城市轨道交通供电系统钢轨电位限制装置操作过电压研究

陈民武，赵　鑫，丁大鹏，于峰学,冯　祥

(1.西南交通大学 电气工程学院，四川 成都　610031；2.中铁第一勘察设计院集团有限公司 电气化处，陕西 西安　710043；3.无锡地铁集团有限公司 运营分公司，江苏 无锡　214000)

近年来，我国城市轨道交通正经历着前所未有的高速发展期。截至2015年底，全国共有25个城市开通运营了城市轨道线路，运营线路总长3 293 km，预计2016年末，总运营里程将超过3 800 km，新增运营城市总数将超过29个[1]。目前国内城市轨道交通系统主要采用直流750 V或1 500 V供电制式，流经机车的牵引电流通过钢轨返回至牵引变电所负极母线。运行时的牵引电流可达2 kA以上，并且由于钢轨阻抗及杂散电流的影响，机车运行过程中钢轨与地之间会产生较高的电位差。为了防止钢轨对地电位过高可能造成人身伤害，在各个车站及停车场内都装设有钢轨电位限制装置(Over-Voltage Protection Device, OVPD)，用以监测钢轨与大地之间的电压，当钢轨电位过高时将钢轨接地，起到限制钢轨电位的作用，保障工作人员及站台乘客的人身安全[2]。

随着OVPD的广泛运用，其经常在工作中出现二段和三段电压保护误动，导致OVPD的接触器永久接地，使部分回流电流从OVPD的接触器泄入大地而形成高达800 A以上的杂散电流[3]，杂散电流会对金属形成电化学腐蚀，严重腐蚀埋地金属管线、钢筋结构及隧道相关设施与建筑，进而对地铁运行安全造成严重危害[4]。

本文研究建立包含有钢轨电位限制装置的城市轨道交通回流系统等效电路模型，对OVPD的动作过程进行仿真，并通过现场实测对仿真模型进行验证。在此基础上，分析产生OVPD操作过电压的原因及其导致二段和三段电压保护误动的机理和规律，提出抑制操作过电压的解决方案。

1　OVPD工作原理

城市轨道交通OVPD连接回流系统中的钢轨和大地，其结构原理图如图1所示。图中：I为机车取流；I1和I2为牵引电流；I3和I4为钢轨电流；I5为杂散电流；I6和I7为泄露电流的回流电流。

OVPD保护策略为三段式保护，具体如下。

(1)当钢轨电位U达到一段电压保护动作阈值U1(一般设为90 V)且持续0.8 s后，OVPD将钢轨与大地短接，有效降低钢轨电位。在预设时间10 s内接触器保持合闸状态，之后接触器恢复断开。在预设时间内若装置动作次数达到3次，装置闭锁，需人工手动复位[5]；

图1　OVPD结构原理图

(2)当钢轨电位U达到二段电压保护动作阈值U2(一般设为150 V)时，OVPD无延时使接触器直接合闸并闭锁，需人工手动复位[6]；

(3)当钢轨电位U达到三段电压保护动作阈值U3(一般设为600 V)时，晶闸管模块无延时导通，接触器接收到晶闸管导通的信号后合闸并永久闭锁，需人工手动复位[7-8]。

OVPD具体保护流程图如图2所示。

图2　OVPD动作流程图

2　基于实测数据的OVPD误动机理分析

2016年3月，针对无锡地铁2号线OVPD频繁动作和闭锁的问题，对该线牵引变电所钢轨电位进行了现场测试。测试过程中OVPD多次出现三段与一段电压保护同时动作的现象，任取某一动作时刻的钢轨电位如图3所示。从图3可以看出：当钢轨电位达到90 V时，OVPD一段电压保护启动正常，但在一段电压保护动作时刻产生了幅值高达886 V的过电压，使三段电压保护误动，OVPD的接触器闭锁，钢轨电位变为零。分析三段电压保护误动的原因为：一段电压保护接触器在合闸时产生的操作过电压达到了三段电压保护动作的阈值，导致三段电压保护动作，接触器直接闭锁。

图3　无锡地铁2号线钢轨电位

2016年5月，针对西安地铁1号线OVPD频繁动作和闭锁的问题，对西安地铁1号线牵引变电所的钢轨电位进行了现场测试。测试过程中OVPD多次出现二段电压保护误动、接触器直接闭锁的现象，任取某一动作时刻的钢轨电位如图4所示。从图4可以看出：一段电压保护接触器恢复时产生了操作过电压，与此同时发生了二段电压保护动作。分析二段电压保护误动的原因是接触器分闸时所产生的操作过电压所致。

