地鐵接觸網異常電壓分析

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摘要：廣州地鐵接觸網采用直流1500V供電方式，車輛段停車庫采用柔性接觸網用以給電客車供電。為保證供電靈活及方便檢修，停車庫接觸網采用單股道隔離開關控制停送電方式，庫內外接觸網采用分段絕緣器作為絕緣間隔。某車輛段自2017年投用以來，接觸網作業(yè)人員多次發(fā)現在停車庫內有某條股道接觸網帶電時，其相鄰幾條股道接觸網在停電之后依然存在數百伏至上千伏不等的異常電壓，且長時間無法消除，給供電接觸網檢修帶來嚴重的安全風險。基于此問題，文章深入分析了該異常電壓產生的原因，并提出解決措施。

關鍵詞：地鐵；接觸網；異常電壓

廣州地鐵某車輛段2017年投用以來，接觸網作業(yè)人員在股道接觸網停電檢修時發(fā)現，在停車庫內有股道不停電的情況下，其余股道在停電后依然會帶有數百伏電壓，峰值達到上千伏，且長時間下降緩慢，不能消除，給接觸網的停電作業(yè)檢修帶來嚴重的安全隱患。

1異常電壓分析

經檢查，相應股道隔離開關均已斷開，排除開關漏斷的可能性。在庫外接觸網帶電的情況下，斷開所有股道隔離開關，庫內接觸網無電，排除股道分段絕緣器絕緣下降的可能性。將股道隔離開關全部斷開，且接地刀閘不接觸的情況下，在庫內對某一條股道加壓2500V，其相鄰幾條股道均發(fā)現帶有異常高電壓情況，經測試，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帶有異常高電壓，其原因主要有以下三種：（1）接觸網殘壓。由于接觸網股道間絕緣部件性能下降，無法完全阻隔帶電設備與停電設備，導致在停電股道接觸網上存在殘壓。（2）感應電壓。單條股道停電，相鄰股道不停電正常運行時，帶電運行的接觸網通過容性耦合在相鄰停電的接觸網上產生感應電壓。（3）電阻分壓。接觸網的布置方式，在停車庫內通過結構框架、股道間設置橫向固定繩，采用絕緣子作為股道間絕緣隔離的元件，接觸網股道與股道間、接觸網股道與框架結構間均存在絕緣電阻。把帶電股道接觸網看成一個有源節(jié)點后，其他股道接觸網作為回路上的節(jié)點，根據基爾霍夫定律，每一個節(jié)點上根據電阻值大小都會存在一定的電壓。針對原因（1），經測試，只要在停車庫9-13道任一股道加壓，其余四條股道均會測出對應接觸網帶有高低不等的電壓。同理在14-18道亦然。檢查絕緣部件無發(fā)現裂紋、絕緣下降情況，且若是單一絕緣部件的絕緣性能下降，不會導致幾條股道均出現同類現象?；究梢耘懦冢?）種原因。針對原因（2），根據理論計算[1]，處于接觸網靜電感應范圍內的金屬導線上的靜電感應電壓的通用計算公式為：Ut=K×bca2+b2+c2×Uj式中，Ut為處于接觸網靜電感應范圍內的金屬導線上的靜電感應電壓，Uj為接觸網網壓，a為接觸網與金屬導線的水平距離，b為接觸網對地的平均距離，c為金屬導線的對地高度，K為計算系數。一般情況下，計算系數K在單線區(qū)段取為0.4，在復線區(qū)段取為0.6，簡單懸掛計算系數取為0.263。停車庫接觸網為簡單懸掛方式，根據現場測量接觸網實際情況，取a=3.4m，b=4.8m，c=4.8m，Uj=2500V，K=0.263，則通過公式計算得出相鄰股道的感應電壓Ut=262.8V。而現場實際測量在股道接觸網加壓2500V時，相鄰股道接觸網電壓高達2300V以上，遠遠超過計算所得的感應電壓理論值，證實感應電壓并非異常高電壓產生的主因。針對原因（3），車輛段停車庫接觸網為L-9道到L-18道，共計10條股道。由3個供電分區(qū)進行供電，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道接觸網作為一個橫跨用橫向固定繩進行連接，L-14道到L-18道接觸網作為一個橫跨用橫向固定繩進行連接，股道間接觸網采用絕緣子作為絕緣間隔。為簡化分析，把每一個絕緣子等效為一個理想電阻，其等效電阻分壓模型如圖1所示。由于接觸網絕緣子的絕緣電阻（兆歐級）遠大于接觸線線路電阻和鋼軌對地電阻（微歐級），因此后兩者的電阻值可以在等效電阻計算中忽略不計。根據基爾霍夫定律，當在L-9道加壓U9時，則L-10道的電壓U10=R10R9/10+R10×U9。即L-10道的電壓由10道的對地絕緣電阻值以及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道的電壓可以達到L-9道電壓的約一半。如果股道間絕緣電阻遠大于股道對地絕緣電阻，則L-10道的電壓會遠小于L-9道電壓。如果股道間絕緣電阻遠小于股道對地絕緣電阻，則L-10道電壓會近似等于L-9道電壓。

