轨道交通隧道内牵引网感应电压研究

周 丹，何治新，艾晓宇，李鲲鹏, ，曹晓斌

（1. 广州地铁设计研究院股份有限公司，广州 510010；2. 西南交通大学电气工程学院，成都 611756）

轨道交通牵引供电系统可分为工频单相交流制、低频单相交流制与直流制[1]。目前我国城市轨道交通采用直流制供电，列车行驶速度较慢，还会带来杂散电流腐蚀等问题[2-3]。随着城市范围的扩展与市域(郊)铁路的发展，我国新建了一些采用工频单相交流供电的线路，该供电方式可以提升列车的运行速度和运输能力，在一定程度上解决大城市与周边卫星城的交通问题[4]。

牵引网之间由于交流电的电磁耦合作用，运行线路可以在停电检修线路上产生感应电压。应急情况下隧道段有可能采用单侧停电抢修，如果感应电压过高，将有可能对检修人员造成安全威胁。李群湛等[5-6]研究了新型城市轨道交通交流牵引供电系统；杨罡等[7]、雷栋等[8]通过建立轨道的分布参数模型，研究了轨道电位分布；岳新华[9]研究了地铁交流供电系统钢轨电位的分布规律；曹晓斌等[10]研究了铁路站场牵引回流系统及电磁感应的问题。

但地铁线路以隧道为主，只有车辆段和进出车辆段的部分线路位于地面以上，其电磁感应方式有别于高铁。本文以广州地铁22号线设计资料为依据，通过仿真计算隧道段一侧牵引网停电检修，另一侧线路正常运行时，检修线路的感应电压及影响因素，为停电检修的安全措施提供参考意见。

1 交流轨道交通线路的仿真建模

1.1 隧道部分的仿真模型

带回流线的直接供电方式是目前应用最为广泛的一种交流供电制式，本次研究的广州地铁22号线采用该直接供电方式。22号线全长30.8 km，均为地下线；其区间隧道采用盾构结构，盾构区间均为单线隧洞，只在车站、出入线等个别位置存在相邻线路，最小线间距为5.1 km，通常情况下两条隧道的间距为12～16 m左右。隧道的外径Φ=8 500 mm，内径Φ=7 700 mm，隧道壁厚度为400 mm。

隧道内的接触网采用了刚性旋转腕臂悬挂方式，回流线设置在腕臂吊柱的对侧，通过绝缘子固定在隧道壁上。安装的回流线型号为 JT150，计算其截面积为147.12 mm2，回流线在轨面5 800 mm以上。各导线的安装位置如图1所示。

图1 隧道接触网各导线位置Figure 1 Position of each overhead catenary wire in tunnel

仿真模型中回流线的相对电阻率为 1，相对磁导率为1，半径为0.02 m，埋深8 m，位于隧道内接触网侧上方，二者之间的间距2 m。

接触网载流部件：由CTA150型接触线和HL2213汇流排组成，其相对电阻率为1，相对磁导率为1，半径为0.07 m，埋深8.7 m，位于隧道内，如图2所示。

图2 接触网载流部件Figure 2 Current-carrying components of catenary

钢轨采用60型标准钢轨，其截面面积为77.45 cm2，纵向电阻为 0.04 Ω/km。对地过渡电阻按照新建线路取标准过渡电阻15 Ω·km，在模型中采用厚度0.01 m、电阻率为500 000 Ω·m的涂层实现[11]。

排流网参数：根据实测，单根钢筋相对磁导率为249.1，相对电阻率为4。钢筋的直径为0.008 m，纵向6根，间距0.15 m，横向15根均匀排列，埋深13.1 m。

图3为地铁隧道的仿真模型，内部土壤电阻率按空气设置。

图3 隧道仿真模型Figure 3 Simulation model of tunnel

在CDEGS的HIFREQ模块中，由于无法设计复杂的土壤结构，本文中将土壤等效为水平3层，如图4所示。上层土壤电阻率为32 Ω·m，中层按空气设置为1018Ω·m，下层按勘测资料设为 1 000 Ω·m。