图4　西安地铁1号线钢轨电位

正常情况下，一段电压保护需有效地将钢轨与地短接，经预设的延时后再及时断开接触器，恢复一段电压保护，避免接触器长时间合闸而导致较大的电流泄入大地。实际在现场，OVPD二段、三段电压保护误动会使较大的电流流入大地而形成杂散电流。取测试过程中OVPD闭锁后一段时间内流经OVPD的电流波形如图5所示。从图5可以看出：OVPD的电流幅值可达700 A。

在OVPD接触器动作的暂态过程中，其等值电路是1个由电阻、电感和电容组成的高阶电路。在OVPD分、合闸的过程中会导致等值电路的结构和参数发生变化，再加上电力机车在线路区间运行时等值电路的参数也不断改变，从而使得在OVPD动作的暂态过程中形成高阶振荡电路而产生操作过电压[9]。

图5　流经OVPD的电流

3　回流系统建模及OVPD动作过程仿真

3.1　回流系统建模

对城市轨道交通回流系统进行简化与假设，选取“钢轨—大地”两层回流结构，建立城市轨道交通回流系统分布参数等效电路模型[7,10]。模型中设置3座牵引变电所，采用双边供电方式，末端所设置了OVPD，机车采用电流源代替[11]。模型中假设：回流系统参数均匀分布；牵引电流是1个恒定直流；馈电线路阻抗忽略不计[2]。简化后的回流系统等效电路模型如图6所示。图中：Us为直流牵引电压；Rs为变电所等效电阻；Rr为接触网纵向电阻；R1为钢轨纵向电阻；L1为钢轨电感；R2为轨地过渡电阻；C2为轨地电容；R3为大地纵向电阻；C0为电缆对地电容；L0为电缆电感；K为OVPD的接触器。

图6　回流系统等效电路模型

回流系统为分布参数系统，当考虑暂态变化对钢轨电位的影响时，钢轨纵向电阻R1、钢轨电感L1、轨地过渡电阻R2和轨地电容C2均会对其产生显著影响[2]，因此有必要对以上回流系统参数进行具体分析。

1)钢轨参数

钢轨纵向电阻R1：目前城市轨道交通常用60和65 kg·m-1钢轨，西安地铁1号线和无锡地铁2号线均采用60 kg·m-1钢轨，其电阻标准值为27.3 mΩ·km-1。考虑钢轨之间的连接等影响，结合依据标准GB/T 28026.2—2011《轨道交通 地面装置》对钢轨纵向电阻进行现场测试的结果，仿真模型中取钢轨纵向电阻为36 mΩ·km-1。

钢轨电感L1：钢轨电感由内电感和外电感组成。钢轨内流过电流时在其内部会产生磁场，此时对应的参数为钢轨内电感。钢轨外部电感除了考虑轨道和接触网及大地的耦合关系外，还应考虑回流轨道与轨道下方钢筋混凝土结构的整体道床、周围隧道结构中的钢筋网络之间的互感。根据文献[2]综合考虑各种影响因素，仿真模型中取钢轨电感为1 mH·km-1。

2)轨地参数

轨地过渡电阻R2：尽管理论上钢轨绝缘安装，但在工程实践中无法保证钢轨与地之间绝对绝缘，轨地之间存在电流通路。CJJ49—1992《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》中规定，在建或新建地铁线路的轨地过渡电阻不应小于15 Ω·km，已投运的地铁线路不应小于3 Ω·km。仿真模型中取轨地过渡电阻为10 Ω·km。

轨地电容C2：暂态变化过程中钢轨与地之间存在电容效应，用钢轨与地之间均匀分布的电容元件描述。将与地平行放置的2条钢轨看作考虑大地影响的二线传输系统，根据电磁场理论，钢轨对地电容C2为[12]

(1)

式中：ε0为真空介电常数；l为钢轨长度；Req为钢轨等值半径；h为钢轨等效轴心对地高度；d为2条钢轨之间的水平距离。

另外，OVPD通过电力电缆与钢轨和地相连，仿真模型中OVPD中接触器与地之间的电感用电缆电感L0等效，OVPD中接触器与地之间的电容用电缆的对地电容C0等效。

3.2　OVPD动作过程仿真

仿真模型中设定：线路长度为5 km，接触网电压结合现场实测取1 700 V，机车取流为2 000 A,上、下行各设置1辆机车取流。

等值电路模型中的参数取值如下：R1=36 mΩ·km-1，L1=1 mH·km-1，R2=10 Ω·km，C2=42.884 5 nF·km-1，R3=30 mΩ·km-1，C0=46 nF，L0=0.122 mH。

