钢轨电位与杂散电流综合抑制研究

李国欣 吴培林 裴文龙

(1.中国矿业大学电气与动力工程学院,221008,徐州; 2.国网江苏省电力公司检修分公司扬州运维分部,225000,扬州; 3.国网江苏省电力公司检修分公司,210000,南京//第一作者,副教授)

钢轨电位与杂散电流综合抑制研究

李国欣1吴培林2裴文龙3

(1.中国矿业大学电气与动力工程学院,221008,徐州; 2.国网江苏省电力公司检修分公司扬州运维分部,225000,扬州; 3.国网江苏省电力公司检修分公司,210000,南京//第一作者,副教授)

在城市轨道交通直流牵引供电回流系统中,钢轨电位与杂散电流为回流系统中相互关联的参数,而钢轨电位限制装置(OVPD)与排流柜各自独立工作,互不协调。为进一步限制回流系统中的钢轨电位与杂散电流,需对OVPD与排流柜进行综合优化。分析了多区间情况下OVPD与排流柜的投入与退出对钢轨电位及杂散电流的影响,并提出了OVPD与排流柜综合优化方案。

钢轨电位; 杂散电流; 钢轨电位限制装置; 排流柜

First-author′s address School of Electrical and Power Engineering,China University of Mining and Technology,221008,Xuzhou,China

目前,城市轨道交通一般采用直流牵引供电。在直流牵引供电系统中,列车从接触网取流,电流通过钢轨返回牵引变电所。由于钢轨存在纵向电阻,且钢轨无法与大地完全绝缘,所以当钢轨上流过电流时,钢轨与大地之间产生钢轨电位。回流系统的一些参数与规定值存在差距,会造成钢轨电位异常升高,从而对乘客、工作人员的人身安全以及运行设备安全造成危害[1]。而钢轨上的部分电流通过轨地绝缘薄弱点泄漏至大地中,形成杂散电流。杂散电流会对周围建筑结构及埋地管道造成腐蚀。为了限制钢轨电位以及杂散电流,需在回流系统中安装钢轨电位限制装置(OVPD)和排流柜。在回流系统中,OVPD与排流柜是独立工作,互不协调的,而杂散电流与钢轨电位却是回流系统中相互关联的参数。研究表明,排流装置进行排流时,会导致远端钢轨电位升高;OVPD保护性接地,会使大量的电流泄漏至大地,形成杂散电流。因此,OVPD与排流柜综合优化配合运行,可进一步限制回流系统中的钢轨电位与杂散电流。

1 钢轨电位限制与杂散电流排流相互影响分析

1.1 回流系统模型建立

直流牵引供电回流系统是一个连续的系统,因此连续模型更贴近实际的回流系统。但是,列车运行时可能不止两个变电所为其供电,当多个变电所供电时,特别是当排流柜与OVPD投入时,边界条件的不确定将导致连续模型不易建立。而离散模型是将连续参数集中化,即使多个变电所同时供电,或者两个装置投入,都可以建立模型进行求解。所以,可将离散模型代替连续模型来进一步研究。

按照回流系统特性,将回流系统划分为有限个回路阻抗单元,各个单元在节点上依次连接,从而可根据电路原理列出相应的方程,求解相应的支路电流和电压。建立离散的钢轨-结构钢筋-大地三层结构,则回流系统的离散阻抗分布模型如图1所示[2]。图1中:Rg为钢轨纵向电阻;Rp为排流网纵向电阻;Rd为大地纵向电阻;R1为钢轨-排流网过渡电阻;R2为排流网-大地过渡电阻;r1和r2分别为列车到两侧牵引变电所接触网的电阻;Ia和Ib分别为由列车返回至两侧牵引变电所的钢轨电流;I2 m-1为钢轨-结构钢筋阻抗单元环路电流;I2m为结构钢筋-大地阻抗单元的环路电流;I为牵引电流。图中箭头方向为电流的正方向。

图1 双边供电回流系统离散模型

根据网孔电流法可以得到下式[3]:

由此得到杂散电流is(k)与钢轨电位U(k)的解析式:

