城轨屏蔽门绝缘状态对回流安全参数的影响研究

于海鹏，鲍 鸣，刘 帅，张栋梁

（1. 无锡地铁建设有限责任公司，江苏无锡 214023；2. 中国矿业大学电气与动力工程学院，江苏徐州 221116）

随着城市轨道交通的迅速发展，城轨回流安全问题日益凸显[1-2]。由于作为牵引电流回流导体的走行轨对地绝缘并不理想，大量回流电流自走行轨向周边的环境泄漏，造成设备、管道等的严重电化学腐蚀现象，称为杂散电流[3-4]。此外，由于走行轨对地电阻的存在，杂散电流的泄漏还导致了钢轨电位的抬升，对周边设备和人员造成威胁[5-6]。为保证乘客上下车时不因钢轨电位的影响产生较大的跨步电压，目前国内地铁普遍采用屏蔽门绝缘设计安装，并将屏蔽门与走行轨等电位连接。然而由于施工条件、接口专业、环境潮湿等因素，屏蔽门绝缘极易失效，国内多条线路因此发生打火放电等事故，影响线路运营、危及乘客安全[7]。此外，屏蔽门绝缘失效还会导致杂散电流自屏蔽门泄漏，腐蚀屏蔽门及其他车站金属结构，降低电气系统寿命、降低线路运行稳定性[8]。

钢轨电位与杂散电流可统称为回流安全参数，相关学者针对其异常升高现象进行了诸多研究。Xu等[9]建立了系统“接触网-钢轨-地网”仿真模型，分析证明列车处于加速和制动状态时将抬升系统回流安全参数幅值。而城轨多列车动态运行时，全线列车运行工况复杂，且再生制动列车向其他列车越区供电现象频繁，将造成系统回流安全参数的进一步升高[10]。此外，Li等[11]基于COMSOL软件对影响杂散电流分布的环境因素进行了研究，结果表明土壤电导率、管道等设备分布位置均会造成影响。Cai等[12]建立了系统有限元模型，分析表明除列车牵引电流外，较高的土壤电阻率也会导致线路回流安全参数的升高。相关学者将不同的环境因素和轨地绝缘情况通过轨地过渡电阻进行等效，解析计算及CDEGS仿真结果表明，轨地过渡电阻越大，系统回流安全参数越低[13-14]。然而相关研究忽略了与走行轨等电位连接的屏蔽门的绝缘状态，无法分析屏蔽门绝缘状态对钢轨电位、杂散电流的影响。

因此，为明确屏蔽门绝缘状态对系统回流安全参数的影响，本文建立了包含屏蔽门在内的城轨多列车动态潮流仿真模型，并基于无锡地铁2号线梅园—上马墩供电分区的线路参数进行了潮流仿真。仿真分析对比了屏蔽门绝缘理想、单站或多站屏蔽门绝缘薄弱以及不同的屏蔽门绝缘状态下，线路回流安全参数的动态分布，从而明确了屏蔽门绝缘状态对线路回流安全参数的影响规律。

1 系统描述

图1给出了包含屏蔽门在内的城市轨道交通直流牵引供电系统的结构。牵引变电所设置在部分车站位置，负责将交流电整流为1 500 V的直流电，向线路内的列车提供牵引电流。列车处于制动工况时，牵引所处的再生制动能量吸收装置(regenerative energy absorption device，READ)将吸收多余的再生制动能量，从而维持接触网压稳定。目前国内外普遍采用走行轨作为回流电流的回流导体，回流电流经走行轨、回流线流向牵引所负极。为限制线路内的钢轨电位及杂散电流，回流系统多安装有排流网、排流装置(drainage device，DD)、钢轨电位限制装置(over voltage protect device，OVPD)等保护装置。然而城轨线路涉及面积广、环境复杂，保护装置效果并不理想，实际线路回流安全参数异常升高现象依旧明显，且钢轨电位的异常升高导致OVPD频繁动作，往往造成大量回流电流自OVPD泄漏，加剧杂散电流的腐蚀。