图4 牵引网电磁感应仿真模型Figure 4 Electromagnetic induction simulation model of traction network

1.2 地铁隧道外区间的仿真模型

隧道外的牵引网结构由钢轨、回流线、接触网与供电线组成，牵引网结构布置示意图如图5所示。

图5 隧道外牵引网结构Figure 5 Structure of traction network outside the tunnel

本文根据实际线路参数，采用CTA150接触线，JTMH95承力索与60 kg/m规格的钢轨。土壤类型选择均匀土壤，土壤的电阻率为100 Ω·m，钢轨与大地间过渡电阻取15 Ω·km。隧道外的牵引网具体参数如表1所示。

表1 牵引网的线路参数Table 1 Parameters of traction network

2 隧道内上下行感应电压仿真计算

本部分主要仿真一条隧道运行正常，另一条隧道停电检修时，隧道内接触网上产生的感应电压。如图4所示，左侧的线路停电检修，右侧的线路正常运行。

2.1 单端接地感应电压分布

当上行线路有负载，下行线路检修接地时，激励电流源设置为800 A，可得仿真结果如图6所示。其中接触线的长度为15 km(图6中-7500～7500 m)。接地线位置位于右侧，即横坐标7 500 m处。

图6 单端接地感应电压分布Figure 6 Distribution of induced voltage for single-ended grounding

由图6(a)可知，接触网的感应电压呈两侧高、中间低的趋势，最高感应电压为185 V。由图6(b)可知，钢轨同样呈两侧高、中间低的趋势，但由于钢轨全线接地，因此钢轨具有明显的对称性，最高感应电压为122 V。造成该现象的原因是：运行线路上的牵引电流通过钢轨回流到变电所的过程中，由于走行轨对地不绝缘，因此会造成牵引电流从-7 500 m～0 m这半个区间内是从钢轨泄漏到大地，而从0～7 500 m这半个区间是从大地流回钢轨。泄漏电流造成钢轨两端的大地电位抬升，而0电位出现在区间的中部。

由于在右侧将钢轨与接触线短接时，检修时，隧道内的大地电位与钢轨和回流线的电位基本相等。因此人体实际承受的感应电压如图7所示。

图7 人体实际承受感应电压分布Figure 7 Actual voltage distribution of human body

从图7中可以看出，当长度大于7 000 m时，二者电压差最大值达到了91.6 V，超过我国标准规定的交流电情况下50 V安全电压值[12-13]。

2.2 双端接地感应电压分布

同样将激励电流源设置为800 A，除接触网右侧7 500 m处安装接地线外，在左侧 -7 500 m处再增加一根接地线，即将接触网首末双端接地，仿真得到的电位分布结果如图8所示。

图8 双端接地感应电压分布Figure 8 Distribution of induced voltage for two-end grounding

由图9可知，当接触网采用双端接地方式时，人体实际承受的电压呈M形状分布，两端与中间低，最大值远小于50 V，仅为0.4 V。由此可见，双端接地模式可以极大地减小接触网上的人体实际承受电压。造成该现象的主要原因是：当接触网采用双端接地方式时，接触网与钢轨可以形成一个闭合的线圈，此时最大的电压差为感应电流在该闭合回路上形成的最大电压差。在考虑到工人在接触网上作业时，有可能会断开接触网上的电连接，造成该闭合线圈开路，即此时断口上的电压相当于单侧接地的最大人体承受电压，因此下文中主要考虑接触网单端接地。

图9 人体实际接触电压分布Figure 9 Actual contact voltage distribution of the contact network

3 感应电压的影响因素研究

3.1 隧道间距对感应电压的影响

为了研究隧道间距对感应电压的影响，保持上述仿真参数不变，设置牵引电流为800 A，改变接触线间距为8、10、12、14、16 m。仿真得到检修线路上接触网的感应电压如表2所示。

表2 不同隧道间距下的接触线感应电压Table 2 Contact line induced voltage at different tunnel spacing

