地铁牵引供电系统主要问题分析

地铁牵引供电系统主要问题分析

霍广顺

(深圳地铁运营集团有限公司广东深圳518000)

摘要:介绍了城市轨道交通直流牵引供电系统的主要特点。对直流回流系统运行中曾出现过几个典型问题进行说明，如钢轨电位升高甚至超标、杂散电流泄漏量大、回流系统设备故障等。通过原因分析、系统总结和归纳有效治理措施，并针对薄弱环节采用新工艺、新方法，对直流回流系统提出了新的思路及建议，可供同行探讨或参考。

关键词:地铁列车；牵引供电系统;直流回流系统

引言：目前，大量已建成开通的城市地铁以采用直流牵引供电系统为主，城市地铁运营中曾出现杂散电流泄漏和钢轨电位升高甚至超标等情况，为保证人身安全，将钢轨电位限制装置(OVPD)接地，现场发现OVPD不但频繁报警动作甚至闭锁，运营中还有OVPD将钢轨长期接地后排流柜也投入运行的情况，形成了恶性循环，甚至造成故障范围扩大。在此基础上，从直流牵引供电系统特点出发，对运营中出现的钢轨电位超标、杂散电流大、OVPD及排流柜故障问题等一并梳理归纳，提出了有效的解决措施，以及保持回流通路通畅的新方法和其他建议。

1直流牵引供电回流系统主要特点

与市域快轨所采用的AC25kV牵引供电系统相比，地铁直流系统电压低，如地铁主要采用DC1500V或DC750V，同等车型、编组及行车对数情况下，直流牵引电流远大于交流系统(如成都市域快轨13号线所采用的25kV交流制式计算远期高峰小时接触网额定电流为1200A，地铁5号线所采用的DC1500V直流制式计算电流则为3100A);交直流牵引供电机车取流均来自接触网，但直流牵引主要将走行轨作为回流通路使用，通过回流电缆最终汇聚至牵引变电所负极侧，回流电流数倍于交流牵引系统。由于直流回流系统电流大，钢轨存在内阻，承担回流的钢轨电位上升，加上行车密度高和机车起动频繁等因素，机车位置处附近轨电位急剧上升到正的最大值，靠近变电所处的负极回流区域轨电位为负的最大值，轨电位超标后OVPD将钢轨接地，使得此处轨电位为0，保证人员安全。土建主体结构处于钝化状态下，当其极化电位不超标时，回流系统中以钢轨回流为主，少量通过地回流，通过排流柜进入变电所负极。为限制轨与地之间的电位，设置OVPD，避免轨道区域中高电位影响人身安全，轨电位超过规定值，OVPD将轨接地。目前OVPD动作保护按不同的电压区段和延时分别按一、二、三段动作保护考虑。

2高铁牵引供电系统结构

2.1牵引网供电方式

目前牵引网的主要供电方式：直接供电方式、吸流变压器（Booster－Transformer，BT）供电方式、自耦变压器（Auto－Transformer，AT）供电方式以及同轴电缆（CoaxialCable，CC）供电方式。高铁牵引网一般采用AT供电方式，如图2所示，优点：①供电距离长，可达到40～50km，增大了牵引站之间距离，降低了高铁建设投资；②牵引网阻抗小，降低了电压损失和电能损失。因此，AT供电方式适应于高速、大功率电力机车运行。

2.2牵引变压器接线方式

牵引变压器的主要接线方式：单相接线、V/V接线、YNd11接线、Scott接线和阻抗匹配平衡接线五种接线方式，我国高铁多采用两台单相三绕组牵引变压器构成的V/V接线形式。

3直流回流系统运行中出现的问题

3.1EN50122-1规定，钢轨电位在不大于120V范围内，不会威胁到人身安全和产生安全影响。GB50490—2009规定，正线轨电位不大于90V，从经济性角度，很多线路双变供电时按90V控制正线轨电位，大双边供电时按120V控制。但个别已建成开通的线路出现钢轨电位异常升高甚至超标(超过120V)的情况。

3.2个别线路发生杂散电流泄漏，长时间会造成对土建主体结构钢筋的腐蚀现象。

3.3OVPD检测走行轨对保护地的电位差，该电位差较大时，如正线轨电位超过OVPD一段保护动作阈值90V后引起OVPD动作;当电位差超过二段保护动作阈值150V时，OVPD频繁报警动作甚至闭锁。

