摘要：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，北京、上海、广州、陕西等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。
关键词：地铁牵引；供电回流系统；主要问题
一、直流牵引供电回流系统主要特点
地铁供电网络一般采用10kV和35kV等级供电网络，直流系统主要采用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；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。
二、直流回流系统运行中出现的问题
问题1：EN50122-1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。
问题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。
问题3：OVPD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。
问题4：OVPD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。
三、回流系统相关问题主因分析
1、轨电位升高或超标原因
走行轨－埋地排流网－大地的电阻分布网络图如图1所示。将轨回流及杂散电流区域等效为图1的电阻分布网络，对应钢轨的不同位置x，可计算相应钢轨电位u（x）、钢轨泄漏到地下的杂散电流is（x）、轨道和埋地金属结构间跨接电流iq（x）等。回流系统各计算用参数名称、表示及单位如表1所示。
图1走行轨－埋地排流网－大地的电阻分布网络图
表1回流系统各计算用参数名称、表示及单位
将文献［1］数学模型及相关公式适当简化，并令则
（1）
（2）
式（1）、式（2）表明，计算中Rg1可忽略，假定车距变电所最远距离L=4km，轨对地过渡电阻Rg=15Ω·km，收集网电阻Rr=0.05Ω·km。
（1）机车电流I=3000A时，按式（1）取不同的钢轨电阻计算钢轨电位。轨道电阻0.0133Ω·km－1
时轨电位如图2所示。轨道电阻实测0.019Ω·km－1时轨电位如图3所示。
图2轨道电阻0.0133Ω·km－1时轨电位
图3轨道电阻实测0.019Ω·km－1时轨电位
（2）机车电流I=3500A时，按式（1）取不同的钢轨电阻计算钢轨电位。轨道电阻0.0133Ω·km－1时轨电位如图4所示。轨道电阻实测0.019Ω·km－1时轨电位如图5所示。
图4轨道电阻0.0133Ω·km－1时轨电位
图5轨道电阻实测0.019Ω·km－1时轨电位
由图2～图5可见，机车电流越大，轨电位越高，这与行车组织和车辆类型有关；轨道内阻越大，轨电位越高，这与长轨的焊接、线缆与轨及回流系统设备各连接点的牢靠程度相关；牵引所之间距离越大，越不利于降低轨电位，双边供电比单边供电时轨电位上升幅度大，这与运行方式有关。
2、杂散电流增大原因分析
假定车距牵引所L=4km，轨对地过渡电阻Rg=15Ω·km，收集网电阻Rr=0.05Ω·km－1，机车电流取3500A，钢轨电阻Rs=0.019Ω·km－1（65kg单轨一般为0.026Ω·km－1，实测值单轨为0.038Ω/km，因均流电缆及机车将双轨并联后应减半），排流网电阻Rr按前述取值，按机车位置距变电所最远距离L=4km且起动电流I=3500A，按式（2）取过渡电阻Rg分别为15Ω·km和0.02Ω·km时，计算各x处is（x），如图6、图7所示。
图6过渡电阻15Ω·km时杂散电流
图7过渡电阻0.02Ω·km时杂散电流
计算结果说明，轨对地过渡电阻大小成为杂散电流扩散的主因。轨通过绝缘垫与道床衔接，但隧道内异常潮湿的环境甚至积水，还有污秽及绝缘失效等也是原因。轨电位升高及机车取流较大，使得轨电位升高与杂散电流扩散互相交织而形成恶性循环。
四、应对措施
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。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。
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。
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。
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。
结束语
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；
（3）加强对接触网短路及OVPD等设备故障的判断和轨对地的绝缘措施，采用新工艺保持回流通路通畅，采取防止OVPD操作过电压措施，采用通过逻辑控制和加强监测等方式避免OVPD与排流柜的动作问题；
（4）钢轨电位计算，要有足够的余量应对实际运行图的不确定因素；
（5）线路开通后运营过程中应定期对走行轨进行维护清扫，保持钢轨对地绝缘的有效性；
（6）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；
（7）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；
（8）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：
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［2］李国欣，吴培林，裴文龙.钢轨电位与杂散电流综合抑制研究［J］.城市轨道交通研究，2017，12（4）：56-62.
［3］陈民武，赵鑫，丁大鹏，等.城市轨道交通供电系统钢轨电位限制装置操作过电压研究［J］.中国铁道科学，2017，38（6）：94-99.
论文作者:张瑞魁
论文发表刊物:《基层建设》2019年第10期
论文发表时间:2019/7/3
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