城市轨道交通直流牵引供电系统接触网残压研究

王晓博 尚志坚 赵 垒

（西安市地下铁道有限责任公司，710016，西安∥第一作者，工程师）

我国城市轨道交通牵引供电系统普遍采用直流1 500 V 供电制式，在运营中普遍出现的问题是：接触网隔离各方向来电后，验电器仍然显示接触网带电，即存在接触网残压。西安、广州、南京、成都、天津等地的城市轨道交通直流牵引供电系统均存在这一情况。接触网残压直接威胁人身安全，影响检修施工及接触网送电保护闭锁。

各地采用了不同的应对方式以减小接触网残压造成的影响。成都地铁采取的措施是，对直流开关柜线路测试中残压检测定值进行临时调整，以避免接触网无法送电；天津轻轨采取的措施是，对接触网残压值进行现场检测，区分残压和正常电压，如果确定为残压，则放电及挂接地线，以降低接触网残压对检修的影响。但由于对接触网残压的成因没有明确的答案，因此无法采取针对性的措施从根本上解决接触网残压问题，这是我国城市轨道交通供电行业面临的共同难题。

1 接触网残压现象分析

西安地铁自2011年供电系统送电调试以来，每年都会出现数十起接触网残压现象，检测的接触网残压从70多V 至700多V，存在较大的安全隐患。接触网残压的主要影响如下：

1）检修中，如果接触网残压小于验电器报警启动电压，则验电器显示无电。挂接地线过程中会出现接触网打火问题，烧蚀设备。

2）检修中，如果接触网残压大于验电器报警启动电压，按照安全工作规程验明有电，则不允许挂接地线作业，从而影响生产检修。

3）直流馈线开关柜线路测试接触网残压的出厂值设定为300 V，送电过程中，如果接触网残压大于300 V 时，测试无法通过，开关柜不能合闸，则会导致接触网无法送电而直接影响行车。

表1为西安地铁接触网残压发生次数统计表。根据表1统计及实际的发生状况，西安地区接触网残压出现的规律和特点如下：

表1 西安地铁接触网残压发生次数统计表 次

1）接触网残压主要发生在1、2月及10～12月。因为在此时间段内温度低，易形成凝霜和凝露。

2）接触网残压多出现在雨、雾、霾等较为恶劣的气候条件下。

3）接触网残压基本都发生在车辆段或与车辆段相邻的露天段出入段线的接触网区段。

由此可以认为，接触网残压受外界环境因素影响较大，露天段接触网绝缘部件性能易受到环境影响，因此，初步推断绝缘降低是造成接触网产生残压的原因，并以此作为进一测试分析的依据。

2 接触网残压实测与分析

2.1 接触网残压实测

西安地铁1号线西咸车辆段及其相邻区段发生过多起接触网残压较严重的情况，其残压值最高可达到760 V，故以此段作为测试区段。图1为接触网残压实测区段示意图。

图1 西安地铁1号线西咸车辆段及正线接触网分区示意图

在图1中，西咸车辆段与正线相邻的两个供电分区为出段线1D2分区和入段线1D3分区（分别有336个和312个绝缘支撑部件），均为露天段；正线区段1A1、1B2分区分别与1D3、1D2分区相邻，含地面段和地下段部分（分别有210个和482绝缘支撑部件）；1A2、1B3分区是分别与1A1、1B2分区相邻的地下段正线接触网分区；1B3分区为1B2分区正线相邻区段，相互之间为绝缘锚段关节，无电气连接。

本项测试的目的，是为了验证接触网各分区间的电压相互影响关系。不同停送电情况下接触网各分区电压测试结果见表2。

测试中，1A1分区出现了残压，因此重点对1A1分区电压值进行测试分析，可以得到以下结果：

1）1A1 分区未受到1A2、1B2、1B3、1D2 分区电压的直接影响，这4个接触网分区停电后，1A1分区残压仍然存在。

2）1A1 分区残压与1D3 分区有直接关系：当1D3分区带电时，1A1 分区出现残压；当1D3 分区停电时，1A1分区残压消失。

3）1A1分区送电时，1D3分区未出现残压，因此1A1分区不影响1D3分区。

由此可得以下实测结论

1）接触网残压与相邻区段接触网送电情况存在关联性。

2）接触网残压不是普遍推测的接触网存在残留电荷产生的网压，而是与相关区域带电情况有关。

3）1D3 分区对 1A1 分区形成残压，1D2 分区对1B2分区无残压，1A1分区正线送电对车辆段接触网1D3分区残压没有影响，因此可判断残压与设备电气绝缘性能有关。