U(k)可表示为:

1.2 钢轨电位限制对杂散电流的影响

目前,在已经运行的城市轨道交通中普遍存在钢轨电位过高的问题,可记录的最大钢轨电位接近300 V。当列车运行繁忙时,OVPD可能会频繁动作,甚至多台OVPD同时动作[4],而OVPD的动作对杂散电流可能会产生影响。本文根据城市轨道交通回流系统离散模型,结合实际供电情况,加入OVPD,仿真分析OVPD动作对杂散电流的影响。分析模型如图2所示。

图2 投入OVPD的回流系统模型

该模型为纯电阻模型,模拟列车在第二区间运行并对结果进行讨论。

1.2.1 列车在第二区间运行OVPD投入时的仿真

仿真条件设置:取I=3 000 A,双边供电区间长L=2 km;Rg=0.03 Ω/km;Rp=0.001 Ω/km;Rd=0.001 Ω/km;R1=15 Ω·km,R2=3 Ω·km[5]。当列车在第二区间运行时,只动作线路上钢轨电位大于零电位处的OVPD,得到钢轨电位U(x)、杂散电流Is(x)的分布曲线,如图3、图4所示。

图3 列车在第二区间运行OVPD投入时钢轨电位分布图

图4 列车在第二区间运行OVPD投入时杂散电流分布图

由图3可知,当列车在第二区间运行时,第二区间沿线钢轨电位均为正,最大值约为49 V,DC2处与DC3处钢轨电位接近,约为5 V;当OVPD2与OVPD3动作后,沿线钢轨电位都下降,且降低的幅值大致相同。

由图4可知,当OVPD未动作时,第一区间内杂散电流较小,最大值约为0.8 A,第三区间杂散电流较大,最大值约为3 A;当OVPD2动作时,杂散电流急剧增大,最大值约为4.3 A;当OVPD3投入时,杂散电流亦急剧增大,且在OVPD3处杂散电流最大,约为4.2 A。

1.2.2 OVPD现场测试图

图5为OVPD动作时的电压图。该图是广东地铁万胜围站上行线的实测钢轨电位波形。从图5中可以看出,在列车行驶中,电压波动很大,最大值达110 V,且与列车运动方式有关。当钢轨电位达到OVPD动作电压时,OVPD动作,将钢轨电位钳制到0 V,10 s后OVPD自动断开。

在广州地铁西朗站,由于OVPD动作过于频繁,使该站OVPD长期合闸。图6为在线监测1 h流过OVPD中的电流,其最大值高达750 A。随着全线列车不停运行,如果多列车同时加速,则会造成牵引电流过大,回流电流过大,导致从OVPD流过的电流过大。

从仿真和现场测试均可以看到,当OVPD合闸时,将会产生大量的泄漏电流,特别是一些OVPD长期合闸的地方,杂散电流巨大,从而对周围金属结构和附近的管道造成严重腐蚀。

图5 OVPD动作时的钢轨电位图形

图6 当OVPD处于闭合状态时泄漏的电流

1.3 杂散电流排流对钢轨电位的影响

为减少杂散电流对周围金属的腐蚀,须投入排流柜进行强制排流。排流柜投入后,会对钢轨电位产生影响,本文对此进行仿真分析。仿真模型如图7所示。

图7 投入排流柜的回流系统模型

当列车在第二区间时,只有当钢轨电位低于大地电位,排流柜才投入使用。所以只投入钢轨电位低处的排流柜,可得出钢轨电位U(x)、杂散电流Is(x)的分布曲线,如图8、图9所示。

由图8可知,当机车在第二区间时,第二区间的钢轨电位均为正;排流柜2、3不工作,排流柜1、4、5工作时,各个排流柜处的钢轨电位被抬高到0 V,且整条线路的钢轨电位都被抬升。

