地铁接触网异常电压分析

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摘要：广州地铁接触网采用直流1500V供电方式，车辆段停车库采用柔性接触网用以给电客车供电。为保证供电灵活及方便检修，停车库接触网采用单股道隔离开关控制停送电方式，库内外接触网采用分段绝缘器作为绝缘间隔。某车辆段自2017年投用以来，接触网作业人员多次发现在停车库内有某条股道接触网带电时，其相邻几条股道接触网在停电之后依然存在数百伏至上千伏不等的异常电压，且长时间无法消除，给供电接触网检修带来严重的安全风险。基于此问题，文章深入分析了该异常电压产生的原因，并提出解决措施。

关键词：地铁；接触网；异常电压

广州地铁某车辆段2017年投用以来，接触网作业人员在股道接触网停电检修时发现，在停车库内有股道不停电的情况下，其余股道在停电后依然会带有数百伏电压，峰值达到上千伏，且长时间下降缓慢，不能消除，给接触网的停电作业检修带来严重的安全隐患。

1异常电压分析

经检查，相应股道隔离开关均已断开，排除开关漏断的可能性。在库外接触网带电的情况下，断开所有股道隔离开关，库内接触网无电，排除股道分段绝缘器绝缘下降的可能性。将股道隔离开关全部断开，且接地刀闸不接触的情况下，在库内对某一条股道加压2500V，其相邻几条股道均发现带有异常高电压情况，经测试，电压从1800V-2300V不等。在单股道带电的情况下，其余股道在停电后依然会带有异常高电压，其原因主要有以下三种：（1）接触网残压。由于接触网股道间绝缘部件性能下降，无法完全阻隔带电设备与停电设备，导致在停电股道接触网上存在残压。（2）感应电压。单条股道停电，相邻股道不停电正常运行时，带电运行的接触网通过容性耦合在相邻停电的接触网上产生感应电压。（3）电阻分压。接触网的布置方式，在停车库内通过结构框架、股道间设置横向固定绳，采用绝缘子作为股道间绝缘隔离的元件，接触网股道与股道间、接触网股道与框架结构间均存在绝缘电阻。把带电股道接触网看成一个有源节点后，其他股道接触网作为回路上的节点，根据基尔霍夫定律，每一个节点上根据电阻值大小都会存在一定的电压。针对原因（1），经测试，只要在停车库9-13道任一股道加压，其余四条股道均会测出对应接触网带有高低不等的电压。同理在14-18道亦然。检查绝缘部件无发现裂纹、绝缘下降情况，且若是单一绝缘部件的绝缘性能下降，不会导致几条股道均出现同类现象。基本可以排除第（1）种原因。针对原因（2），根据理论计算[1]，处于接触网静电感应范围内的金属导线上的静电感应电压的通用计算公式为：Ut=K×bca2+b2+c2×Uj式中，Ut为处于接触网静电感应范围内的金属导线上的静电感应电压，Uj为接触网网压，a为接触网与金属导线的水平距离，b为接触网对地的平均距离，c为金属导线的对地高度，K为计算系数。一般情况下，计算系数K在单线区段取为0.4，在复线区段取为0.6，简单悬挂计算系数取为0.263。停车库接触网为简单悬挂方式，根据现场测量接触网实际情况，取a=3.4m，b=4.8m，c=4.8m，Uj=2500V，K=0.263，则通过公式计算得出相邻股道的感应电压Ut=262.8V。而现场实际测量在股道接触网加压2500V时，相邻股道接触网电压高达2300V以上，远远超过计算所得的感应电压理论值，证实感应电压并非异常高电压产生的主因。针对原因（3），车辆段停车库接触网为L-9道到L-18道，共计10条股道。由3个供电分区进行供电，L-9道到L-11道由NSD5区供电，L-12道到L-16道由NSD6区供电，L-17道、L-18道由NSD7区供电。其中L-9道到L-13道接触网作为一个横跨用横向固定绳进行连接，L-14道到L-18道接触网作为一个横跨用横向固定绳进行连接，股道间接触网采用绝缘子作为绝缘间隔。为简化分析，把每一个绝缘子等效为一个理想电阻，其等效电阻分压模型如图1所示。由于接触网绝缘子的绝缘电阻（兆欧级）远大于接触线线路电阻和钢轨对地电阻（微欧级），因此后两者的电阻值可以在等效电阻计算中忽略不计。根据基尔霍夫定律，当在L-9道加压U9时，则L-10道的电压U10=R10R9/10+R10×U9。即L-10道的电压由10道的对地绝缘电阻值以及L-9道与L-10道间的绝缘电阻值共同决定，如果两者相差不大，则理论上L-10道的电压可以达到L-9道电压的约一半。如果股道间绝缘电阻远大于股道对地绝缘电阻，则L-10道的电压会远小于L-9道电压。如果股道间绝缘电阻远小于股道对地绝缘电阻，则L-10道电压会近似等于L-9道电压。

