城市轨道交通接触网残压分析和抑制措施

城市轨道交通接触网残压分析和抑制措施

张可强

济南轨道交通集团第一运营有限公司 山东 济南 250000

摘要：目前我国城市轨道交通牵引网供电制式普遍采用直流1500V架空接触网供电，走行轨回流。运营检修过程中普遍存在如下问题：当任一供电分区接触网隔离各方来电进行停电检修作业时，验电器仍然显示接触网带电，恢复送电时，直流馈线断路器线路测试不通过，接触网无法正常送电，即存在接触网残压问题。接触网残压直接威胁运营检修人员人身安全，影响变电所正常送电合闸，给城市轨道交通的运营检修带来影响。

关键词：城市轨道交通；接触网；残压分析

城市轨道交通接触网的残压问题较为普遍，福州、宁波、西安、广州、南京、成都、天津等地的城市轨道交通均存在这一问题。目前，对该问题的处理措施多为调高线路测试残压整定值，避免接触网无法正常送电的情况，或调整送电组织流程，电调远方将正线出现残压问题区段的相邻供电分区停电后，再向出现残压问题的区段送电，没有采取针对性措施降低接触网残压。

1 接触网残压现象及危害

1.1 接触网残压现象

为满足城市轨道交通接触网运营维护需求，缩小故障事故影响范围，满足常态和故障时供电的灵活性，将接触网划分为若干个供电分区。运营检修过程中，在正线夜间接触网停电检修作业时，车辆段、停车场接触网不停电，与车辆段、停车场相邻的正线供电分区验电仍然显示接触网带电，即接触网残压。正线停电检修作业完成后，在送电时系统对母线电压、馈线电压进行对比分析，当馈线电压低于系统工作电压且高于残压整定值时闭锁合闸，与车辆段、停车场相邻的正线供电分区直流馈线断路器线路测试不通过，馈线断路器不能合闸，接触网无法正常送电。

1.2 接触网残压危害

城市轨道交通接触网验电器报警电压值及直流馈线断路器的线路测试残压整定值一般为300V。根据现场测量，接触网残压最大值接近1000V，直接威胁运营检修人员的人身安全，影响正常的检修作业。接触网残压的主要危害如下：

1)接触网停电检修作业挂接地线之前需进行验电，如果接触网残压值小于验电器报警电压值，则检修作业验电器显示接触网无电，但挂接地线时会出现打火现象，烧蚀接触网，且会造成运营检修人员的心理恐惧。

2)如果接触网残压值大于验电器报警电压值，检修作业验电器显示接触网带电，按照运营安全操作规程不允许挂接地线，从而影响正常的检修作业，检修人员的人身安全得不到保障。

3)停电检修作业完成后，直流馈线断路器线路测试检测网压超过整定值，馈线断路器不能合闸，接触网无法正常送电，会影响正常运营。

2 接触网残压产生的原因

2.1 静电感应电压

城市轨道交通接触网可以看成平行地面的导线，出场线、入场线为两条互相平行且与大地平行的导线。根据电容原理，出入场线接触网构成出场线与入场线间的电容，以及出入场线与大地间的电容，如图1所示。

图1 电容分布示意 

两根平行导线间静电感应电压可以利用电磁场理论镜像法进行求解，也可以采用将静电场转变为电容网络用电路的方法进行求解，如图2所示。

图2 静电感应电压计算

在图2(a)中，导线1、2为与大地平行的导线，导线1′为导线1相对于大地表面的镜像。设大地表面为零电位，导线1的对地电位为+U1，那么其镜像导线1′的电位为–U1，可以得到导线1在导线2上产生的静电感应电压为

式中，h为导线及其镜像到地面的距离，R为导线的半径，D为导线2与导线1的镜像的中心距离，d为导线1与导线2的中心距离。

采用电磁场的方法和电容电路的方法是等效的，图2(b)中导线1、2之间以及两导线与大地之间存在电容，对三者之间的电容进行计算，可得到与式(1)相同的结果。由式(1)可知，静电感应电压的大小主要取决于以下因素。