OVPD一段电压保护动作即接触器合闸后，改变了回流系统等值电路的结构，使电路发生振荡，产生合闸过电压，对合闸时的暂态过程进行仿真如图7所示。

图7　合闸过电压仿真结果

由于机车运行状态的不同、牵引负荷电流的剧烈变化等因素的影响，使得过电压的产生具有很大的随机性。统计无锡地铁2号线钢轨电位测试数据中的合闸过电压，超过600 V的过电压为13次，而图7中合闸过电压的仿真结果为647 V，也超过了600 V，与现场测试中多次出现超过600 V的合闸过电压的情况基本相符。

OVPD一段电压保护动作即接触器合闸后，经过10 s延时接触器分闸，模型中设定分闸时刻流经OVPD的电流为400 A，对分闸时的暂态过程进行仿真如图8所示。

图8　分闸过电压仿真结果

改变模型中分闸时刻流经OVPD泄入大地的电流，对不同电流幅值下分闸时的暂态过程进行仿真，结果见表1。

表1　分闸过电压与流经OVPD电流的关系

仿真结果表明：OVPD操作过电压随着流经OVPD电流的增大而增大，当流经OVPD的电流为600 A时，过电压幅值可达到2 392 V，在地铁实际运行过程中控制盘记录的钢轨电位数据也存在高达2 422 V的过电压；并且，图4中过电压幅值最大为818 V，与流经OVPD的电流为200～300 A时的过电压仿真结果基本一致，表明仿真结果与现场测试情况基本相符。

上述OVPD分、合闸过程的仿真结果表明：OVPD在分、合闸时会产生操作过电压，过电压的幅值达到或超过了二段和三段电压保护动作阈值后，导致二段和三段电压保护误动，接触器闭锁，增大了杂散电流产生的危害。

4　解决方案设计

OVPD二段和三段电压保护误动的原因是由于接触器分、合闸产生操作过电压所致，接触器分、合闸动作改变了回流系统等值电路的结构和参数，使电路发生振荡产生过电压。问题的解决思路应从过电压的抑制入手，考虑改变电路的结构和参数，使暂态过程中的振荡电路变为非振荡电路。

RC电路是常用的抑制操作过电压的保护电路，电路中电容元件用来抑制电压的突然变化，减缓过电压的冲击；电阻元件用来消耗系统中的能量，增大系统的阻尼系数，加速振荡所引起能量的衰减[13]。加装RC保护电路后的系统简化原理图[7]如图9所示，图中：R和C分别为加装保护电路的电阻和电容。

图9　加装RC保护电路后的系统简化原理图

在仿真模型中，将RC保护电路并接到OVPD两端后，得到图7和图8所示仿真操作过电压的抑制效果，分别如图10和图11所示。

图10　RC保护电路抑制合闸过电压的仿真效果

图11　RC保护电路抑制分闸过电压的仿真效果

由加装RC保护电路前后的仿真波形可以看出：加装RC保护电路改变了回流系统等效电路的结构和参数，使暂态过程中的振荡电路变为了非振荡电路，从而有效地将合闸过电压抑制在二段和三段电压保护动作阈值以下；将分闸过电压的抑制在三段电压保护动作阈值以下，避免OVPD的误动。

对于分闸过电压，除了考虑加装过电压抑制电路以外，还针对分闸过电压与流经OVPD泄入大地的电流之间的关系，对OVPD分闸添加条件限制。当OVPD合闸动作完成后，通过在OVPD中加装电流检测元件检测流经OVPD的泄漏电流绝对值I0，若I0大于整定值I，不分闸；若I0小于整定值I，OVPD可以分闸[7]。表2为流经OVPD不同电流情况下加装RC电路的抑制效果。

表2　分闸过电压抑制与流经OVPD电流的关系

从表2可以看出：当流经OVPD的电流为300 A时，RC保护电路可以将分闸过电压抑制到110.9 V，该值小于二段电压保护动作阈值U2，故可将整定值I设为300 A。

通过以上过电压解决方案的设计以及相应的仿真结果，表明在加装RC保护电路基础上，结合改进的分闸条件，有效抑制了操作过电压的产生，可以避免OVPD二段和三段电压保护误动。

5　结　语

在分析钢轨电位限制装置二段和三段电压保护误动原因的基础上，揭示了一段电压保护接触器分闸和合闸过程改变了回流系统等值电路结构和参数，造成了高阶振荡电路的暂态过程，容易产生操作过电压。钢轨电位限制装置动作过程的仿真也证明了接触器分合闸过程的暂态特性，仿真与实测结果基本一致。

提出了钢轨电位限制装置操作过电压的解决方案，即通过增加振荡抑制电路，改变主回路的电气特性，配合引入泄露电流检测判据，可以有效地抑制操作过电压，防止装置误闭锁，也减少了杂散电流产生的危害。

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