表2 不同停送电情况下接触网各供电分区电压值

2.2 接触网系统对地绝缘电阻分布分析

依据上述实测结论，对接触网绝缘电阻分布作进一步研究。测试区段接触网系统中露天段为柔性接触网，地下段为刚性接触网，接触网系统通过各支持定位绝缘子与大地绝缘。

现以西安地铁1号线1D3和1A1接触网分区为例，1D3和1A1分区接触网对地绝缘电阻是分别由n1个绝缘子和n2个绝缘子并联形成的电阻值（n1＝312个，n2＝210个）。图2为1D3和1A1分区接触网对地电阻分布示意图。

图2 1D3和1A1分区接触网对地电阻分布示意图

分段绝缘器、接触网绝缘子绝缘电阻（兆欧级别）相对于接触网线路电阻（117.68μΩ／m）和钢轨对地电阻（地下段标准为15Ω·km）比差极大，计算中可以忽略。接触网各绝缘子为并联关系，对地电阻关系可简化为图3所示。

图3 1D3和1A1分区接触网对地电阻等效图

根据图3接触网对地电阻等效情况分析，假设当 车辆段侧（1D3）供电，正线侧（1A1）停电时，依据电阻的分压原理，RA与RB串联并与RC并联，当车辆段电压为1 500 V 时，则正线接触网电压为，即正线电压由分段绝缘器绝缘电阻值与正线绝缘电阻值共同决定。

2.3 接触网绝缘电阻与网压关系实测与分析

2.3.1 接触网绝缘部件单体绝缘性能测试

接触网每个供电分区是由许多绝缘子固定和支撑的，想要掌握接触网整体对地绝缘电阻情况，就必须了解绝缘部件的绝缘电阻。因此，首先对单体绝缘子在不同环境下的绝缘性能进行测试，以此作为分析的基础数据。测试数据见表3。

表3 不同情况下接触网绝缘部件绝缘性能测试表

西咸车辆段现场情况是，1D3和1A1接触网分区通过分段绝缘器实现电气分断，分段绝缘器两端导电体与1 500 V 电缆并联连接。受接触网定位器安装的限制，电缆需从分段绝缘器上方跨接，影响分段绝缘器两侧绝缘电阻。因此，部件绝缘性能测试内容包括柔性绝缘子、刚性绝缘子、分段绝缘器和并联绑扎电缆4部分。

表3测试数据表明：

1）潮湿环境下，各设备绝缘强度下降明显，特别是并联绑扎电缆，由于表面憎水性差、电缆间易积水，故电阻值下降幅度最大。

2）在干燥情况下，分段绝缘器绝缘电阻值远远大于正线和车辆段绝缘电阻值，可以达到100倍以上，而在潮湿环境下二者间的绝缘电阻值差缩小并趋近于相等。

3）总体绝缘强度均在兆欧级别，1 500 V 供电系统对地绝缘仍满足设备运行要求。

2.3.2 接触网系统绝缘电阻推算

假设各单体绝缘部件绝缘电阻相同，结合1D3和1A1分区并联绝缘部件数量，可估算得到：

1）1D3分区对地绝缘电阻值RC为10.2 MΩ～8.0GΩ。

2）1A1分区对地绝缘电阻值RB为13.0 MΩ～10.0GΩ。

3）1A1与1D3分区间绝缘电阻，包含分段绝缘器自身绝缘电阻与并联电缆的绝缘电阻，其值为10.9 MΩ～763.9 GΩ。

2.3.3 接触网系统绝缘电阻实测

在单体部件测试基础上进行接触网系统整体绝缘性能测试，以验证分析结果。如图4所示，只能测定整体绝缘电阻，即，测定车辆段两端接触网对地电阻、正线两端接触网对地电阻和分段绝缘器绝缘电阻。

