地鐵接觸網(wǎng)異常電壓分析
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摘要：廣州地鐵接觸網(wǎng)采用直流1500V供電方式，車輛段停車庫(kù)采用柔性接觸網(wǎng)用以給電客車供電。為保證供電靈活及方便檢修，停車庫(kù)接觸網(wǎng)采用單股道隔離開關(guān)控制停送電方式，庫(kù)內(nèi)外接觸網(wǎng)采用分段絕緣器作為絕緣間隔。某車輛段自2017年投用以來，接觸網(wǎng)作業(yè)人員多次發(fā)現(xiàn)在停車庫(kù)內(nèi)有某條股道接觸網(wǎng)帶電時(shí)，其相鄰幾條股道接觸網(wǎng)在停電之后依然存在數(shù)百伏至上千伏不等的異常電壓，且長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法消除，給供電接觸網(wǎng)檢修帶來嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。基于此問題，文章深入分析了該異常電壓產(chǎn)生的原因，并提出解決措施。
關(guān)鍵詞：地鐵；接觸網(wǎng)；異常電壓
廣州地鐵某車輛段2017年投用以來，接觸網(wǎng)作業(yè)人員在股道接觸網(wǎng)停電檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，在停車庫(kù)內(nèi)有股道不停電的情況下，其余股道在停電后依然會(huì)帶有數(shù)百伏電壓，峰值達(dá)到上千伏，且長(zhǎng)時(shí)間下降緩慢，不能消除，給接觸網(wǎng)的停電作業(yè)檢修帶來嚴(yán)重的安全隱患。
1異常電壓分析
經(jīng)檢查，相應(yīng)股道隔離開關(guān)均已斷開，排除開關(guān)漏斷的可能性。在庫(kù)外接觸網(wǎng)帶電的情況下，斷開所有股道隔離開關(guān)，庫(kù)內(nèi)接觸網(wǎng)無(wú)電，排除股道分段絕緣器絕緣下降的可能性。將股道隔離開關(guān)全部斷開，且接地刀閘不接觸的情況下，在庫(kù)內(nèi)對(duì)某一條股道加壓2500V，其相鄰幾條股道均發(fā)現(xiàn)帶有異常高電壓情況，經(jīng)測(cè)試，電壓從1800V-2300V不等。在單股道帶電的情況下，其余股道在停電后依然會(huì)帶有異常高電壓，其原因主要有以下三種：（1）接觸網(wǎng)殘壓。由于接觸網(wǎng)股道間絕緣部件性能下降，無(wú)法完全阻隔帶電設(shè)備與停電設(shè)備，導(dǎo)致在停電股道接觸網(wǎng)上存在殘壓。（2）感應(yīng)電壓。單條股道停電，相鄰股道不停電正常運(yùn)行時(shí)，帶電運(yùn)行的接觸網(wǎng)通過容性耦合在相鄰?fù)ｋ姷慕佑|網(wǎng)上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。（3）電阻分壓。接觸網(wǎng)的布置方式，在停車庫(kù)內(nèi)通過結(jié)構(gòu)框架、股道間設(shè)置橫向固定繩，采用絕緣子作為股道間絕緣隔離的元件，接觸網(wǎng)股道與股道間、接觸網(wǎng)股道與框架結(jié)構(gòu)間均存在絕緣電阻。把帶電股道接觸網(wǎng)看成一個(gè)有源節(jié)點(diǎn)后，其他股道接觸網(wǎng)作為回路上的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)基爾霍夫定律，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上根據(jù)電阻值大小都會(huì)存在一定的電壓。針對(duì)原因（1），經(jīng)測(cè)試，只要在停車庫(kù)9-13道任一股道加壓，其余四條股道均會(huì)測(cè)出對(duì)應(yīng)接觸網(wǎng)帶有高低不等的電壓。同理在14-18道亦然。檢查絕緣部件無(wú)發(fā)現(xiàn)裂紋、絕緣下降情況，且若是單一絕緣部件的絕緣性能下降，不會(huì)導(dǎo)致幾條股道均出現(xiàn)同類現(xiàn)象?；究梢耘懦冢?）種原因。