地铁直流供电接触轨残压检测及机理研究

李 欢



地铁直流供电接触轨残压检测及机理研究

李 欢

（武汉地铁集团有限公司，武汉 430070）

针对城市轨道交通直流牵引供电系统的接触轨停电后停电作业区域产生的接触轨残压，导致现场停电检修无法正常开展，以及送电时因残压值较高线路测试通不过，无法恢复接触轨送电的现象，对接触轨残压进行实地测试，通过录波、数据分析，提出并验证了接触轨线间电容和线路长度对接触轨残压和线路测试的影响，为地铁运营公司和设计院改进PSCADA系统遥调合闸时序和提高直流开关综合保护装置线路测试中的接触轨残压值提供了依据。

直流牵引供电系统 线路测试 线间电容和线路长度 接触轨残压

0 引言

近年来，国内开通的多条地铁线路，发生过多次送电时因残压值较高线路测试无法通过的情况，尤其是在接触轨线路较长的区间混合所和停车场车辆段。残压对牵引供电设备的危害主要有两点：其一、接触轨残压造成检修作业无法正常开展，检修人员的安全性得不到保障；其二、残压对接触轨恢复送电及时性的影响。文献［4］提出了接触网残压可能是由于分段绝缘器、接触网绝缘子受外界影响绝缘下降，相邻供电分区中，供电分区对停电分区存在静电感应等原因造成。文献［5］提出了接触网残压是由接触网系统内绝缘电阻分压比例关系决定的，主要影响环境变化较大的车辆段和停车场。以上探讨从接触网绝缘角度出发，对地铁建设和设备改进提出了提高分段绝缘器两端绝缘电阻、保证安全对地电阻前提下降低发生残压区段接触网的对地绝缘电阻等宝贵意见。

鉴于接触网系统无左右邻站接触网间的绝缘锚关节部分，本文从供电线路（包括：电缆和接触网/轨）自身的感生电容角度出发，对接触轨残压形成机理进一步进行研究探讨，制定残压主动检测方案，对接触轨残压进行实地测试，通过数采录波、数据分析，验证了接触轨线间电容和线路长度对接触轨残压和线路测试的影响，为地铁运营公司和设计院改进PSCADA系统遥调合闸时序和提高直流开关综合保护装置线路测试中的接触轨残压值提供了依据。

1 残压主动检测方案

1.1 检测目的

通过高速数据采集仪扫描检测并记录馈线柜HSCB分闸合闸前后馈线电压的暂态过程，对接触轨残压形成机理进一步进行研究探讨，验证接触轨线间电容和线路长度对接触轨残压和线路测试的影响，为地铁运营公司和设计院改进PSCADA系统遥调合闸时序和提高直流开关综合保护装置线路测试中的接触轨残压值提供依据。

1.2 检测方案

馈线电压测量采用分压采样电阻和KNICK信号隔离放大器的方案，设置四组屏蔽线作为信号采集通道，并用高速数据采集仪（自带隔离且超过8通道）扫描检测并记录馈线电压的暂态过程：（1）测试馈线上电典型波形和断电残压衰减典型波形；（2）测试PSCADA系统遥调合、分闸时序和典型波形；（3）测试大双边断电残压衰减典型波形；（4）通过波形分析残压形成机理和应对措施。测量示意图如图1所示。

图1 馈线电压检测方案示意图

1.2 线路测试判定原理

判别线路测试是否通过即牵引网是否短路，在母线电压U＞U（线路最小工作电压，整定值为1000 V）、馈线电压U＜U（线路残压，整定值为150 V，当U＞150V表示此双边供电线路带电）时合闸HSCB时，ZJK-11微机综合保护装置输出命令线路测试“旁路装置”接入→线路测试接触器接通。当不满足线路测试判定条件时，保护装置认为牵引网可能存在短路或其他故障情况，线路测试不通过自动禁止合闸并闭锁断路器。

2 接触轨残压实测与分析

2.1 接触轨残压实测

国内多条地铁线路开通以来，在接触轨线路较长的区间混合所和停车场车辆段恢复送电时多次发生接触轨残压值较高导致线路测试无法通过的情况，且持续时间不长、各设备绝缘强度经测试稳定可靠，考虑到这些区段线路较长，初步推断线间电容是造成接触轨产生残压的主要因素之一，并以此作为进一步测试分析的依据。本次检测选择地铁直流开关柜发生线路测试不通过较为频繁的站点变电所。