图1 直流牵引供电系统结构示意Figure 1 Schematic diagram of DC traction power supply system

为保证乘客上下车时不会受到钢轨电位的影响，目前城轨屏蔽门多与走行轨等电位连接，并与站台结构及周边设施绝缘安装。CJJ 183-2012《城市轨道交通站台屏蔽门系统技术规范》和CJ/T 236-2006《城市轨道交通站台屏蔽门》中均规定屏蔽门绝缘阻值应大于0.5 MΩ，从而保证乘客上下车时不发生触电等事故。然而，由于施工作业的不完善、站台洗刷作业进水等因素，屏蔽门对地绝缘大多有所下降或失效。屏蔽门绝缘失效不仅导致大量杂散电流流经此处泄漏、腐蚀周边结构，还会造成乘客受到电击等危险事故。当乘客站立在站台上触摸屏蔽门时，将承受一定的触摸电压，其等效电路如图2所示。

图2 触摸电压等效电路Figure 2 Equivalent circuit of touch voltage

图2中，Ib是流经人体的电流；Rb是人体等效电阻，根据IEEE Std 80可知，Rb可取 1 000 Ω；Rf是人体脚与地面的接触电阻，根据站立面的均匀电阻率计算所得，根据EN 50122-1-2010中的示例可知，Rf可取300 Ω。因此，人体触摸电压应满足式(1)。

由于人体的最大容许电流为80 mA·s，代入式(1)可知此时人体最大承受电压为92 V，因此在屏蔽门绝缘状态的影响下，钢轨电位仍需限制在此范围内。

2 仿真建模

为明确屏蔽门绝缘状态对城轨回流安全参数的影响规律，本文建立了考虑屏蔽门绝缘状态的城轨多列车动态仿真模型，如图3所示。

图3 考虑屏蔽门绝缘状态的城轨多列车动态仿真模型Figure 3 Dynamic simulation model of multi-train urban rail transit considering the insulation state of shield door

本文以各列车及车站位置为节点建立动态潮流仿真模型。在节点n(1≤n≤N)处，上下行接触网间的电导为ywn，列车可等效为时变功率源Pn，牵引所可等效为带有内阻ycn的电压源Pn，READ可等效为电导ybn，DD等效为电导ydn，OVPD等效为电导yovn，屏蔽门绝缘电阻记为Rpn。将节点n到节点n+1之间记为区间n(1≤n＜N)，区间n内的上行接触网和下行接触网分别等效为集中电阻zun和zdn，回流系统内的分布参数可通过列写微分方程等效为双π型电路，其中走行轨纵向电阻、排流网纵向电阻、走行轨对排流网绝缘电导、排流网对地绝缘电导可分别等效为zrn、zsn、ygn、ypn。此外，将节点n处的上行接触网电压、下行接触网电压、走行轨电压、排流网电压分别记为Uun、Udn、Urn、Usn，上行接触网电流、下行接触网电流、走行轨电流、排流网电流分别记为Iun、Idn、Irn、Isn，即可得到任意节点n(1＜n＜N)处的电压方程组如式(2)所示。

其中，Un、In、Yn分别为节点n处的节点电压子矩阵、注入电流子矩阵和对地电导子矩阵，Zn代表区间n的线路阻抗子矩阵。4个子矩阵如式(3)～式(6)所示。

其中，当牵引所处于整流工况或正在退出时，bn= 0，sbn= 0；当牵引所处于再生制动工况时，bn= 1，sbn取READ触发值。

将全线各节点处的电压方程组统一记为GU=I，通过潮流计算可迭代求解各时刻全线电压、电流参数。首先根据列车牵引计算的结果确定多列车动态运行过程中，任意时刻各列车位置及功率分布。通常设置初始电压矩阵U1=[Ud0Ud00 0 0]，即假设各牵引变电所处于空载状态，根据各列车、车站的位置计算导纳矩阵初始值G1，从而通过G1U1=I1计算得到电流矩阵初始值I1。根据此时的电流、导纳矩阵，通过G1U2=I1可计算得到新的电压矩阵，再根据U2中各节点处电压及各列车功率更新电流矩阵I2。类似地，在第i次迭代中，若Ui-Ui-1所得到的每个电压均小于收敛精度ε1，且系统不平衡功率ΔPi小于收敛精度ε2时，迭代结束，否则将更新Ii，继续进行迭代。基于以上迭代过程，即可得到全线供电参数的动态分布，从而分析屏蔽门绝缘状态变化时，对回流安全参数所产生的影响。