图8 列车在第二区间排流柜投入时钢轨电位分布

图9 列车在第二区间排流柜投入时杂散电流分布

由图9可知,当排流柜1工作时,从排流柜1到机车位置杂散电流急剧增大,且在排流柜1处的杂散电流约为7.2 A;当排流柜4工作时,从机车位置到排流柜4处杂散电流很大,最大值约为7.8 A,而在排流柜4之后,杂散电流值很小,都小于0.5 A,说明在排流柜4处,杂散电流被强制回流到变电所负极;当排流柜5投入时,从机车位置到排流柜5处杂散电流都比较大,最大值约为9.4 A。

所以,当排流柜投入后,由于二极管的钳制作用,将牵引变电所处的钢轨电位抬升至零值附近,减少了牵引变电所附近的杂散电流,但由于钢轨电位上升,附近牵引变电所处的钢轨电位超过规定值,导致该处的OVPD动作,且钢轨电压上升也会导致其他区段的杂散电流增大。

2 钢轨电位与杂散电流的综合控制

在城市轨道交通系统中,不可避免地存在钢轨电位过高以及杂散电流过大的问题。在变电所安装OVPD可有效解决钢轨电位过高问题,但OVPD投入后,会导致杂散电流增大,加大了对周围金属的腐蚀危害。排流柜投入可减少杂散电流的危害,但会引起钢轨电位的上升,同时钢轨电位升高还会引起杂散电流增大。本文针对OVPD以及排流柜的实际使用,对其进行优化控制。

2.1 OVPD的优化控制措施

2.1.1 多个OVPD动作分析

在一条城市轨道交通线路上有多列车同时运行,多列车运行造成的钢轨电位的叠加,可能导致线路多处钢轨电位过高(见图10),造成OVPD动作。或者列车在制动时向牵引网回馈电流,导致列车处电位低,两侧电压高(见图11),很可能造成两端的OVPD动作。

图10 2列车运行时钢轨电位分布图

图11 列车制动时钢轨电位分布图

虽然仿真结果没有达到OVPD动作的要求,但实际运行中可能出现2个或者多个变电所处的钢轨电位超过动作值,这些OVPD很可能同时动作,可能导致大量的杂散电流泄漏。

当2列车运行时,OVPD动作对回流系统的影响如图12、图13所示。

图12 2列车运行OVPD动作时钢轨电位分布图

图13 2列车运行OVPD动作时杂散电流分布图

从图12可以看出,当OVPD1或OVPD2动作以及OVPD1、OVPD2同时动作时,都可将钢轨电位降低,但是OVPD2动作时,变电所DC2处电压降为0 V,变电所DC1处的电压仍大于0 V。在实际运行中,可能出现OVPD2动作,但是OVPD1处的电压仍然超过规定值的情况,这就会造成OVPD1、OVPD2同时动作,OVPD所在位置的钢轨对地电位都降为0 V,但从OVPD上泄漏的电流会大大增加。从图13中可以看出,当2个OVPD同时动作时,杂散电流超过200 A,这将使周围金属的腐蚀隐患更严重;当OVPD1动作时,变电所DC1处电压变为0 V,而DC2处的电压降为负值,此时的杂散电流最大值约为20 A。

当列车处于制动状态时,也可能导致多个OVPD同时动作,其泄漏的电流相比一个OVPD动作也大得多。

因此,如果只是最高电压处的OVPD动作,可将整条线路的电压降低,其泄漏的电流比多个OVPD动作时泄漏的电流小得多。采用这种方式可有效减少OVPD动作时产生的杂散电流。

2.1.2 OVPD的优化控制

在实际使用中,各个牵引变电所的OVPD只负责监视本地的钢轨电位,当本处的钢轨电位超过规定值时,OVPD直接动作。优化后的OVPD实时监测各点电压,通过全线OVPD的电位比较,得到钢轨电位最大的OVPD,然后判断该钢轨电位是否达到动作值,实现OVPD的动作,以降低钢轨电位;与此同时继续监测余下的OVPD,避免一条线路出现多个OVPD动作的情况,以有效降低由OVPD引起的杂散电流。优化后的OVPD控制流程图如图14所示。

