城轨交流牵引供电系统钢轨电位分析与治理

（江苏省徐州技师学院 江苏 徐州 221000）

引言

城市轨道交通供电系统与外界环境接口的相关技术，参照国际、国内标准，介绍城市轨道交通供电系统对外界环境影响的领域，以及在工程验收、系统联调时宜进行的测试项目，主要包括牵引供电系统谐波测试、综合接地系统测试、站台边缘接触电压和跨步电压测试、整个轨道交通系统对外界的发射测试、主变电所对外界的工频电磁场影响测试、杂散电流腐蚀防护测试等内容，为轨道交通供电系统设计、施工、验收、联调和运营管理提供重要技术参考。

1.城市轨道交通供电系统结构

城市轨道交通供变电系统设施包括主变电所/电源开闭所、牵引变电所、降压变电所和跟随所等。其中集中式供电需设置主变电所，主变电所通常引入AC110kV高压，降压至35kV或10kV，分散式供电则直接采用来自城市电网的10kV/35kV中压，通过电源开闭所接入牵引变电所和降压变电所。牵引变电所将AC35kV/10kV中压降压整流至DC1.5kV/750V为接触网或接触轨供电。降压变电所将AC35kV/10kV中压降压成AC380/220V低压电，向车站各种动力、照明设备供电。降压变电所时常与牵引变电所合建，根据需要，区间可设立跟随式降压变电所。

2.钢轨电位分析与治理

2.1 钢轨电位分析。钢轨在牵引系统中具有供机车走行、传输信号、牵引网回流等重要作用。正常工况下，由于轨道和大地为非线性参数回路，因此可认为牵引电流通过钢轨和大地两个路径进行回流，部分牵引电流泄入地中流经轨地泄漏电导形成轨道与大地的电位差，即钢轨电位。过高的钢轨电位对人员安全、轨道周边设备正常运行造成威胁。本文基于城轨交流牵引供电系统的等值数学模型，推导钢轨电位的分布表达式。轨地间为高度非线性的参数网络，在进行钢轨电位理论分析时，作如下假设：钢轨回路为适用叠加定理的线性电路；钢轨向两端无限延长且参数均匀，工频下轨地过渡导纳仅计及电导g；大地的电导率σ是均匀的；忽略牵引变压器漏抗，即Ztt=0。考虑到供电电缆与回流电缆布置紧密，且电缆之间的间距相比电缆与接触线、钢轨的间距可忽略不计，因而可认为电缆与接触线、钢轨间无电磁耦合，所以在分析钢轨电位电流分布过程中可忽略电缆牵引网部分对钢轨电流电位的分布影响，只考虑短回路接触网与钢轨回路部分之间的耦合影响。

2.2 贯通地线对钢轨电位的影响。交流电气化铁路综合接地系统是将铁路沿线的牵引回流系统、信号系统、电子信息系统、电力供电系统、道床等需要接地的装置通过贯通地线连为统一的接地系统，增设贯通地线可降低回流网输入电阻，增大轨地泄漏电导，间接降低钢轨电位。借鉴交流电气化铁路的经验，在城轨交流牵引系统中引入综合接地系统，在上下行中间增设一条贯通地线。建立的城轨交流牵引系统精确仿真模型，仿真新系统采取多种钢轨电位治理措施下钢轨电位过高的治理效果，逐步提出新系统治理钢轨电位的综合措施，并验证了本文指出的综合治理钢轨电位措施能有效治理新系统钢轨电位过高问题，满足钢轨电位相关规定要求。

2.3 辅助电源优化方案节能计算。按照上文所述各器件的功率和效率，在满负载情况下，空调系统优化前压缩机功耗为34.48kVA×8÷（98%×95%×96%×98%）≈314.93kVA，通风机和冷凝器功耗为9.48kVA×8÷（98%×95%）≈81.46kVA；优化后空调系统压缩机功耗为34.48kVA×8÷（98%×98%）≈287.21kVA，通风机和冷凝器功耗为9.48kVA×8÷（98%×98%）≈78.97kVA。在相同负荷情况下，车辆辅助电源输入端优化前后功耗差为30.21kVA。按照辅助供电系统长期处于50%的负载工况运行，以每天运行18h计算，则由于辅助供电系统方案优化，每年每列车节电可达30.21kVA×50%×18h×365=99239.85kW·h，按照电费1.0元/kW·h计算，每年每列车可节省电费99239.85元。另一方面，优化后辅助供电系统重量和空调系统重量降低，也可以实现减重节能的效果。

2.4 电流腐蚀防护。目前城市轨道交通一般采用直流牵引供电，列车电源由牵引变电所提供，通过架空接触网或接触轨送向列车，机车受流后通过走行轨回流。虽然在设计中走行轨对地要求绝缘，但由于走行轨对大地始终存在过渡电阻，因此牵引回流并非全部通过走行轨回流至牵引变电所，而是有一部分通过走行轨杂散流入道床，并由道床流向结构钢筋、电缆外皮以及沿线的金属管线，在变电所附近这些散在外部的电流又通过金属管线、道床等媒质流回走行轨并最终回到牵引变电所，从而形成杂散电流。

结语

城轨交流牵引供电系统的钢轨电位分布特性，搭建了城轨交流牵引供电系统仿真模型，仿真分析了钢轨电位分布特性。针对该系统过高钢轨电位的问题，提出了上下行钢轨并联、牵引所特设集中接地极、并联回流线、在线路上下行并联贯通地线的方法及具体实施措施。根据各种措施的仿真结果，提出新系统钢轨电位综合治理措施，验证了采取这些措施能有效抑制新系统钢轨电位，为新型城轨交流牵引供电系统抑制钢轨电位的工程实现提供借鉴思路。