2異常電壓測試

為驗證實際現場股道間絕緣電阻對接觸網電壓分布的影響，將接觸網停車庫所有股道隔離開關斷開，同時斷開接地刀閘，并逐個對單股道接觸網進行絕緣及加壓測試。經測試得知，直接測量同橫跨各股道間接觸網絕緣電阻約為1-2MΩ左右，在L-13道和L-14道之間，因相隔網架結構支柱，不屬于同一橫跨，絕緣電阻測試達287MΩ。當對單股道加載2500V電壓時，隨著股道相距越來越遠，相隔的絕緣子數量越來越多，各股道電壓呈現逐漸下降的趨勢，符合絕緣電阻分壓模型。當越過網架結構柱后，絕緣電阻分壓全部消失（網架結構柱相鄰兩股道間絕緣電阻大于股道對地絕緣電阻）。然而，當對某一股道加壓時，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，造成此情況的原因為股道間絕緣電阻遠小于該股道對地的絕緣電阻。

3仿真分析

為進一步分析接觸網絕緣電阻匹配關系對停電時接觸網懸空狀態(tài)（既不是帶電狀態(tài)也不是接地狀態(tài)）下的接觸網電壓分布，針對NSD5、NSD6區(qū)所在上蓋網架（L-9道~L-13道）接觸網電壓分布情況進行仿真分析。當所有絕緣電阻均理想化為1GΩ，對NSD5區(qū)（L-9道~L-11道）設置2500V電壓時，L-12道（NSD6區(qū)）接觸網電壓約為666V，L-13道（NSD6區(qū)）接觸網電壓約為166V，如圖2所示。當股道間絕緣電阻為0.1GΩ，股道對地絕緣電阻為1GΩ，對NSD5區(qū)（L-9道~L-11道）設置2500V電壓時，L-12道（NSD6區(qū)）網壓約為1432V，L-13道（NSD6區(qū)）網壓約為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地絕緣電阻的匹配關系直接影響停電時接觸網懸空狀態(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，使其相對于股道對地絕緣電阻要越大越好。針對以上測試發(fā)現的問題，組織對庫內股道間絕緣子進行全面更換，更換備件絕緣子的絕緣電阻均為10GΩ以上。更換絕緣子后，重新測試股道間絕緣電阻平均達到100MΩ以上，較更換前大幅提高。重新進行加壓2500V測試，發(fā)現相鄰股道的電壓大幅降低，數值降到500V以下，大大降低了作業(yè)安全風險。

4結束語

自發(fā)現車輛段場異常電位問題開始，根據停車庫接觸網現場實際布置情況，建立接觸網的絕緣電阻分壓模型并仿真分析，歷時4個月多次現場測試停車庫接觸網現有布置方式的絕緣電阻對接觸網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在停電后不掛設地線而同一橫跨內其余股道正常供電時，其電壓分布是由接觸網系統(tǒng)內絕緣電阻分壓比例關系決定，是采用絕緣子絕緣間隔的接觸網固有特性。當出現相鄰股道不停電時，接觸網絕緣電阻匹配關系引起的殘壓現象不可避免，這種情況對車輛段停車庫影響尤為顯著。為降低此影響，在停車庫股道設計安裝階段必須考慮絕緣電阻的匹配情況，盡量確保接觸網股道間絕緣電阻遠大于股道接觸網對地絕緣電阻。在接觸網工程驗收階段，要對接觸網進行絕緣測試，在絕緣電阻滿足標準的條件下，保證股道間絕緣電阻不小于股道對地絕緣電阻。

參考文獻：

[1]董昭德，李嵐．接觸網工程與設計[M]．北京：科學出版社，2014．

作者:林明磊 任振強 單位:廣州地鐵集團有限公司