图4 1D3和1A1分区接触网绝缘电阻实测方法

通过实测得到的接触网系统绝缘电阻数据见表4。

表4 1D3和1A1分区接触网绝缘电阻实测值 kΩ

基于表4数据分析可得：

1）RARB／（RA＋RB）＝2 250 kΩ，RA、RB均大于2250 kΩ；

2）RARC／（RA＋RC）＝273 kΩ，即RA、RC均不小于273 kΩ；

3）RA与RC不会同时大于546 kΩ，因此可得273 kΩ＜RC＜310 kΩ。

由RB／（RA＋RB）×1 500 V＝残压值（正线停电时测得残压值为87 V），可确定RA约为41 MΩ，RB约为2.4 MΩ，RC约为275 kΩ。测量结果与推算的绝缘电阻值近似，但仍有一定差别。这是因为现场实际环境更为复杂，绝缘电阻受雨水、灰尘等更加恶劣的污染影响。

测试结果证明：

1）虽然存在残压，但接触网整体绝缘电阻满足直流系统的绝缘要求，安全可靠。

2）分段绝缘器绝缘电阻是正线接触网绝缘电阻的17.1 倍，是车辆段接触网绝缘电阻的149.1倍。与单体部件理论值对比表明，正线接触网受环境影响较小。由此可以推测，随着环境的劣化，分段绝缘器绝缘电阻下降率将大于正线接触网，正线接触网残压会继续增大。

3）当正线电压为1 500 V 时，根据电阻情况，车辆段接触网电压不足10 V；虽然残压不能消除，但车辆段接触网相对较低的绝缘电阻使车辆段内接触网残压不明显。

2.3.4 绝缘电阻与电压分布仿真分析

使用Mutisim 仿真软件建立模型（见图6）进行仿真分析。仅考虑车辆段1D3分区与正线1A1分区停送电情况，依据实测及理论数据验证绝缘电阻与电压分布关系。表5为1D3、1A1分区接触网电压分布仿真数据。

基于表5数据可得以下结论：

1）接触网残压的计算公式为RB／（RA＋RB）×1500V，由此可知其大小由接触网绝缘电阻间比例关系决定。

图5 1D3、1A1分区接触网电压分布仿真

2）接触网残压的大小由分段绝缘器电阻和接触网电阻共同作用，理论值为0＜残压＜1 500 V。因此，残压只能减小，不能消除。

3）仿真中测得残压范围为10.0V～815.9 V，仿真结果与西安地铁监测的残电压从数10 V 至700多V 相吻合。

2.4 实物模拟验证

为了对分析结果进行进一步验证，使用接触网分段绝缘器和绝缘子依据图3搭建起测试回路，做定性模拟验证（见图6）。绝缘子A 和绝缘子B上部连接在一起，在绝缘子A 两端加1 500 V 电压，通过在分段绝缘器喷淋水雾降低绝缘电阻来检测绝缘子B的电压值。

表5 1D3、1A1分区接触网电压分布仿真数据

图6 接触网残压模拟验证

测试结果显示，随着分段绝缘器受潮后绝缘电阻下降，绝缘子B电压同步升高，由15 V 逐步上升到41 V，这就是接触网残压的变化情况。

3 结论

通过实测、仿真分析及验证，充分证明了接触网残压是由接触网系统内绝缘电阻分压比例关系决定的，是采用分段绝缘器连接的接触网固有特性。当相邻区段接触网供电时，接触网残压不可避免，主要影响环境变化较大的车辆段和停车场，但可以通过采取有效措施来降低接触网残压，以减小造成的不良影响。减少对接触网残压影响的措施如下：

1）改进设计和施工工艺。提高分段绝缘器两端绝缘电阻，防止分段绝缘器绝缘电阻的降低，避免相关设备与分段绝缘器搭接，以减少外界环境对其造成的影响。

2）改进相关技术。在保证安全的对地电阻前提下，降低发生残压区段接触网的对地绝缘电阻。当初步判断验电器内部的兆欧级电阻为残压时，临时可将1～2组验电器挂至接触网上，然后再进行验电，如能通过则证明为残压，即可采取安全措施或投入被闭锁的馈线开关。

3）改进送电组织流程。当受接触网残压影响导致直流馈线开关无法正常送电时，电力调度可将与分段绝缘器连接的相邻区段接触网停电，然后再向残压区段送电，这样可快速恢复设备功能，以保障运营安全。

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