2.2 排流柜的优化控制措施

在城市轨道交通中,排流柜可能一直处于排流状态,这将使得线路钢轨电位升高,如果其超过钢轨电位规定值,OVPD就会动作。根据本文构建的模型进行相应的仿真,当列车在第一区间,DC1处钢轨电位最大,DC5处钢轨电位最小,令DC1处的OVPD动作,DC5处排流柜工作,得到沿线钢轨电位及杂散电流分布如图15、图16所示。

由图15可知,当OVPD1动作时,从0 km到3.0 km处钢轨电位降低,在DC1处钢轨电位直接降为0 V;当排流柜5工作时,从3.0 km到8.0 km处钢轨电位升高,在排流柜5处升高为0 V。

由图16可知,当OVPD1与排流柜5同时投入时,杂散电流很大,全线基本维持在200 A,对沿线腐蚀特别严重。这是因为OVPD、排流柜与大地形成了闭合回路,由于大地的纵向电阻很小,导致杂散电流很大。

图14 优化后的OVPD控制流程图

图15 列车在第一区间时钢轨电位分布图

图16 列车在第一区间时杂散电流分布图

由此可见,在回流系统中,OVPD与排流柜同时动作时,对杂散电流影响很大。由于OVPD是保护人身安全的,其重要程度比排流柜等级高,所以在实际运行中出现钢轨电位超过规定值时,OVPD必须动作。此时,为防止OVPD与排流柜通过大地连接,需对排流柜进行短暂的屏蔽,当OVPD断开后再投入排流柜。

目前,所有OVPD与排流柜都是相互独立的,为实现OVPD动作同时排流柜闭锁的目的,需将所有OVPD与排流柜都接入后台监测,后台监测上传到SCADA (电力监控系统),通过SCADA判断是否有OVPD动作,若有OVPD动作,则给相应的排流柜发出断开信号。OVPD、排流柜全线布置图如图17所示。

采用该方法可有效避免由OVPD与排流柜短接产生大量杂散电流的情况。

3 结语

本文对多区间回流系统钢轨电位及杂散电流排流的相互影响进行了分析,当OVPD动作合闸,会使大量的电流泄漏至大地,形成杂散电流;当排流装置进行排流时,会导致远端钢轨电位升高。针对此问题提出了OVPD及排流柜综合控制优化措施:①将所有OVPD进行通信,实时对比各点钢轨电位,只对最大电压点的OVPD发送动作命令;②在OVPD动作的时间内,对排流柜短暂地屏蔽。需要注意的是,这两种优化措施对通信的要求较高,数据上传至SCADA,判断后再发送命令至设备,中间存在延迟,可能对OVPD及排流柜的动作产生影响,特别是OVPD III段保护。

图17 OVPD、排流柜全线布置图

[1] 王禹乔,李威,杨雪峰,等.对地铁钢轨电位升高的研究[J].城市轨道交通研究,2009(8):35-37.

[2] 赵凌.直流牵引供电系统杂散电流分布的研究[D].成都:西南交通大学,2011.

[3] 汪佳.多列车运行下地铁杂散电流研究[D].成都:西南交通大学,2012.

[4] 李国欣.直流牵引回流系统分析及轨电位相关问题研究[D].徐州:中国矿业大学,2010.

[5] XU Shaoyi,LI Wei,WANG Yuqiao.Effects of vehicle running mode on rail potential and current in DC mass transit systems[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2013,62(8):3569-3580.

Research on Intergrative Suppression of Rail Potential and Stray Current

LI Guoxin, WU Peilin, PEI Wenlong

In the reflux system of traction power supply,rail potential and stray current are interrelated parameters of reflux system,but OVPD and drainage cabinet work independently without any coordination.To further limit the rail potential and stray current,it is necessary to optimize OVPD and drainage cabinet comprehensively.In this paper, the influences on rail potential and stray current by the working conduction of OVPD and drainage cabinet at multiple intervals are analyzed,comprehensive optimization on OVPD and drainage cabinet is proposed.

rail potential; stray current; OVPD (over-voltage protection device); drainage cabinet

U223.6+2

10.16037/j.1007-869x.2017.04.012

2015-05-05)