城市轨道交通牵引供电系统接触网和回流安全研究

城市轨道交通牵引供电系统接触网和回流安全研究

赵樑 

重庆轨道四号线建设运营有限公司 重庆 400000

摘要：为解决牵引电源系统在运行过程中常见的安全问题，针对杂散电流产生机制、接触网残压现象原理进行分析，通过调节电缆连接方式抑制泄漏电流的产生，针对单向导通装置改造后消除轨电位压差，并采取回流轨牵引供电优化、接触网双重绝缘设计等措施，为维护接触网及回流安全提供技术支持。

关键词：轨道交通；接触网；残余电压；杂散电流；回流安全

引言：在城市轨道交通运行过程中，常因接触网存在残压影响其正常供电效果，或受杂散电流影响导致轨电位限制装置异常动作，将对地铁土建结构、列车及设备安全运行构成威胁，研究上述问题的改进设计方案，对于保障轨道交通顺利运行具有现实意义。

1牵引供电系统接触网残压分析

1.1杂散电流

当前城市地铁普遍采用走行轨回流牵引供电系统，在长期运营过程中易在粉尘、潮湿、摩擦等多重作用下削弱走行轨的对地绝缘性能，导致泄漏出的杂散电流持续增大，并介于走行轨、地面之间形成较大电位差，造成系统短路等故障。同时，当轨道交通系统在运行过程中存在较高等电位，将导致金属管线、设施设备之间发生打火、放电现象，连同泄漏的杂散电流共同作用于轨限位装置，造成装置异常动作或长时间接地等问题，影响地铁列车安全可靠运行[1]。

1.2残余电压

现阶段轨道交通常选用1500V直流电源供电，在接触网运行状态下测得残余电压在70～700V区间内，造成不同类型的残压事故。其中在针对直流馈线开关柜进行线路测试时，测得残压值为300V，随即通电后再次测试，倘若测得接触网残压值＞300V，则开关柜无法执行正常分、合闸操作，制约接触网正常供电；在接触网故障维修与维护环节，通过测量剩余电压值、对比验电器的起动电压，当实测值超出预警值后将切断电源，此外将接触网接挂地线易出现打火现象，导致设备及线缆被烧毁[2]。

2接触网系统优化及回流安全设计

2.1调整电缆连接方式

由于杂散电流多出现在车辆段配线处，为避免杂散电流威胁牵引供电系统的正常运行，针对出入段线、试车线处的走行轨以200m为间隔进行电缆并联设计，通过电缆转接箱焊接固定在走行轨上，借此降低轨电位与电位差，抑制泄漏电流的产生。

2.2单向导通装置改造

针对车辆段靠近绝缘接头设置的单向导通装置进行设计改良，引入自动控制理念使该装置在测定有列车经过动作导通，在无列车通过时保持断开状态。在装置设计上，在列车位置检测电路中设有位置传感器，主回路包含主回路开关、IGBT逆变桥、接触器等元件，分别与电动隔离开关、控制器连接。其运行原理为当列车运行至检测区域范围内，位置传感器将发出检测信号，控制单向导通装置启动；由主回路开关根据位置传感器的检测结果，判断列车所处的具体位置，执行导通或切断动作，控制走行轨在介于正线、车辆段间过渡区段的连通及绝缘效果。当列车在走行轨上经过绝缘节时，主回路开关的接触器处于闭合状态，使绝缘节前、后的走行轨形成回流通路，消除轨电位压差，借此防范走行轨上出现电弧光、打火等现象。

2.3回流轨牵引供电优化

2.3.1通用安装方案

为有效从源头抑制杂散电流泄漏问题，需针对走行轨的牵引回流方式进行优化设计，选用“T型汇流排+接触线”形式的接触网，将其绝缘安装在轨道梁两侧，形成两极牵引供电回路。在具体安装方案设计上，包含以下两种形式：其一是架空式接触网设计优化，在原牵引轨的基础上加装回流轨，维持原接触网供电方式，针对地下区间隧道、车辆段与地上区间分别设计为刚性、柔性悬挂安装方式，选取走行轨两侧进行回流轨的悬挂安装，并完成受流方式设计。其二是第三轨式接触网设计优化，在现有接触网结构中加装一个回流轨，形成四轨牵引供电系统，使第三、第四轨分别充当牵引轨和回流轨，以悬挂安装方式设置在走行轨的同侧合架上，并且在安装前测量净空等指标，依据同侧上、下顺序进行轨道安装，并利用绝缘块进行第三、四轨的夹持，上方设置绝缘防护罩，支持根据温度传感器检测结果控制轨道的伸缩动作及伸缩量。