針對(duì)原因（2），根據(jù)理論計(jì)算[1]，處于接觸網(wǎng)靜電感應(yīng)范圍內(nèi)的金屬導(dǎo)線上的靜電感應(yīng)電壓的通用計(jì)算公式為：Ut=K×bca2+b2+c2×Uj式中，Ut為處于接觸網(wǎng)靜電感應(yīng)范圍內(nèi)的金屬導(dǎo)線上的靜電感應(yīng)電壓，Uj為接觸網(wǎng)網(wǎng)壓，a為接觸網(wǎng)與金屬導(dǎo)線的水平距離，b為接觸網(wǎng)對(duì)地的平均距離，c為金屬導(dǎo)線的對(duì)地高度，K為計(jì)算系數(shù)。一般情況下，計(jì)算系數(shù)K在單線區(qū)段取為0.4，在復(fù)線區(qū)段取為0.6，簡(jiǎn)單懸掛計(jì)算系數(shù)取為0.263。停車庫(kù)接觸網(wǎng)為簡(jiǎn)單懸掛方式，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量接觸網(wǎng)實(shí)際情況，取a=3.4m，b=4.8m，c=4.8m，Uj=2500V，K=0.263，則通過公式計(jì)算得出相鄰股道的感應(yīng)電壓Ut=262.8V。而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量在股道接觸網(wǎng)加壓2500V時(shí)，相鄰股道接觸網(wǎng)電壓高達(dá)2300V以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過計(jì)算所得的感應(yīng)電壓理論值，證實(shí)感應(yīng)電壓并非異常高電壓產(chǎn)生的主因。針對(duì)原因（3），車輛段停車庫(kù)接觸網(wǎng)為L(zhǎng)-9道到L-18道，共計(jì)10條股道。由3個(gè)供電分區(qū)進(jìn)行供電，L-9道到L-11道由NSD5區(qū)供電，L-12道到L-16道由NSD6區(qū)供電，L-17道、L-18道由NSD7區(qū)供電。其中L-9道到L-13道接觸網(wǎng)作為一個(gè)橫跨用橫向固定繩進(jìn)行連接，L-14道到L-18道接觸網(wǎng)作為一個(gè)橫跨用橫向固定繩進(jìn)行連接，股道間接觸網(wǎng)采用絕緣子作為絕緣間隔。為簡(jiǎn)化分析，把每一個(gè)絕緣子等效為一個(gè)理想電阻，其等效電阻分壓模型如圖1所示。由于接觸網(wǎng)絕緣子的絕緣電阻（兆歐級(jí)）遠(yuǎn)大于接觸線線路電阻和鋼軌對(duì)地電阻（微歐級(jí)），因此后兩者的電阻值可以在等效電阻計(jì)算中忽略不計(jì)。根據(jù)基爾霍夫定律，當(dāng)在L-9道加壓U9時(shí)，則L-10道的電壓U10=R10R9/10+R10×U9。即L-10道的電壓由10道的對(duì)地絕緣電阻值以及L-9道與L-10道間的絕緣電阻值共同決定，如果兩者相差不大，則理論上L-10道的電壓可以達(dá)到L-9道電壓的約一半。如果股道間絕緣電阻遠(yuǎn)大于股道對(duì)地絕緣電阻，則L-10道的電壓會(huì)遠(yuǎn)小于L-9道電壓。如果股道間絕緣電阻遠(yuǎn)小于股道對(duì)地絕緣電阻，則L-10道電壓會(huì)近似等于L-9道電壓。
2異常電壓測(cè)試
為驗(yàn)證實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)股道間絕緣電阻對(duì)接觸網(wǎng)電壓分布的影響，將接觸網(wǎng)停車庫(kù)所有股道隔離開關(guān)斷開，同時(shí)斷開接地刀閘，并逐個(gè)對(duì)單股道接觸網(wǎng)進(jìn)行絕緣及加壓測(cè)試。經(jīng)測(cè)試得知，直接測(cè)量同橫跨各股道間接觸網(wǎng)絕緣電阻約為1-2MΩ左右，在L-13道和L-14道之間，因相隔網(wǎng)架結(jié)構(gòu)支柱，不屬于同一橫跨，絕緣電阻測(cè)試達(dá)287MΩ。當(dāng)對(duì)單股道加載2500V電壓時(shí)，隨著股道相距越來越遠(yuǎn)，相隔的絕緣子數(shù)量越來越多，各股道電壓呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，符合絕緣電阻分壓模型。當(dāng)越過網(wǎng)架結(jié)構(gòu)柱后，絕緣電阻分壓全部消失（網(wǎng)架結(jié)構(gòu)柱相鄰兩股道間絕緣電阻大于股道對(duì)地絕緣電阻）。然而，當(dāng)對(duì)某一股道加壓時(shí)，相鄰股道的絕緣電阻分壓均超過2000V，按照絕緣電阻分壓模型，造成此情況的原因?yàn)楣傻篱g絕緣電阻遠(yuǎn)小于該股道對(duì)地的絕緣電阻。
