城市轨道交通钢轨电位异常问题研究

许四喜，李国玉，王凯建，刘 炜

0 引言

城市轨道交通直流牵引供电系统直流侧为悬浮不接地系统，作为回流主导体的钢轨对地绝缘。但目前国内已开通的地铁线路多存在较严重的钢轨电位问题。

据某地铁公司统计数据，其全线钢轨电位限制器（OVPD）曾在6 h的监测时间内动作次数达349次，其中Ⅰ段动作125次，Ⅱ段动作224次，Ⅱ段动作总数高于Ⅰ段，甚至出现多次6站及以上车站钢轨电位限制器同时动作的情况。钢轨电位和杂散电流问题不仅存在于正线，线路正常运营时，车辆段和停车场（下文简称段场）内无列车行驶，但段场内的OVPD依然动作频繁。OVPD闭合时，极大地增加注入地中的杂散电流。

为尽量减少杂散电流并缩小杂散电流影响范围，轨道上设置绝缘接头，将正线轨道与段场轨道隔离。文献[1]通过建立OVPD和段场等效电路通用模型，提出计及回流设备行为过程的直流牵引供电计算方法，并以某地铁工程为例分析正线与段场之间的相互影响，段场单向导通装置的设置无法避免正线与段场间的相互影响，段场钢轨直接接地更易恶化正线钢轨电位问题，因此提出了钢轨正线与段场钢轨电位的影响机理。单向导通装置导通，钢轨能够正常回流[2-3]。但是实际运营过程中，即使段场没有列车通过，单导仍会导通，段场钢轨与正线钢轨实现电气连接。文献[4]通过对一行钢轨的单导电流与钢轨电位进行测试，结果显示，单导正向导通时能够为正线的杂散电流提供路径，反向导通时可将正线的牵引回流引入段场，从而给段场带来钢轨电位和杂散电流问题。文献[5-6]通过测试研究了正线电流入侵和流出段场的现象，严重时杂散电流达到800 A左右，车辆段、停车场产生的杂散电流较为严重，对杂散电流的防护产生不利影响。针对该现象，文献[7]通过实测和仿真研究了单向导通装置的反向导通机理，认为晶闸管两端电压达到8 V左右时，单向导通装置会反向导通，正线电流会入侵段场，抬升正线的轨电位，但是该结论并未得到实测数据的有力支撑。文献[8]对流经车辆段单导的电流、轨地电位、土壤电位梯度等相关参数进行了现场测试，重点从钢轨电位的角度分析了车辆段杂散电流产生的原因和分布规律，设计了车辆段杂散电流监测系统。文献[9]搭建了城市轨道交通牵引供电系统仿真模型，分析了单导对城市轨道交通杂散电流防护的不利影响，但仿真模型中并未考虑上、下行联络线，忽略了两行单导的相互影响。文献[10]针对合肥轨道交通线路车辆段、停车场出现的钢轨电位异常升高现象进行分析和现场实测，测试结果表明，当前单向导通装置的设置会导致段场钢轨电位与杂散电流受正线运行干扰，出现钢轨电位与杂散电流异常升高的现象，进而导致段场钢轨电位限制装置频繁动作。

本文以在某地铁停车场及正线部分开展的实测为基础，对停车场咽喉区上下行单导电压、电流进行测量，同时对停车场附近正线3个车站同步测量馈线电流、钢轨电位以及OVPD电流；分析单向导通装置中二极管环节对段场的影响，建立综合考虑正线与段场的回流仿真系统，研究钢轨电位的传播机制。

1 测试方案

为分析咽喉区单向导通装置对段场及正线钢轨电位的影响，在某地铁停车场以及正线进行试验，根据试验结果进行分析。试验检测内容如表1所示。

表1 试验检测内容

选取线路正常运营时间段进行测试。在停车场附近区间内选取3个车站对OVPD接地支路电流、馈线电流以及钢轨电位进行同步测试。测试原理如图1所示。段场咽喉区单向导通装置测试原理及参考方向如图2所示。