2.3.2专用安装方案

将架空接触网与回流轨相结合，采用上部受流形式进行专用回流轨的安装，分别选择钢铝合金、异型钢铝合金两种材料进行正线、车辆段轨道制作，利用玻璃钢绝缘支架进行结构支撑，将走行轨与回流轨的平面间距控制在140mm左右，回流轨与邻近走行轨侧面的间距至少控制在700mm左，且允许误差不超过±5mm。待完成轨道绝缘安装后，调整两轨道平面使其保持平行状态。其中在正线上应选择线路外侧安装回流轨，在各锚段中部设有防爬器，利用膨胀接头完成各锚段的连接处理，并分别完成分段绝缘器、端部弯头等元件的设置，利用电动隔离开关将各站、各区间进行连接；在车辆段进行回流轨的安装，需在各分段分别设置接触网绝缘器，利用正负极隔离开关控制两极、实现开关导通/闭合的同步动作，在道岔部位选用电缆进行回流轨连接，经回流箱将电缆接入牵引系统中的负极柜内；在继电保护装置设计上，将单向导通装置设置在走行轨、回流轨中间部位，在回路中设有泄漏电流监测元件、并联接触器等，与牵引直流电源、接触网、线路断路器、专用回流轨、钢轨、轮对共同构成整体继电保护装置，保障回流通畅。

2.4接触网双重绝缘设计

现有接触网多采用单重绝缘方案，仍存在短路电流偏大、电位差大等问题，因此可选用一种双重绝缘设计方案，将双重绝缘器布设在接触网与支柱中间，并借助电缆使绝缘器与架空地线连接，将架空地线绝缘安装在地下，引至牵引变电室接地母排处；同时，在接地网系统中增设贯通地线，沿线路敷设范围内分别与各支柱及电气元件相连，最终引至变电所母排处。其中在双重绝缘器方案设计上，选用棒式绝缘子进行接触网与沿线支柱的连接，将绝缘结构划分为基础、辅助两部分，借助电缆分别连接沿水平、倾斜两个方向设置的绝缘子中点处，并连接架空地线，配合全线贯通式地线的设计及其与支柱及用电设备的连接，组成整体回路结构、发挥有效绝缘保护功能。

针对以上绝缘设计方案的运行原理进行分析，当接触网系统中绝缘器发生短路故障后，将使接触线、架空地线之间出现短接现象，导致相邻变电所的电位限制装置两端电压瞬时升高，当电压值超出预设动作阈值后，将使装置转为闭合状态，形成短路电流通路，进而触发断路器执行保护动作，用于将故障电流切断，使短路电流重新流至变电所负极。在此模式下，牵引供电系统接触网覆盖范围内的各支柱及设备等均接入地网，无短路电流通过，保证周围工作人员及设备安全。此外，为防范接触网运行过程中出现故障，需在施工环节做好螺栓连接部位的紧固与防滑处理，选用双螺母结构增强后续使用环节的防冲击效果，对连接电缆及接触线等采取物理隔离或化学镀膜等防护措施，在部件选型环节加强规格、质量、性能参数的把关，并且落实绝缘保护器等装置的养护措施，维护牵引供电系统接触网的安全稳定运行。

结论：通过整合检修作业与实际测试结果，采取优化电缆连接、改造现有装置、创新安装方案、加强绝缘设计等技术措施，用于降低接触网投入使用过程中产生的残余电压、抑制泄漏电流，借此最大限度排除影响牵引供电系统的不利因素，为城市轨道交通系统的安全稳定运行提供良好示范经验。

参考文献：

[1]武承晨.城市轨道交通供电系统中接触网技术性能和常见故障分析[J].中国设备工程,2020,(08):54-55.

[2]陈怀鑫,孙少南,陈敏,等.一种应用于城市轨道交通的双重绝缘接触网系统方案研究[J].电气化铁道,2020,(S01):146-149.