2异常电压测试

为验证实际现场股道间绝缘电阻对接触网电压分布的影响，将接触网停车库所有股道隔离开关断开，同时断开接地刀闸，并逐个对单股道接触网进行绝缘及加压测试。经测试得知，直接测量同横跨各股道间接触网绝缘电阻约为1-2MΩ左右，在L-13道和L-14道之间，因相隔网架结构支柱，不属于同一横跨，绝缘电阻测试达287MΩ。当对单股道加载2500V电压时，随着股道相距越来越远，相隔的绝缘子数量越来越多，各股道电压呈现逐渐下降的趋势，符合绝缘电阻分压模型。当越过网架结构柱后，绝缘电阻分压全部消失（网架结构柱相邻两股道间绝缘电阻大于股道对地绝缘电阻）。然而，当对某一股道加压时，相邻股道的绝缘电阻分压均超过2000V，按照绝缘电阻分压模型，造成此情况的原因为股道间绝缘电阻远小于该股道对地的绝缘电阻。

3仿真分析

为进一步分析接触网绝缘电阻匹配关系对停电时接触网悬空状态（既不是带电状态也不是接地状态）下的接触网电压分布，针对NSD5、NSD6区所在上盖网架（L-9道~L-13道）接触网电压分布情况进行仿真分析。当所有绝缘电阻均理想化为1GΩ，对NSD5区（L-9道~L-11道）设置2500V电压时，L-12道（NSD6区）接触网电压约为666V，L-13道（NSD6区）接触网电压约为166V，如图2所示。当股道间绝缘电阻为0.1GΩ，股道对地绝缘电阻为1GΩ，对NSD5区（L-9道~L-11道）设置2500V电压时，L-12道（NSD6区）网压约为1432V，L-13道（NSD6区）网压约为651V，如图3所示。通过以上仿真分析，显然，股道间绝缘电阻与股道对地绝缘电阻的匹配关系直接影响停电时接触网悬空状态（既不是带电状态也不是接地状态）下的接触网电压分布。如果想要降低电阻分压的影响，则需要增大股道间绝缘电阻值，使其相对于股道对地绝缘电阻要越大越好。针对以上测试发现的问题，组织对库内股道间绝缘子进行全面更换，更换备件绝缘子的绝缘电阻均为10GΩ以上。更换绝缘子后，重新测试股道间绝缘电阻平均达到100MΩ以上，较更换前大幅提高。重新进行加压2500V测试，发现相邻股道的电压大幅降低，数值降到500V以下，大大降低了作业安全风险。

4结束语

自发现车辆段场异常电位问题开始，根据停车库接触网现场实际布置情况，建立接触网的绝缘电阻分压模型并仿真分析，历时4个月多次现场测试停车库接触网现有布置方式的绝缘电阻对接触网停电后电压分布的影响，并通过更换股道间绝缘子改善了异常电位问题。充分说明单股道接触网在停电后不挂设地线而同一横跨内其余股道正常供电时，其电压分布是由接触网系统内绝缘电阻分压比例关系决定，是采用绝缘子绝缘间隔的接触网固有特性。当出现相邻股道不停电时，接触网绝缘电阻匹配关系引起的残压现象不可避免，这种情况对车辆段停车库影响尤为显著。为降低此影响，在停车库股道设计安装阶段必须考虑绝缘电阻的匹配情况，尽量确保接触网股道间绝缘电阻远大于股道接触网对地绝缘电阻。在接触网工程验收阶段，要对接触网进行绝缘测试，在绝缘电阻满足标准的条件下，保证股道间绝缘电阻不小于股道对地绝缘电阻。

参考文献：

[1]董昭德，李岚．接触网工程与设计[M]．北京：科学出版社，2014．

作者:林明磊 任振强 单位:广州地铁集团有限公司