广州地铁钢轨电位装置电压偏高原因的分析

肖伟强，苏维杰，黄耀敏

0 前言

广州地铁运营线路列车牵引采用直流1 500 V（APM 除外）供电系统，负极回路通过钢轨回流到电源负极，由于运行电流和短路电流的存在，可能会引起负回流回路和大地间产生超出安全许可的接触电压。在该情况下，需在回流回路与大地间装配一套钢轨电位限制装置，其作用是将钢轨与大地短接，避免出现超出安全许可的接触电压，保证人员和设施的安全。近几年来，各线路钢轨电位装置由于电压偏高频繁动作，本文就该异常现象进行分析、研究，从而提出解决措施。

1 原理

广州地铁运营线路钢轨电位装置为西门子生产SITRAS® SCD-T型钢轨电位装置，其原理接线如图1所示。

图1 钢轨电位装置接线示意图

通过采样电压继电器检测钢轨电位装置负回流钢轨与地之间的电压，当其电压超过90 V时，钢轨电位装置延时合闸短接钢轨和大地后瞬间分开；当其电压超过150 V时，永久合闸。

2 原因分析

对于直流1 500 V牵引供电系统，电源正极通过接触网/钢轨送到列车，负极通过钢轨流回电源，牵引系统钢轨采用绝缘安装的方式，系统的理想电流通路如图2所示。

图2 供电系统电流通路示意图

从图2中可知，在正常情况下，系统的回流通路如下：直流正母线→接触网→电力机车→回流轨→负母线，根据负回流运行特点，钢轨电位装置电压偏高的原因可能有：负回流回路电阻过大；负回流系统绝缘薄弱；列车牵引取流变化。

2.1 负回流电阻

直流牵引负回流回路由回流轨、回流电缆、均流电缆、钢轨接头接续电缆、道岔接续电缆等组成，为进一步验证负回流轨电阻是否增大，在广州地铁八号线万胜围—琶洲区间进行测试，测试前打开上下行琶洲站前公里标为 YDK0+217处的鱼尾板，保证琶洲—万胜围上下行区间钢轨与线路其它回流轨系统分离，在万胜围—琶洲上行琶洲站前公里标YDK0+217处对直流1 500 V接触线与牵引轨之间施加直流60 V电压；在万胜围站上行末端公里标EYDK1+770处利用接地线（70 mm2）对直流接触线和负回流轨通过分流器（1 000 A/75 mv）短路，如图3短路测试图所示。

图3 短路测试图

计算得回路总阻抗R回=U/I=71.12 mΩ，接触网电阻（1 987 m）按理论值估算（1 m接触线与1 m汇流排并接实测电阻为14.83 μΩ）：R接触线=1 987×14.83=29 467 μΩ=29.47 mΩ；接触网汇流排接头（165个）电阻估算：R接头=1 mΩ，2根临时短接线（70 mm2）计算电阻值：R短路试验线=0.017 5×12÷70=0.003 Ω=3 mΩ，R分流器=75 mV/1 000 A=75 μΩ，从测试图中可以看出：R回流轨=71.12-29.47-3-1-0.075=37.575 mΩ，可计算出负回路单位钢轨电阻：R单位长度=37.65÷1 987=18.9 μΩ

由于回流轨上下行回流之间通过均流电缆连接，上行或下行的2条轨之间都通过信号电缆等电位连接，故上述计算得出的18.9 μΩ是4条钢轨并联后总电阻，从而实测值单条钢轨单位长度电阻为4×R单位长度=75.6 μΩ，按照设计文件单位长度钢轨电阻R=13.7μΩ，可以看出实测值远远大于设计标准，相比可以看出，负回流轨电阻增大比较明显，得出负回路电阻整体有较理论值增大趋势。

2.2 负回流系统绝缘

负回流轨本身绝缘薄弱。为防止跨步电压，屏蔽门与钢轨负回流等电位连接，屏蔽门对地绝缘相当薄弱，综合上述，负回流对地绝缘不理想，相当于有强制性的参考接地点存在，这样会抬高绝缘良好点的钢轨电位电压，从而引起钢轨电位装置电压升高或动作。

2.3 列车牵引取流

列车不同方式下取流运行造成钢轨电位变化：在列车启动运行时，钢轨电位沿正方向变化。利用示波器进行录波，当列车启动负荷电流增大时，钢轨电位正向增大；相反地，在列车制动时，列车相当于一个直流电源，向DC 1 500 V系统进行反向供电，导致钢轨电位向负方向变化。通过对牵引电流和钢轨电位装置电压测试录波，得出钢轨电位装置电压随着负荷电流呈现上述规律性变化。

综合上述测试分析、探讨，不难看出钢轨电位装置电压偏高主要原因为负回流回路电阻过大，当负荷电流流经该通路时，回路本身电压降增大，当回路中存在绝缘薄弱点时，作为强制零参考点，造成绝缘良好点的钢轨电位电压升高。

3 整改措施

（1）在钢轨接头处，增加2×150 mm2接续电缆、加大通流截面积。

（2）在道岔尖轨区段、岔心区段，采取 2×150 mm2跳线电缆另行直接跨越其前后2部分。

（3）在长大线路区段或单连供电区段，另行敷设回流电缆与钢轨并联，减少负回流回路电阻。

（4）在每个车站两端的上下行线路间，除钢轨电位装置连接电缆、道岔接续电缆外，须设置独立的、上下行间直接相连的（不经过变电所钢轨电位、负极母排等设备）均流电缆。

4 结束语

钢轨电位装置电压偏高也属于轨道交通直流牵引的一个技术难题，成因相对比较复杂，涉及到列车牵引负荷电流、钢轨电阻、钢轨相关负回流设备绝缘等因素，但就目前广州地铁运行情况分析得出，主要是因为负回流电阻增大（相对于标准设计）而造成的，其他因素仅为诱因。

[1]西门子SITRAS® SCD MFZ 80，直流牵引系统的钢钢轨电位限制装置原理说明书，2007.

[2]董文敏，何文继.城市轨道交通钢轨电阻测量及电耗研究[J].城市轨道交通研究，2002，（2）.