1)平行导线的间距：导线间距越小，产生的静电感应电压越大。

2)导线的电压：接触网线路电压越高，产生的静电感应电压越大，静电感应电压与接触网中有无电流无关。

3)静电感应电压与两线的平行长度无关。

2.2 绝缘电阻分压

接触网相邻供电分区多由分段绝缘器或绝缘子实现电气隔离，建立相邻供电分区A和B的电阻分布，如图3所示。

图3 A分区与B分区电阻分布 

根据图3，计算A分区绝缘电阻如下：

式中，RJ为单个绝缘子电阻，RL为绝缘子间接触网导线电阻，n为A分区绝缘子总数。

接触网导线电阻(刚性接触网13.8μΩ/m，柔性接触网44.6μΩ/m)远小于绝缘子及分段绝缘器电阻(不小于100MΩ)，可忽略不计。简化式(2)可得A分区绝缘电阻，有

同理，可计算得到A分区与B分区之间绝缘电阻R2及B分区绝缘电阻R3，忽略其余相邻供电分区的影响，建立A分区和B分区等效电路模型如图4所示。

根据图4所示等效电路可以得出，当B分区带电、A分区不带电时，A分区电阻分压值为

由式(4)可知，A分区接触网残压值取决于A分区和B分区之间电气隔离分段绝缘器，或绝缘子等效电阻R2，以及A分区绝缘电阻R1，与B分区绝缘电阻R3无关。

图4 A分区与B分区等效电路 

当B分区带电1500V时，令A分区与B分区之间的等效绝缘电阻R2=50 MΩ不变，绘制A分区残压UA随A分区绝缘电阻R1变化的曲线，如图5所示。

图5 A分区UA-R1关系曲线 

当B分区带电1500V时，令A分区等效绝缘电阻R1=50 MΩ不变，绘制A分区残压UA随A分区与B分区之间等效绝缘电阻R2变化的曲线，如图6所示。

图6 UA-R2关系曲线 

根据图5及图6的关系曲线可知，降低A分区绝缘电阻R1或提高A分区与B分区之间的等效绝缘电阻R2，均可以降低接触网残压。由于降低绝缘电阻对牵引供电系统稳定运行存在诸多不利影响，因此在保证接触网对地绝缘电阻不变的情况下，通过提高分区间分段绝缘器及绝缘子的电阻值，从而有效地抑制接触网残压。

2.3 残压产生的原因

根据本文第1.1节接触网残压现象分析，接触网残压在雨、雾等气候条件下较为严重。由于静电感应电压不会随天气而变化，推断静电感应电压不是接触网残压产生的主要原因。由于出入线处分段绝缘器、绝缘子安装于室外，现场环境较为复杂，容易受到雨、雾、灰尘等环境条件的影响，导致分段绝缘器、绝缘子的绝缘水平降低，从而导致接触网残压升高，因此推断绝缘降低是接触网残压产生的主要原因。根据上述分析推断接触网残压主要是由于电阻分压产生，通过提高分区间的分段绝缘器及绝缘子的电阻值，可有效地降低接触网残压。

笔者针对轨道交通某停车场出入场线接触网残压问题，以电工理论为基础，对接触网残压进行了理论分析与计算。同时，结合现场残压测试数据，分析了接触网残压产生的原因。最后，结合现场实际情况，提出了降低接触网残压的措施。现场测试结果表明，该方法能够有效抑制接触网残压，在城市轨道交通接触网运营检修中具有良好的应用前景。

参考文献

[1] 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,2015,18(9):55-59.

[2] 陆世进.地铁车辆段接触网残压测量分析及处置建议[J].电气化铁道,2019,30(4):61-63.

[3] 杨瀚栋,袁晓亮,周伟英.接触网供电分段状态信息共享技术应用及展望[J].都市快轨交通,2017,30(3):112-114.

[4] 杜琳,王兆力.城市轨道直流牵引系统残压导致线路测试不通过分析及处置措施[J].机电信息,2020(21):24-25.