南宁地铁2号线钢轨电位异常升高原因分析

黄焕隆

（南宁轨道交通集团有限责任公司运营分公司，工程师，广西南宁 530022）

广西南宁市轨道交通2 号线采用DC 1500 V 牵引供电系统，牵引电流由牵引变电所正极出发，经由接触网、电动列车和走行轨返回牵引变电所负极，由于钢轨纵向电阻和轨地之间过渡电阻的存在，牵引回流电流和短路电流会在钢轨上产生超出安全许可的纵向电压。为了防止钢轨电位过高对站台人员和设施的伤害，在车站均设置了一套钢轨电位限制装置（OVPD）。自2 号线运营以来，OVPD 由于电压偏高频繁动作，本文就该异常现象进行分析，并提出相应整治措施。

1 2号线钢轨电位问题

南宁地铁2 号线采用大全赛雪龙生产的NPMPD 型OVPD，该装置通过采样电压继电器实时监测负回流钢轨与大地之间的电压。OVPD 设置三段式保护，其中Ⅰ段保护为当监测电压超过整定值120 V 时，经过0.8 s 整定延时后，保护动作，该装置将钢轨与大地有效短接后延时6 s 分开；Ⅱ段保护为当监测电压超过整定值150 V 时，保护动作，钢轨与大地被无延时短接；Ⅲ段保护为当监测电压超过整定值500 V 时，保护动作，晶闸管快速接通，将钢轨与大地短接。电压型框架保护设置两段式保护，其中Ⅰ段保护为当保护装置检测到设备外壳对负极电压（即钢轨和地之间的电压）超过130 V时，经过0.6 s 整定延时后，发出报警信号；Ⅱ段保护为当保护装置检测到设备外壳对负极电压超过150V 时，经过0.3 s 整定延时后，发出跳闸命令。2018 年1 月份南宁地铁2 号线运营期间OVPD 运行数据如表1所示。

表1 南宁地铁2号线OVPD运行数据表 时间：2018年1月

由表1 可知，石柱岭至南宁剧场站钢轨电位较高，OVPD 记录到的平均峰值电压值均超过100 V，导致该区间站点OVPD 出现Ⅰ段保护频繁动作，甚至出现Ⅱ段保护动作情况。且建设路站OVPD曾出现II段保护动作，接触器永久合闸后，导致2号线正线钢轨以建设路站为强制零参考点，造成离建设路站距离越远，钢轨对地电压抬升越高情况。随着机车负荷的增大，导致离建设路站最远的西津站钢轨对地电压超过负极柜框架电压保护I段报警整定值（130V），触发报警。同时西津站OVPD I 段保护动作，接触器合闸后延时6 s 断开，负极柜框架电压保护I段报警手动复归后消失。

2 原因分析

直流牵引系统的理想电流通路如图1所示。为减少杂散电流对结构钢筋及线路沿线金属管线的电腐蚀，直流牵引系统的钢轨全部采用绝缘安装方式［1］。从图1 可知，正常情况下系统的电流通路为直流正母线→接触网→电力机车→回流轨→负母线，少许泄漏电流通过大地回路回到直流电源负极。根据系统运行特点，钢轨电位过高的主要原因有：负回流回路电阻过大、钢轨对地过渡电阻过小、列车牵引负荷电流［1］。

图1 直流牵引系统电流通路示意图

2.1 负回流回路电阻增大直流牵引系统负回流回路由走行轨、回流电缆、均流电缆、钢轨接头和道岔接续电缆等组成，而走行轨的电阻在负回流回路的电阻中占主要部分。钢轨使用程度对其电阻有较明显的影响，钢轨轨头磨耗会导致钢轨电阻增大［2］，由于南宁地铁2号线为2017 年底新投入运营线路，钢轨磨耗可忽略不计，本次主要就玉洞站负回流回路中的电缆与钢轨间的接触电阻进行测试，其结果如表2所示。

表2 玉洞站变电所负回流回路接触电阻测量数据表

铁杂散电流腐蚀防护技术规程（CJJ49-92）中，回流通路电气连接的要求为接头电阻不应超过1 m长完整轨道的电阻值，根据设计文件2 号线钢轨电阻值为20 uΩ/m（考虑钢轨磨耗5%情况下），由于站内均、回流电缆长度均不超过100 m，电缆自身电阻可忽略不计。由表1可知玉洞站负回流回路钢轨与回流电缆接触电阻最高为104.6 uΩ，最低为49.86 uΩ，钢轨间均流电缆接触电阻最高为793uΩ，可以看出实测值远远大于设计标准，负回流回路电阻增大比较明显，这在一定程度上影响了变电所的回流性能，引起钢轨电位电压升高。

2.2 钢轨对地过渡电阻过小直流牵引系统的钢轨采用绝缘安装方式，南宁地铁2 号线线主要采用两种规格钢轨橡胶垫板，分别为具有减震功能的钢轨橡胶垫板和不具备减震功能的普通钢轨橡胶垫板。从外观看，具有减震功能的钢轨橡胶垫板较为厚实，可保证钢轨及扣件与道床良好绝缘，而普通钢轨橡胶垫板比较单薄，在灰尘、油污、积水以及施工工艺的影响作用下，导致钢轨对地电阻减小，使得泄漏电流增大，钢轨电位也会随之增大。

2.3 列车牵引负荷电流偏大列车运行方式可分为加速、匀速和制动三种状态，当列车处于加速状态时，负荷电流增大，钢轨电位正向增大；当列车处于制动减速状态时，列车向直流系统反向供电，导致钢轨电位向负方向变化［3］。2018 年1 月份2 号线运营期间牵引变电所直流馈线开关电流电压平均测量数据如表3所示。

表3 2号线牵引变电所直流馈线开关电流平均测量数据表 单位：A

通过与初步设计文件数据对比分析，在实际运营过程中，列车实际运行时牵引负荷电流与系统设计仿真计算结果相比偏大。因此，2 号线实际列车牵引负荷电流较系统设计仿真计算值大也是造成钢轨电位高于设计值的原因之一。

综合上述测试分析，结合现场实际检查结果，变电所负回流回路电阻过大是2号线钢轨电位异常升高的重要影响因素，但仍需对其他相关设备进行进一步检查并综合分析。

3 解决措施

1）钢轨电位异常升高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，建议对以下专业涉及设备进行系统性检查，并进行综合分析和制定整改措施：

①信号专业：道岔绝缘、钢轨接续线等；

②线路专业：过轨金属管线、铁垫板和夹板、橡胶垫板和轨距块、轨距杆、道床等；

③结构专业：轨行区渗漏水情况；

④屏蔽门专业：绝缘子、有电体与接地体间绝缘间隙等。

2）参考其他城市地铁解决方案，探讨直流牵引供电负回流系统增设回流、均流、跨接电缆等的必要性和可行性，并加以现场实施。

3）优化OVPD 和电压型框架保护的整定值，在确保人员及设施安全的前提下，防止继电保护装置误动作。

4）开展轨道对地绝缘电阻检测工作，并结合其他设备检查结果进行综合分析和治理。

4 结语

钢轨电位异常升高问题已成为全国各地铁线路面临的共同技术难题，其成因相对比较复杂，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，无法从简单的一个方面解决。地铁运营管理部门需加强设备日常维护和检测，优化继电保护配置，确保直流牵引供电系统安全稳定运行。