图1 车站测试示意图

图2 段场咽喉区单向导通装置测试原理

单向导通装置电流、钢轨电位限制装置电流以及馈线电流使用多个霍尔电流传感器进行测量。开环霍尔电流传感器套在单向导通装置、OVPD以及馈线对应直流电缆上；用数据线将传感器连接至数据采集机箱，并将数据采集机箱连接至电脑并布置在绝缘板上。

钢轨电位信息通过DVL2000电压传感器同步测量，将电压传感器的两线夹分别夹至OVPD的负母排和地母排，可测得钢轨电位。

同一个车站内多个信号采用NI设备进行同步采集测量，不同车站间多个信号所内采用网络对时进行同步，保证停车场和3个车站的电压、电流信号同步监测。监测时间不小于24 h。

2 测试结果分析

2.1 单向导通装置工作状态

通过同步检测某地铁停车场咽喉区单向导通装置的对地电压、正线侧对库内侧的电压差以及单向导通装置流过电流，从而判断单向导通装置在全天的工作状态。统计结果如表2所示，单向导通装置的上下行二极管同时导通了2 742次，全天导通的时间占比达到79.66%；其余时间上行二极管和晶闸管均不导通。

表2 单向导通装置工作情况统计

停车场咽喉区单向导通装置晶闸管以光电信号和电压信号作为触发信号。测试期间，单向导通装置晶闸管支路始终未导通，结合试验数据推测原因是由于电压未达到触发电压或无车通过。

由于单向导通装置导通时的电压电流情况类似，故选取8：37：37和8：52：00两个动作时刻进行单向导通装置对段场与正线钢轨电位的影响分析。

2.2 单导对段场与正线钢轨电位的影响测试分析

本次段场试验同步检测到该停车场OVPD在测试期间于8：37：37发生Ⅰ段动作，此时咽喉区单向导通装置位置正线对地电压、单导装置二极管支路电压以及单导电流如图3所示。结合实际情况得到停车场OVPD动作情况如表3所示。

表3 停车场库内OVPD动作顺序

在停车场库内OVPD动作前，监测到C站的负荷波形如图4、图5所示，此时C站的整流机组关断，回流路径如图6所示。此时上行有一列车正在由B站至C站运行且处于制动工况。

图4 C站馈线电流

图5 C站钢轨电位与单导正线侧对地电位

图6 OVPD动作前回流路径

当有列车再生制动时，导致列车所在位置处的钢轨电位为负，同时拉低A站和B站的钢轨电位，致使停车场单向导通装置的二极管支路导通，使得停车场钢轨电位接近A站钢轨电位。

8：37：37，停车场正线侧钢轨电位达到-60 V，单向导通装置二极管支路导通，导致停车场库内OVPD动作，钳制正线钢轨电位至0附近，大量电流经二极管回路流回正线。

8：37：42，OVPD实现复归，正线钢轨电位又为负，但是此时OVPD断开，二极管虽然导通，但是流向正线的电流很小，几乎为0。

此外，停车场OVPD在测试期间于8：52：28发生Ⅰ段动作，同步测得的咽喉区单向导通装置位置正线对地电压、单导装置二极管支路电压以及单导电流如图7所示。结合SCADA数据得到停车场及正线A站动作情况如表4所示。

图7 单向导通装置电压电流情况

表4 OVPD动作顺序

8：52：34，停车场OVPD分闸，产生了-198 V的操作过电压，如图8所示。分断电流达到-155 A，产生了明显的电弧过程且在电流过零时过电压峰值达到-198 V，导致邻近正线A站OVPD动作。

图8 复归操作过电压

3 综合考虑正线和段场回流系统仿真

3.1 回流系统建模

对城市轨道交通回流系统进行简化与假设，选取“钢轨—大地”两层回流结构，建立城市轨道交通回流系统分布参数等效电路模型。模型中设置3个牵引变电所（A、B、C站）及一个停车场，采用双边供电方式，停车场末端设置单向导通装置及OVPD，机车采用电流源模拟。模型中假设：回流系统参数均匀分布；负荷电流是1个恒定直流；馈电线路阻抗忽略不计。简化后的回流系统等效电路模型如图9所示。图中：接触网纵向电阻为Rr；钢轨纵向电阻和钢轨电感分别为R1、L1；正线钢轨对地过渡电阻和钢轨对地电容分别为R2、C2；K为OVPD接触器。

