基于回流系統集中參數模型的地鐵鋼軌電位和雜散電流計算

　　摘 要：地鐵直流供電及回流系統中存在鋼軌對地電位和雜散電流。鋼軌對地電位對人身和設備存在直接安全隱患，雜散電流對地鐵鋼結構形成比較嚴重的電蝕。文章以具有 OVPD 裝置的直流供電及回流系統為例，建立回流網集中參數電氣模型，通過 multisim 軟件仿真，計算鋼軌對地電位和雜散電流，總結鋼軌對地電位和雜散電流規律，為排流柜投入運行、OVPD 保護電壓設置等提供依據。

　　關鍵詞：地鐵;回流系統;集中參數;鋼軌電位;雜散電流;OVPD、

　　地鐵直流接觸網(軌)供電系統采用鋼軌回流，節約建設成本。鋼軌本身的縱向電阻和鋼軌對地的過渡電阻構成回流系統的一部分，產生鋼軌對地電位和雜散電流。GB 50157-2013《地鐵設計規范》[1]中規定直流牽引供電系統應為不接地系統，牽引變電所中的直流牽引供電設備必須絕緣安裝，正常雙邊供電運行時，站臺處走行軌對地電位不應大于120 V，車輛基地庫線走行軌對地電位不應大于60 V。劉燕等[2]列舉了嚴重雜散電流腐蝕危險，用微元法建立雜散電流分布的數學模型。陳超錄等[3]提出限制鋼軌對地電位的方法，計算出短路狀態下鋼軌電位限制裝置(OVPD)晶閘管參數選取依據。本文旨在構建回流系統集中參數模型，基于multisim軟件仿真，計算各工況下的鋼軌電位和雜散電流數值，為排流柜投入運行、OVPD保護電壓設置等提供依據。

　　1 地鐵直流供電及回流系統

　　地鐵直流供電及回流系統主要由牽引降壓變壓器、整流機組、接觸網、直流饋線柜、排流柜、OVPD裝置、回流鋼軌、排流網、饋電線和回流線等組成。排流網用于收集雜散電流，OVPD裝置用于限制鋼軌對排流網的電位(對地電位)，確保設備和人身安全。地鐵直流供電及回流系統如圖1所示。

　　2 回流系統集中參數模型

　　2.1 基本假設

　　地鐵接觸網一般采用雙邊供電，供電臂長度通常為2 km。為了簡化模型，現做如下假設：

　　(1)忽略接觸網電阻;

　　(2)鋼軌類型為60 kg/m;

　　(3)鋼軌縱向電阻線性分布，忽略無縫鋼軌接頭的影響;

　　(4)鋼軌各處對地的過渡電阻均勻等值。

　　2.2 回流系統微單元結構模型

　　根據CJJ 49-1992 《地鐵雜散電流防護技術規程》中地鐵走行軌回流系統要求，對于運行線路，取鋼軌對地過渡電阻Rg = 3 Ω · km，60 kg/m規格的鋼軌縱向電阻Rr = 0.015 3 Ω/km。

　　由于鋼軌的縱向阻值與其長度成正比，過渡電阻阻值與鋼軌長度成反比，因此，每50 m的鋼軌縱向電阻R1 = 0.000 765 Ω;每100 m的鋼軌對地過渡電阻R2 = 30 Ω。以每100 m鋼軌長度劃分為1 個回流系統微單元，構建每100 m集中參數下的回流系統微單元結構模型，如圖2所示。

　　2.3 單供電臂回流網集中參數電氣模型

　　單邊供電是雙邊供電的基礎，基于回流系統微單元模型，構建長度為2 km的單供電臂回流網集中參數電氣模型，如圖3所示。設一維坐標原點在鋼軌0 m處，坐標軸方向向右。

　　3 回流系統集中參數仿真模型

　　某城市4動2拖編組B型電客車，直流供電額定電壓為1 500 V，定員載荷工況。OVPD設置在車站(車輛段)，距離原點1 850 m處。不考慮列車運行時電流實時動態變化，假定列車從接觸網取流為一段時間內的平均值，等效為一直流恒流源。查閱電客車牽引制動特性曲線，確定在牽引工況下受電弓取流IS = 2 800 A，制動工況下受電弓回流IS = 3 500 A，牽引負荷等效為直流電流源，并假定牽引工況取流為參考正方向，制動工況回流為反方向。利用multisim軟件，建立回流系統集中參數仿真模型，如圖4所示。利用萬用表測試接地點G到V1、V2…直至V22點對地電位，利用電流探針測試排流網各處電流(I1～I19)。

　　4 仿真結果

　　4.1 工況 1：排流網未投入運行

　　正常工況下，排流網不投入運行，用multisim軟件仿真測試V1～V22各點對G點電位和I1～I19各條支路雜散電流，鋼軌電位分布如圖5所示，雜散電流分布如圖6所示。鋼軌電位和雜散電流具有如下規律：

　　(1)鋼軌各處對地電位呈線性規律，雜散電流呈拋物線規律;

　　(2)坐標原點處，鋼軌對地電位為41.93 V和-52.413 V，坐標1 000 m處雜散電流為6.99 A和-8.73 A;

　　(3)坐標1 000 m處鋼軌對地電位最低，接近0 V;

　　(4)制動工況下鋼軌最高電位絕對值比牽引工況下鋼軌最高電位高。

　　4.2 工況 2：排流網投入運行

　　由于列車大多數時間運行在牽引工況，為簡化問題，本文只討論牽引工況下排流網投入運行情況，即排流網作用結果相當于圖4中A點和B點短接。用multisim軟件仿真測試各點在牽引工況下鋼軌對地電位和雜散電流，結果分別如圖7和圖8所示。鋼軌電位和雜散電流具有如下規律：

　　(1)鋼軌各處對地電位呈線性規律，雜散電流呈拋物線規律;

　　(2)坐標原點處鋼軌對地電位最高，為83.445 V，雜散電流為0 A;

　　(3)坐標2 000 m處鋼軌對地電位為0 V，雜散電流最大為27.7 A;

　　(4)排流網投入運行時鋼軌對地電位最大值增加，雜散電流最大值增加。

　　4.3 工況 3：OVPD 裝置動作

　　根據鋼軌對地電位高低，OVPD裝置動作。當車站鋼軌對地電位超過120 V(車輛段鋼軌對地電位超過60 V)時，OVPD裝置接觸器觸點與地短接，相當于圖 4中V19點與G點短接。此時鋼軌各點電位和雜散電流如圖9和圖10所示。鋼軌電位和雜散電流。

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