3 仿真分析

3.1 仿真参数

为明确屏蔽门绝缘状态对城轨回流安全参数的影响，本文基于无锡地铁2号线梅园—上马墩供电分区线路参数进行了城轨多列车动态仿真。该线路共有 10个车站、5个牵引所，其位置及站点名称如表1所示。此外，为保证仿真结果不受列车运行图影响，各车站处列车停站时间为20～40 s内的随机值，如表1所示。

表1 无锡地铁2号线车站参数Table 1 Parameters of stations in Wuxi Metro Line 2

基于以上线路参数及表2所示的其他潮流仿真参数，本文以0.2 s为仿真步长进行列车牵引计算，生成图4所示的列车运行图，从而进行多列车动态仿真。

图4 无锡地铁2号线仿真运行图Figure 4 Simulation diagram of Wuxi Metro Line 2

表2 潮流仿真参数Table 2 Parameters of power flow calculation

3.2 仿真分析

本文基于MATLAB软件对无锡地铁2号线梅园—上马墩供电分区进行了多列车动态潮流仿真，为防止保护装置的动作影响回流安全参数的分布规律，本节设置各牵引所处的 DD、OVPD均不动作。当线路内各车站屏蔽门绝缘理想时，设置各屏蔽门绝缘阻值为1 MΩ，可得任意时段内回流安全参数分布情况，图5以1 300～1 480 s为例，给出了全线回流安全参数动态分布情况。

如图 5(a)所示，在屏蔽门绝缘理想时，全线钢轨电位幅值最大值为105.4 V，发生在1 454 s时刻的6 976 m处，且全线钢轨电位呈现出两端高、中间低的分布规律。如图 5(b)所示，此时杂散电流的幅值最大值为24.8 A，发生在1 368 s时刻的5 058 m处，且全线杂散电流呈现出中间高、两端低的分布规律。

图5 绝缘理想时回流安全参数动态分布Figure 5 Dynamic distribution of reflux safety parameters with ideal insulation

当单个屏蔽门发生绝缘薄弱时，本文设置薄弱处屏蔽门绝缘阻值为0.01 Ω，其他屏蔽门绝缘阻值仍设为理想值。图6以1 373 s为例，给出了当S3或S8处屏蔽门绝缘薄弱时，与全线屏蔽门绝缘理想时回流安全参数的分布对比。

图6 单站屏蔽门绝缘薄弱时回流安全参数分布Figure 6 Distribution of reflux safety parameters with weak insulation of shield door at a single station

如图6(a)所示，全线屏蔽门绝缘理想时，1 373 s全线钢轨电位幅值最大值为81.9 V；而S3处屏蔽门绝缘薄弱时，全线钢轨电位幅值最大值为152.7 V，比绝缘理想时增加了86.4%；S8处屏蔽门绝缘薄弱时，全线钢轨电位幅值最大值为126.5 V，比绝缘理想时增加了 54.5%。因此，屏蔽门绝缘薄弱虽然能降低所在站点处的钢轨电位幅值，但全线钢轨电位幅值将因此发生整体抬升。以1 373 s为例，屏蔽门绝缘理想时，全线钢轨电位幅值均不超过90 V，而S3处或S8处屏蔽门绝缘薄弱时，过高的钢轨电位将威胁到乘客及工作人员的生命安全。

如图6(b)所示，屏蔽门绝缘理想时，1 373 s全线杂散电流幅值最大值为21.2 A；S3处屏蔽门绝缘薄弱时，全线杂散电流幅值最大值为32.3 A，比绝缘理想时增加了52.4%；S8处屏蔽门绝缘薄弱时，全线杂散电流幅值最大值为 36.7 A，比绝缘理想时增加了73.1%。因此，屏蔽门绝缘薄弱将导致线路杂散电流水平大幅上升，且线路杂散电流泄漏将集中于屏蔽门薄弱位置，即杂散电流自走行轨、屏蔽门泄漏至周边，导致站台结构腐蚀、威胁人员安全。

为明确多处屏蔽门绝缘薄弱对回流安全参数的影响，本文设置S3和S5处同时出现屏蔽门薄弱，即两处屏蔽门绝缘阻值为0.01 Ω，其他屏蔽门绝缘阻值仍设为理想值。图7以1 425 s为例，给出了该情况下全线回流安全参数的分布对比。