图9 基于分布参数的回流系统等效模型

3.2 OVPD动作仿真

该地铁线路8：52：45时刻A站、B站、C站的负荷过程如图10所示。在仿真模型中设定：线路长度为30 km，接触网电压结合现场实测3个所的牵引网压，根据负荷电流决定机车取流。

图10 8：52：45多所负荷过程

等值电路设定参数如表5所示。停车场OVPDⅠ段分闸，改变了回流系统等值电路结构，电路发生振荡，产生分闸过电压。对停车场库内OVPD分闸过程进行暂态仿真，如图11所示。

图11 停车场OVPD分闸操作过电压

表5 仿真参数设置

统计停车场库内OVPD动作128次，A站OVPD动作3次，仿真结果表明图12中0.03 s停车场分闸操作过电压传递至A站仿真钢轨电位为-200 V，流过单向导通装置的电流为150 A时与图8中的实测过电压结果一致，表明仿真结果和现场测试情况基本符合。

图12 A站钢轨电位

段场咽喉区设置有单向导通装置，当其正线一侧的钢轨电位为负时，二极管环节导通；当正线一侧钢轨电位为正时，正线一侧与段场侧的电位差易导致晶闸管消弧环节触发。而上、下行单导装置的晶闸管触发不同步，易形成环流。

如果正线和段场的钢轨导通，由于段场内OVPD的Ⅰ段整定值为60 V带延时，受正线钢轨电位影响，段场OVPD动作频繁。

4 钢轨电位抑制措施

从钢轨电位问题发生的机理出发，降低钢轨纵向电阻是抑制钢轨电位最行之有效的办法。国内新建线路钢轨纵向电阻范围大致为32～38 mΩ/km，均值分布范围为34.324～36.309 mΩ/km，而在国内香港地区和国外某些地区同类型钢轨纵向电阻值（无磨耗20 ℃）均未超过30 mΩ/km。因此，应制定严格的钢轨电阻电气参数标准，以应对愈发严重的钢轨电位问题。

正线钢轨对地过渡电阻存在薄弱环节，导致钢轨电位的分布不均匀，钢轨对地绝缘差的区段钢轨电位被钳制，较远的区段钢轨电位升高或降低将更为严重，应重视钢轨对地绝缘缺陷的高效诊断，提高问题区段钢轨对地过渡电阻。

由钢轨电位从正线到段场的传播机理来看，阻断正线和段场钢轨的电气连接是降低钢轨电位相互影响的有效措施。另外，针对OVPD截流过电压的抑制，可以采用并联吸收电阻、吸收电容等方法抑制过电压过程。

5 结论

针对单向导通装置对段场与正线钢轨电位的影响，进行了三站一停车场同步测试试验。在正常运行期间，同步测量了停车场单向导通装置两端电压、正线侧电压以及电流，同步测量了邻近3个正线车站馈线电流、钢轨电位以及OVPD电流，并根据实际测试结果搭建了综合考虑正线和段场的回流系统仿真模型。对测试结果及仿真结果进行分析，得到以下结论：

（1）由于单向导通装置的二极管的不可控性，正线钢轨电位影响停车场钢轨电位导致停车场内OVPD合闸，合闸后大量杂散电流涌入停车场，停车场成为杂散电流汇集的池塘。

（2）段场咽喉区设置单向导通装置，当其正线一侧的钢轨电位为负时，触发二极管环节导通；当正线一侧钢轨电位过高时，正线一侧与段场侧的电位差易导致晶闸管消弧环节触发。当引入列车位置信号的光电信号触发时，虽然可以避免晶闸管消弧环节的触发，但无法避免二极管支路导通的情况。当单向导通装置导通后，正线和段场的钢轨电位保持一致，由于段场内OVPD的Ⅰ段整定值为60 V带延时，受正线钢轨电位影响，段场OVPD动作频繁，动作后的复归产生操作过电压，反复冲击正线，导致正线较多车站的OVPD Ⅱ段动作。

（3）正线和段场之间应采用钢轨智能导通装置，阻断正线和段场钢轨的电气导通，避免正线和段场之间钢轨电位和杂散电流的相互影响。