基于回流系统集中参数模型的地铁钢轨电位和杂散电流计算

　　摘 要：地铁直流供电及回流系统中存在钢轨对地电位和杂散电流。钢轨对地电位对人身和设备存在直接安全隐患，杂散电流对地铁钢结构形成比较严重的电蚀。文章以具有 OVPD 装置的直流供电及回流系统为例，建立回流网集中参数电气模型，通过 multisim 软件仿真，计算钢轨对地电位和杂散电流，总结钢轨对地电位和杂散电流规律，为排流柜投入运行、OVPD 保护电压设置等提供依据。

　　关键词：地铁;回流系统;集中参数;钢轨电位;杂散电流;OVPD、

　　地铁直流接触网(轨)供电系统采用钢轨回流，节约建设成本。钢轨本身的纵向电阻和钢轨对地的过渡电阻构成回流系统的一部分，产生钢轨对地电位和杂散电流。GB 50157-2013《地铁设计规范》[1]中规定直流牵引供电系统应为不接地系统，牵引变电所中的直流牵引供电设备必须绝缘安装，正常双边供电运行时，站台处走行轨对地电位不应大于120 V，车辆基地库线走行轨对地电位不应大于60 V。刘燕等[2]列举了严重杂散电流腐蚀危险，用微元法建立杂散电流分布的数学模型。陈超录等[3]提出限制钢轨对地电位的方法，计算出短路状态下钢轨电位限制装置(OVPD)晶闸管参数选取依据。本文旨在构建回流系统集中参数模型，基于multisim软件仿真，计算各工况下的钢轨电位和杂散电流数值，为排流柜投入运行、OVPD保护电压设置等提供依据。

　　1 地铁直流供电及回流系统

　　地铁直流供电及回流系统主要由牵引降压变压器、整流机组、接触网、直流馈线柜、排流柜、OVPD装置、回流钢轨、排流网、馈电线和回流线等组成。排流网用于收集杂散电流，OVPD装置用于限制钢轨对排流网的电位(对地电位)，确保设备和人身安全。地铁直流供电及回流系统如图1所示。

　　2 回流系统集中参数模型

　　2.1 基本假设

　　地铁接触网一般采用双边供电，供电臂長度通常为2 km。为了简化模型，现做如下假设：

　　(1)忽略接触网电阻;

　　(2)钢轨类型为60 kg/m;

　　(3)钢轨纵向电阻线性分布，忽略无缝钢轨接头的影响;

　　(4)钢轨各处对地的过渡电阻均匀等值。

　　2.2 回流系统微单元结构模型

　　根据CJJ 49-1992 《地铁杂散电流防护技术规程》中地铁走行轨回流系统要求，对于运行线路，取钢轨对地过渡电阻Rg = 3 Ω · km，60 kg/m规格的钢轨纵向电阻Rr = 0.015 3 Ω/km。

　　由于钢轨的纵向阻值与其长度成正比，过渡电阻阻值与钢轨长度成反比，因此，每50 m的钢轨纵向电阻R1 = 0.000 765 Ω;每100 m的钢轨对地过渡电阻R2 = 30 Ω。以每100 m钢轨长度划分为1 个回流系统微单元，构建每100 m集中参数下的回流系统微单元结构模型，如图2所示。

　　2.3 单供电臂回流网集中参数电气模型

　　单边供电是双边供电的基础，基于回流系统微单元模型，构建长度为2 km的单供电臂回流网集中参数电气模型，如图3所示。设一维坐标原点在钢轨0 m处，坐标轴方向向右。

　　3 回流系统集中参数仿真模型

　　某城市4动2拖编组B型电客车，直流供电额定电压为1 500 V，定员载荷工况。OVPD设置在车站(车辆段)，距离原点1 850 m处。不考虑列车运行时电流实时动态变化，假定列车从接触网取流为一段时间内的平均值，等效为一直流恒流源。查阅电客车牵引制动特性曲线，确定在牵引工况下受电弓取流IS = 2 800 A，制动工况下受电弓回流IS = 3 500 A，牵引负荷等效为直流电流源，并假定牵引工况取流为参考正方向，制动工况回流为反方向。利用multisim软件，建立回流系统集中参数仿真模型，如图4所示。利用万用表测试接地点G到V1、V2…直至V22点对地电位，利用电流探针测试排流网各处电流(I1～I19)。

　　4 仿真结果

　　4.1 工况 1：排流网未投入运行

　　正常工况下，排流网不投入运行，用multisim软件仿真测试V1～V22各点对G点电位和I1～I19各条支路杂散电流，钢轨电位分布如图5所示，杂散电流分布如图6所示。钢轨电位和杂散电流具有如下规律：

　　(1)钢轨各处对地电位呈线性规律，杂散电流呈抛物线规律;

　　(2)坐标原点处，钢轨对地电位为41.93 V和-52.413 V，坐标1 000 m处杂散电流为6.99 A和-8.73 A;

　　(3)坐标1 000 m处钢轨对地电位最低，接近0 V;

　　(4)制动工况下钢轨最高电位绝对值比牵引工况下钢轨最高电位高。

　　4.2 工况 2：排流网投入运行

　　由于列车大多数时间运行在牵引工况，为简化问题，本文只讨论牵引工况下排流网投入运行情况，即排流网作用结果相当于图4中A点和B点短接。用multisim软件仿真测试各点在牵引工况下钢轨对地电位和杂散电流，结果分别如图7和图8所示。钢轨电位和杂散电流具有如下规律：

　　(1)钢轨各处对地电位呈线性规律，杂散电流呈抛物线规律;

　　(2)坐标原点处钢轨对地电位最高，为83.445 V，杂散电流为0 A;

　　(3)坐标2 000 m处钢轨对地电位为0 V，杂散电流最大为27.7 A;

　　(4)排流网投入运行时钢轨对地电位最大值增加，杂散电流最大值增加。

　　4.3 工况 3：OVPD 装置动作

　　根据钢轨对地电位高低，OVPD装置动作。当车站钢轨对地电位超过120 V(车辆段钢轨对地电位超过60 V)时，OVPD装置接触器触点与地短接，相当于图 4中V19点与G点短接。此时钢轨各点电位和杂散电流如图9和图10所示。钢轨电位和杂散电流。

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