图7 两站屏蔽门绝缘薄弱时回流安全参数分布Figure 7 Distribution of reflux safety parameters with weak insulation of shield doors at two stations

如图7(a)所示，1 425 s屏蔽门绝缘理想时全线钢轨电位幅值最大值为66.0 V，而S3、S5处屏蔽门绝缘薄弱使得全线钢轨电位幅值降低，最大值为55.4 V。然而，如图7(b)所示，1 425 s屏蔽门绝缘理想时全线杂散电流幅值最大值为12.0 A，S3、S5处屏蔽门绝缘薄弱却形成了杂散电流泄漏回路，大量杂散电流经S5处屏蔽门泄漏后，经 S3处回流至走行轨，使得全线杂散电流幅值激增，最大值高达998.1 A。因此，多个屏蔽门绝缘薄弱将导致线路杂散电流水平急剧增加，对设备、人员造成严重的危害。

为明确不同的屏蔽门绝缘薄弱状态对线路回流安全参数所产生的影响，本文设置 S3、S8处屏蔽门绝缘状态同时出现不同程度的薄弱，并保持其他车站处屏蔽门绝缘理想。图8以1 332 s为例，给出了此时全线回流安全参数的分布对比情况。

图8 不同屏蔽门绝缘状态下回流安全参数分布Figure 8 Distribution of reflux safety parameters with different insulation of shield doors

如图8(a)所示，在绝缘理想时，1 332 s全线钢轨电位幅值最大值为101.2 V，而当S3、S8处屏蔽门绝缘阻值分别降低至0.05、0.02、0.01 Ω时，全线钢轨电位幅值最大值分别降低至 98.1、91.8、87.7 V。因此，当线路多个屏蔽门出现不同程度的绝缘薄弱时，全线钢轨电位幅值均有所下降，且屏蔽门绝缘阻值越小，全线钢轨电位幅值越低。

如图8(b)所示，在绝缘理想时，1 332 s全线杂散电流幅值最大值为19.1 A，而当S3、S8处屏蔽门绝缘阻值分别降低至0.05、0.02、0.01 Ω时，全线杂散电流幅值最大值分别增加至599.7、925.4、1 134.0 A。因此，不同的屏蔽门绝缘薄弱状态将导致线路杂散电流出现不同程度的增加，且屏蔽门绝缘阻值越小，全线杂散电流幅值越高。

此外，当多个屏蔽门绝缘薄弱时，全线回流安全参数动态分布将明显区别于绝缘理想状态。图9以S1、S3、S8、S10处屏蔽门绝缘阻值均降低至0.02 Ω时为例，给出了1 300～1 480 s内全线回流安全参数动态分布情况。

图9 多个屏蔽门绝缘薄弱时回流安全参数动态分布Figure 9 Dynamic distribution of reflux safety parameters with weak insulation of multi shield doors

如图 9(a)所示，当多个屏蔽门绝缘薄弱时，全线钢轨电位幅值最大值为97.6 V，比绝缘理想时降低了7.4 V，且全线钢轨电位幅值呈现出中间高、两端低的分布规律。此外，如图9(b)所示，此时全线杂散电流幅值最大值高达2 141.0 A，远高于绝缘理想时的杂散电流水平，且杂散电流的分布均在屏蔽门绝缘薄弱位置发生变化。因此，多个屏蔽门同时出现绝缘薄弱将导致全线回流安全参数激增，严重威胁到线路设备及乘客、工作人员的生命安全。

4 结语

本文针对屏蔽门绝缘状态变化对城轨回流安全参数的影响展开了理论分析及仿真验证，建立了城轨多列车动态潮流仿真模型，并基于无锡地铁2号线展开了仿真分析，结果表明与屏蔽门绝缘理想时相比，单站屏蔽门绝缘薄弱将抬升全线钢轨电位幅值，并导致大量杂散电流自屏蔽门泄漏。而两站屏蔽门绝缘薄弱时，虽然线路钢轨电位幅值将有所降低，但绝缘薄弱的屏蔽门将为杂散电流提供泄漏回路，导致杂散电流水平激增。此外，屏蔽门绝缘状态越差，即绝缘阻值越小，线路钢轨电位幅值越低，杂散电流水平越高。而多站屏蔽门绝缘薄弱将导致线路杂散电流水平急剧升高，严重威胁线路设备及人员的安全。