轨道交通接触网残留电压及感应电压理论分析

田胜利

轨道交通接触网残留电压及感应电压理论分析

田胜利

针对轨道交通接触网系统停电时本线残留电压或相邻线上的感应电压，本文以电工理论为基础，进行了理论分析和模拟计算，得出残留电压和感应电压的理论计算数据，对轨道交通运营检修具有一定的参考意义。

轨道交通；接触网；停电；残留电压；感应电压

0 引言

近年来，国内开通的多条地铁线路，在正线上或车辆段库内陆续出现接触网停电时，本线接触网存在较长时间残留电压或相邻接触网线上存在较高电压等问题。该现象对运营维护作业产生了影响，并对维护人员心理产生了负面作用。根据现场反应存在以下现象：（1）南京地铁一号线车辆段检修库内，一条线停电，相邻线有电，停电接触网上存在电压有时超过600 V。（2）苏州地铁一号线车辆段一条接触网停电，相邻线发现存在800 V的电压。（3）天津地铁2号线夜间停电时，靖江路车站附近三轨存在超过440 V的电压。（4）广州地铁某个区间停电时，验电存在100～500 V的电压；相邻区间停电，验电时，又无电压。

北京地铁规定，接触网停电30 min后，才能下线正式开始检修。针对上述现象，本文重点进行城轨接触网停电时，残留电压和感应电压的理论分析和模拟计算。为现场维护提供理论依据，消除运营维护人员对相关电压的恐惧心理。

1 直流接触网的特点及技术规定

目前轨道交通接触网系统供电电压制式分1 500 V和750 V；受流方式分架空接触网和三轨方式。众所周知接触网系统是通过众多绝缘子与大地绝缘的向机车供电的系统，接触网现场情况见图1。

图1 接触网系统现场例图

接触网系统技术规定：《地铁设计规范》（GB50157-2013）第15.3.21条：车辆基地的地上线路接触线距轨面高度宜为5 000 mm。隧道内接触线距轨面的高度不应小于4 040 mm。

2 导体带电现象

2.1 导体电容

根据电容原理，任何2个相互靠近且彼此绝缘的导体间均构成一个电容器，其电容大小与导体形状、相互间距离有关，与带电荷数量无关。故城市轨道交通接触网系统导体间或接触网导体与大地间构成电容器。

2.2 感应起电

任何带电体周围都有电场，在电场作用下，相邻导体上能感应出电荷，若该导体与周围绝缘则将带有电位，称为感应带电。

3 导体电容的计算

根据《电气工程师手册》电磁场的分析及计算第2.5.3节的规定，并参见图1，架空导线对地单位长度电容CL的计算式为

图1 单根导体对地示意图

根据《电气工程师手册》电磁场的分析及计算第2.5.3节的规定，并参见图2，架空两导线间电容CLL的计算式为

式中，h为导线对地高度，r为导线半径，D为两线距离，є0为介电常数。

图2 2根导体对地示意图

4 接触网残留电压的分析及计算

根据电工理论，任何电容器在通电后都带有等值电压和相应电荷。在外部电源中断后，由于存在大地回路，电容器会缓慢放电。导体（三轨）与地之间组成电容器，故可按导体电容放电理论计算导体上的残留电压，其计算式为

式中，E为额度电压；R为回路电阻；C为电容器电容；t为放电时间。

（1）750 V三轨断电后残留放电计算分析。其基本参数如下：

三轨安装高度：400、450、500 mm

三轨类型截面：4 400、5 200、5 500 m2

三轨等效半径：37.4、40.7、41.9 mm

介电常数：8.854 188×10-12F/m

三轨体积电阻：R＞ (1-10)×1013Ω·m

根据式（1），取三轨等效半径r = 40.7 mm，三轨等效安装高度分别为400、450、500 mm时，计算得三轨对地电容C分别为18.57×10-12、17.86 ×10-12、17.27×10-12F/m。

根据式（3），当R取值2×1013Ω·m时，三轨放电残留电压计算见表1。

表1 三轨放电残留电压计算表 单位：V

根据表1绘制750 V三轨断电后残留电压放电曲线，见图3。

图3 750 V三轨断电后残留电压放电曲线图

（2）1 500 V刚性悬挂接触网两侧均断电后，残留电压放电计算分析。其基本参数如下：

汇流排截面：2 213 mm

汇流排等效半径：26.5 mm

汇流排等效高度：4 095 mm

根据式（1）计算出汇流排对地电容C = 9.69 ×10-12F/m

根据式（3），可计算汇流排放电残留电压值，见表2。

表2 汇流排放电残留电压值表

5 接触网感应电压的分析及计算

车辆段库内一条接触网停电，相邻线继续作业时，停电接触网线上感应电压的计算可采用电容分压的原理，如图4所示。

图4 接触网相对位置示意图

参见图4，库内导高假设为5 m，导线间距4.6 m，则电容分压计算式为

由式（1）、式（2）、式（4）可计算出，停电导体（接触网）上感应电压：

根据《牵引供电手册》，简化计算式如下：

式中，a、b、c分别为导线间相互位置尺寸。由式（5）计算相邻导线感应电压U = 527 V

6 分析及应对措施

综上所述，可以得出：

（1）当带电导体（三轨）断电时，由于导体（三轨）是绝缘安装的，导体上存在的电荷无法瞬时释放，此时导体（三轨）上存在的电压既为残留电压，随着时间的推移，三轨上残留电压逐渐衰减。依据三轨绝缘体绝缘电阻的不同，残留电压经过10～20 min后其幅值仍可达150～500 V。

（2）地下刚性接触网由于绝缘电阻在R = 300 ×106Ω左右，根据前述的理论计算，在左右相邻供电分区接触网停电后，其残留电压释放较快。

（3）车辆段库内一条接触网停电，相邻线继续作业时，停电接触网上感应电压可达500多伏。

因此，应采取如下相应措施：

（1）保护装置检测电压：1 500 V时，建议大于700 V；750 V时，建议大于450 V。

（2）接触网停电后，各系统进行检修作业时，挂地线是第一步，以消除静电感应和残留电压。此过程中出现的放电现象是正常的。

（3）有条件时，可采用电动挂地线措施，以消除检修作业人员的恐惧心理。

7 结语

针对城轨供电接触网系统停电时，出现的残留电压或感应电压等现象，本文以电工理论为基础，粗略地进行了理论分析和多方案模拟计算，得出了感应和残留电压的理论计算数据，对轨道交通运营检修具有一定的参考意义，由于本人水平有限，存在不妥之处，请业内人士批评指正。

[1] 周鹤良. 电气工程师手册[M]. 北京：中国电力出版社，2008.

With regard to the residual voltage and inductive voltage on OCS of rail transportation system, this paper introduces the theoretical analysis and simulated calculation for residual voltage in the line and induced voltage in adjacent line based on electrician theory, and the theoretical calculated value of residual voltage and induced voltage is obtained, which has referential value for rail transportation operation and maintenance.

Rail transportation; OCS; power off; residual voltage; induced voltage

U231.8

：B

：1007-936X(2015)05-0032-03

2015-05-20

田胜利.中铁电气化勘测设计研究院有限公司，教授级高级工程师，电话：13803062388。