3仿真分析
為進(jìn)一步分析接觸網(wǎng)絕緣電阻匹配關(guān)系對(duì)停電時(shí)接觸網(wǎng)懸空狀態(tài)（既不是帶電狀態(tài)也不是接地狀態(tài)）下的接觸網(wǎng)電壓分布，針對(duì)NSD5、NSD6區(qū)所在上蓋網(wǎng)架（L-9道~L-13道）接觸網(wǎng)電壓分布情況進(jìn)行仿真分析。當(dāng)所有絕緣電阻均理想化為1GΩ，對(duì)NSD5區(qū)（L-9道~L-11道）設(shè)置2500V電壓時(shí)，L-12道（NSD6區(qū)）接觸網(wǎng)電壓約為666V，L-13道（NSD6區(qū)）接觸網(wǎng)電壓約為166V，如圖2所示。當(dāng)股道間絕緣電阻為0.1GΩ，股道對(duì)地絕緣電阻為1GΩ，對(duì)NSD5區(qū)（L-9道~L-11道）設(shè)置2500V電壓時(shí)，L-12道（NSD6區(qū)）網(wǎng)壓約為1432V，L-13道（NSD6區(qū)）網(wǎng)壓約為651V，如圖3所示。通過以上仿真分析，顯然，股道間絕緣電阻與股道對(duì)地絕緣電阻的匹配關(guān)系直接影響停電時(shí)接觸網(wǎng)懸空狀態(tài)（既不是帶電狀態(tài)也不是接地狀態(tài)）下的接觸網(wǎng)電壓分布。如果想要降低電阻分壓的影響，則需要增大股道間絕緣電阻值，使其相對(duì)于股道對(duì)地絕緣電阻要越大越好。針對(duì)以上測(cè)試發(fā)現(xiàn)的問題，組織對(duì)庫(kù)內(nèi)股道間絕緣子進(jìn)行全面更換，更換備件絕緣子的絕緣電阻均為10GΩ以上。更換絕緣子后，重新測(cè)試股道間絕緣電阻平均達(dá)到100MΩ以上，較更換前大幅提高。重新進(jìn)行加壓2500V測(cè)試，發(fā)現(xiàn)相鄰股道的電壓大幅降低，數(shù)值降到500V以下，大大降低了作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)。
4結(jié)束語(yǔ)
自發(fā)現(xiàn)車輛段場(chǎng)異常電位問題開始，根據(jù)停車庫(kù)接觸網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布置情況，建立接觸網(wǎng)的絕緣電阻分壓模型并仿真分析，歷時(shí)4個(gè)月多次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試停車庫(kù)接觸網(wǎng)現(xiàn)有布置方式的絕緣電阻對(duì)接觸網(wǎng)停電后電壓分布的影響，并通過更換股道間絕緣子改善了異常電位問題。充分說明單股道接觸網(wǎng)在停電后不掛設(shè)地線而同一橫跨內(nèi)其余股道正常供電時(shí)，其電壓分布是由接觸網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)絕緣電阻分壓比例關(guān)系決定，是采用絕緣子絕緣間隔的接觸網(wǎng)固有特性。當(dāng)出現(xiàn)相鄰股道不停電時(shí)，接觸網(wǎng)絕緣電阻匹配關(guān)系引起的殘壓現(xiàn)象不可避免，這種情況對(duì)車輛段停車庫(kù)影響尤為顯著。為降低此影響，在停車庫(kù)股道設(shè)計(jì)安裝階段必須考慮絕緣電阻的匹配情況，盡量確保接觸網(wǎng)股道間絕緣電阻遠(yuǎn)大于股道接觸網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻。在接觸網(wǎng)工程驗(yàn)收階段，要對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行絕緣測(cè)試，在絕緣電阻滿足標(biāo)準(zhǔn)的條件下，保證股道間絕緣電阻不小于股道對(duì)地絕緣電阻。
參考文獻(xiàn)：
[1]董昭德，李嵐．接觸網(wǎng)工程與設(shè)計(jì)[M]．北京：科學(xué)出版社，2014．
作者:林明磊 任振強(qiáng) 單位:廣州地鐵集團(tuán)有限公司