图2 线路测试逻辑图

图3为单边供电合闸本站（武沙区间所）701馈线断路器馈线电压动态变化过程波形。从图3可知，在单送本站（武沙区间所站）701馈线断路器时，701馈线断路器上电瞬间本站702产生703=19.308 V 、703产生703=117.413 V的感应电压，不排除703感应电压超过150 V的可能性，同一供电臂上703若在此时判断馈线电压，因感应电压位于（整定值为150 V）和（整定值为1000 V）之间，则判断线路故障。由图3可明显看出与左线接触轨线间距离较大的702、704馈电的右线接触轨上感应电压较小，线间距离较大的情况下线间电容可忽略不计。

图4为PSCADA系统遥调合闸武沙区间所站和沙口站701/703/702/704馈线断路器线电压动态变化过程波形局部放大。从图3、4可知，开关动作次序为测试接触器合闸持续1 s，测试接触器断开，断路器合闸，期间有120～200 ms电压下降区间，邻站同一供电臂上703若在此区间处判断馈线电压，因此区间处电压位于（整定值为150 V）和（整定值为1000 V）之间，则判断线路故障。

图3 单送武沙区间站701馈线断路器

图4 PSCADA系统遥调合闸武沙区间站和沙口站701/703/702/704

2.2 接触轨残压衰减分析

图5 PSCADA系统遥调分闸武沙区间所站和沙口站701/703/702/704

图6为武沙区间所站和军民村站之间大单边供电工况下后台PSCADA系统遥调分闸武沙区间所站703馈线断路器（701/703/702/704对应上网隔离开关均在合位）对应的馈线电压动态变化过程波形。｜d｜=1.26719 s为放电一个周期所需时间，电压衰减至150 V所需时间｜d｜=8.94107 s，在此期间操作703合闸残压过高线路测试不通过。

图6 大单边供电工况下PSCADA系统遥调分闸武沙区间所站703

3 残压衰减和线间电容分析

图7 RC串联电路

图8 RC电路的放电曲线

假设接触轨单位长度带电量λ，接触轨等效半径为，接触轨与钢轨之间距离为，线间电容：

结合图5、6可知馈线电压衰减时间常数及线间电容与供电距离正相关，进行线路较长的大单边供电、大双边供电时，线间电容较大，时间常数变大，受接触轨残压较高影响合闸断路器线路测试无法通过。

4 结论

针对城市轨道交通直流牵引供电系统的接触轨停电后停电作业区域产生的接触轨残压导致无法恢复接触轨送电的现象，本文以电工理论为基础，粗略地进行了理论分析，并与现场实地测试的录波数据比对分析，验证了接触轨线间电容和线路长度对接触轨残压和线路测试的影响，是采用三轨供电方式的接触网固有特性。当牵引变电所恢复供电和进行线路较长的大单边供电、大双边供电时，接触轨残压影响较为明显，对运营和检修造成不利影响。为减少接触轨残压影响提出如下建议：

1）比对上位机PSCADA系统遥调合闸程序，评估合闸次序间隔和实时性、一致性。建议PSCADA系统遥调合闸（分闸）次序为701—702—703—704，间隔5 s，进一步拉开701与703 、702与704 操作间隔，避免在恢复送电的过程中再次发生感应电压过高导致线路测试不通过的情况。

2）直流开关综合保护装置线路测试中的接触轨残压值U由150 V提高到300 V，避免线间电容产生的感应电压以及线路残压衰减不及时对牵引网供电的影响。

[1] 于伟松. 城市轨道交通供电系统设计原理与应用[Z]. 西南交通大学出版社, 2008.

[2] 黄德胜. 地下铁道供电[Z]. 中国电力出版社, 2010.

[3] 周鹤良. 电气工程师手册[M]. 中国电力出版社, 2008.

[4] 薛小强, 赵垒, 王晓博. 地铁牵引变电所高压电流开关合闸故障的处理[J]. 城市轨道交通研究, 2013, (5): 133.

[5] 王晓博, 尚志坚, 赵垒．城市轨道交通直流牵引供电系统接触网残压研究[J]．城市轨道交通研究, 2015, (9): 55.

Detection and Mechanism Research of Contact Rail Residual Voltage for Metro DC Power Supply System

Li Huan

（Wuhan Metro Group Co., Ltd, Wuhan 430070, China)

TM93

A

1003-4862（2018）06-0010-05

2018-05-02

李欢（1983-），工程师。研究方向：轨道交通供电系统。Email：89716154@qq.com