从仿真结果来看，在牵引电流不变的情况下，检修线路接触网上的感应电压基本不会受到隧道间距的影响，上表中两条线路的间距从8 m增加到16 m时，检修线路上的感应电压基本一致。

3.2 牵引电流对感应电压的影响研究

在单端接地的仿真模型中，设置运行线路的牵引电流为200、400、600、800、1 000 A，可得感应电压与牵引电流的关系如表3所示。由表3可知，随着牵引网激励源电流的增大，对应的感应电压也会明显上升，当牵引电流为400 A时，其感应电压已超过安全电压50 V的要求。

表3 感应电压与牵引电流的关系Table 3 Relationship between induced voltage and traction current

3.3 隧道对感应电压的影响

根据仿真模型图5，本文中仿真计算了非隧道段接触网上的感应电压，得到当一条线路有牵引负荷时，检修线路单端接地情况下的最大感应电压如表4所示。

表4 地面段牵引电流与感应电压的关系Table 4 Relationship between traction current and induced voltage in ground segment

图10为隧道内与地面段区间单边停电检修时，在牵引所侧接地，负荷集中在供电区间末端时的感应电压分布情况。

图10 感应电压随电流的变化Figure 10 Variation of induced voltage with current

从图中可以看出，两种情况下，感应电压均随牵引电流增大而呈线性增长，二者的比例关系如表5所示。

表5 隧道段与地面段感应电压比例Table 5 Proportion of inductive voltage between tunnel segment and ground segment

4 隧道段单侧停电检修安全措施研究

4.1 牵引电流的工况选取

根据该线路的规划，该线路单个列车的负荷曲线为如图11所示。

图11 牵引电网电流、电机电流、效率对速度曲线Figure 11 Traction grid current, motor current, efficiency versus speed curve

根据图11给出的单个列车的运行速度曲线及其规划，近期正常情况下每个供电臂运行列车8对，仿真得到牵引变电站平均负荷电流为335.5 A，在高峰时段运行列车 15对时，牵引变电站平均负荷电流为564.3 A，远期规划高峰时间段运行列车24对，仿真得到平均负荷电流为627.1 A。发生短路故障时，仿真得到短路稳态电流有效值为7 000 A。

4.2 不同工况下实际可触及感应电压差

在实际的检修作业中，只有钢轨与接触网之间的电压才为实际的可触及感应电压差。根据不同的工况，得到隧道内实际可触及感应电压差如表6所示。

表6 不同工况的可触及感应电压Table 6 Touchable induced voltage under different working conditions V

从表中可以得出，当采用接触网单端接地时，仅在近期正常工况下，其可触及感应电压才能满足安全要求，而双端接地情况下，即使发生了对地短路故障的最严重工况，其可触及感应电压也能满足安全要求。因此建议在隧道段，供电臂首末端均需要将接触网接地。

5 结论

本文针对单相交流供电制式的轨道交通，研究了接触网的感应电压及其影响因素，得到主要结论如下：

1) 接触网与钢轨的感应电压均呈两侧高、中间低的趋势。但实际威胁人身安全的主要是接触网与钢轨及回流线的电压差，当采用单端接地方式，牵引电流为800 A时，其感应电压可达185 V以上，但其与钢轨及回流线的电压差仅为91.6 V。

2) 接触网与钢轨的感应电压差受接地方式的影响极大。在800 A牵引电流作用下，采用单端接地时，电压差仅为 91.6 V，采用双端接地时该电压差仅为0.63 V。造成该现象的原因是：采用双端接地时，接触网与钢轨形成闭合的线圈回路，相当于短路。考虑到作业时有可能断开接触网上的电联接线，造成接触网开路，因此提出安全作业时需要按单端接地方式考虑。

3) 研究了广州地铁22号线不同的实际工况对可触及感应电压差的影响。当采用接触网采用单端接地时，仅在近期早高峰时，其可触及感应电压将达到65.5 V，发生故障短路时可超过800 V，严重影响检修人员的人身安全，因此建议隧道段，供电臂首末端均需要将接触网接地。