3.4OVPD接地后，由于地电阻为“0”电位，大量轨回流入地，附属结构中钢筋网回流加大，极化电位升高，由于附属结构杂散电流通过排流柜进入负极柜，此时排流柜也投入运行，排流柜电阻箱与母排搭接处接触电阻较大，杂散电流流过时，该处发红及出现电阻箱烧损等问题[1]。

4应对措施

4．1降低钢轨电位

随着我国城市化进程的加快，已建城市地铁线路运营初期行车对数就达到了远期高峰小时的量能，建议客流预测应适应超预期客流增长的情况，以此为依据进行系统能力配套，做到防患于未然。减少回流通路电阻，如通过与轨道并联电缆的措施，增加回流电缆的截面，但并联范围及电缆截面需要通过测试或计算来确定。应仔细检查回流通道中回流线或电缆与钢轨、道岔、汇流箱、负极柜等接头牢固程度[2]。可采用如低温软钎焊加栓接的新方法，将L形铜排与钢轨连接，然后电缆与铜排预留孔通过螺栓连接等新工艺对均回流电缆与钢轨间连接。

4．2减少杂散电流排放

采用抗老化和耐腐蚀性强的绝缘材料加强轨对地的绝缘，减少隧道潮湿，杜绝道床积水及污染。在越江等重点隧道区段提高轨道对地的安装距离，还有在重点隧道两端设置单相导通装置进行加强等措施[3]。通过在道床与主体结构之间涂抹新型绝缘材料同时使用绝缘扣件固定道床的措施，增大道床与主体结构之间的绝缘。

4．3解除OVPD频繁动作闭锁应该从削弱和抑制开断过程中的过电压的角度出发来解决问题，如重点检修OVPD接触器触头和保护电路用晶闸管等。

4．4正确投入OVPD及排流柜CJJ49—1992规定，地铁内除钢轨等金属外不得与回流轨和电源负极间电气相连，更不应该长时间连接，因此从规范规定上推断应尽量避免投入OVPD及排流柜的操作。通过识别多点轨电位先对最高轨电位进行接地操作。OVPD承担着保护人身安全的作用，比排流柜有优先权，当OVPD投入时对排流柜屏蔽。有学者采用自动投入排流柜装置，当OVPD保护需动作时，接触器设置为延时合闸，在OVPD合闸前判断排流柜运行状态[4]。若排流柜未投运，排流柜自动隔离开关不动作;若排流柜已投运，自动打开排流柜隔离开关。将排流柜母排搭接处的结构进行改变，尽量减小接触电阻，如加大接触面并牢靠连接，增大通流容量。

结语：

地铁直流牵引供电系统较交流系统电压低而电流大，以走行轨作为回流通路，虽然节省了工程投资，但也带来不少问题，通过总结还是应综合考虑、系统优化，主要结论及建议如下:(1)客流预测及系统能力配置要有前瞻性;(2)对钢轨电位超标、回流通路不畅、杂散电流泄漏以及回流设备故障等问题，应从源头上找原因并排除故障。建议修订或完善地铁运行现场操作规程，尽量避免投入排流柜，提高运行维护管理水平;(3)建议将钢轨泄漏电阻值测试作为线路开通前的必要测试项目，制定详细的测试方案，准确评价钢轨泄漏电阻值，对于不满足要求的线路区段，应及时整改;(4)建议根据线路敷设方式，在新线建设时积极研究采用交流牵引供电制式或单独设置回流轨的直流牵引供电制式方案。

参考文献：

[1]郭晓宇.光伏发电在地铁牵引供电系统中的应用研究[J].四川电力技术,2018,41(03):48-51+67.

[2]韩冬晓.地铁和电气化铁路的牵引供电系统比较研究[J].科技创新与应用,2018(05):171-172.

[3]马腾宇.地铁牵引供电系统可靠性研究[J].科技资讯,2017,15(06):48+50.

[4]何洋阳,黄康,王涛,张葛祥.轨道交通牵引供电系统综述[J].铁道科学与工程学报,2016,13(02):352-361.