下行列车同时启动等，均可有效降低钢轨电位。

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The paper illustrates the principle for generating of rail potential, introduces the theoretical calculation and software simulation on the basis of a model established with connection to the actual engineering, and analyzes the calculation and simulation results accordingly so as for the deep understanding of Metro rail potential and providing references for the practical engineering.

Metro; rail potential; DC traction

U231.8

B

1007-936X(2018)02-0064-04

2017-05-24

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.02.017

裴 伟.贵阳市城市轨道交通有限公司，工程师；曾之煜.中铁二院工程集团有限责任公司地铁院电化分院，工程师。