城市轨道交通供电系统负回流分析及监测.pdf

中国新技术新产品2023 NO.9（上）-36-工 业 技 术城市轨道交通牵引供电系统一般采用直流供电，在车站设置牵引变电所提供 DC1500V 等电源，通过接触网（轨）将电源正极布置到线路区间。列车通过受电弓（靴）从接触网获得正极供电，经过列车负载后，电流通过钢轨回到牵引变电所电源负极，该部分电流被称为负回流。而钢轨对地绝缘问题容易造成部分负回流经由大地回到电源负极，导致出现杂散电流和钢轨电位（以下简称轨电位）问题。杂散电流和轨电位过高问题一直是业内难点及研究薄弱点。对负回流进行有效的监测将有助于解决杂散电流和轨电位过高问题。1 负回流对城市轨道交通供电系统的影响1.1 负回流系统的构成以广州地铁为例，牵引供电系统牵引回流系统由钢轨（回流轨）、负回流电缆以及上下行均流电缆等组成，钢轨连接负回流电缆。在上下行钢轨间安装均流电缆，包括正线车站两端、上下行隧道区间逃生通道等处1，如图 1 所示。电流路径为整流机组正极直流开关柜上网电缆接触网列车回流轨回流线负极柜整流机组负极2。其中，回流轨回流线负极柜整流机组负极区间的电流被称为负回流。为防止钢轨对地电位（简称轨电位）过高给乘客带来危险，车站中还安装了轨电位保护装置，如果出现轨电位过高，轨电位保护装置会动作，将钢轨直接与大地连接。正常情况下，所有回流轨中总的负回流 IDC大小如公式（1）所示。IDC-=IHL（1）如果某种情况下发生轨电位过高，导致均流轨电位装置（OV2）动作，则有公式（2）。IDC-=IHL+Iov2（2）式中：Iov2为轨电位柜 2 电流；IHL为负极柜回流电流。同样地，如果轨电位装置 1（OV1）动作，则 IHL的部分电流也会流入大地，即 IOV1。IOV1 和 IOV2最终通过大地、框架等途径返回整流机组的负极。目前，在牵引变电所内设置了轨电位保护系统。当轨电位超过设定值后，轨电位系统内的接触器会马上合闸，使钢轨短时接地，降低轨电位，保障乘客上下车安全。传统轨电位系统采用三段式保护手段，分别为段保护、段保护城市轨道交通供电系统负回流分析及监测肖伟强1骆志勇2黄山山1常宝波3（1.广州地铁集团有限公司，广东 广州 510000；2.广州市白云机电设备安装工程有限公司，广东 广州 510540；3.广州市扬新技术研究有限责任公司，广东 广州 510540）摘 要：城市轨道交通供电系统采用直流供电，直流电流经过钢轨回流到整流机组的负极，被称为负回流。在实际运行中，由于负回流造成钢轨对地电位升高，如果绝缘存在问题，将导致杂散电流。轨电位过高和杂散电流会带来严重后果，因此对其分布和大小进行监测、分析是必要的。该文分析了轨电位和杂散电流的关系，提出了一种通过测量钢轨分布式轨电位进行负回流监测的系统。该系统可以计算、分析城市轨道交通线网中轨电位和杂散电流的分布，并提供治理的数据基础。关键词：轨电位；负回流；杂散电流；分布式中图分类号：TM774文献标志码：A图 1 负回流系统构成DC+DC-列车列车回流箱回流箱负极柜均流箱均流箱OV2OV1IHLIOV2I0V1接触网钢轨（回流轨）接触网钢轨（回流轨）中国新技术新产品2023 NO.9（上）-37-工 业 技 术和段保护，其动作条件由电压测量元件与晶闸管模块配合完成3。以某地铁线路轨电位装置为例：当轨电位电压大于90V 时，短路 3 次后永久短路；大于等于 150V 时，永久短路；大于等于 600V 时，晶闸管与接触器配合永久短路4。理论上由于回流轨对地是绝缘的，因此负回流不会进入大地。实际运行中因种种原因，回流轨对地绝缘会出现问题，从而导致部分负回流经由大地流回牵引变电所，该部分负回流被称为杂散电流。杂散电流会对对土建结构、管线等产生电腐蚀。同时会抬高钢轨的电位，即轨电位升高。由于钢轨与车轮、车体相连接，因此轨电位与乘客人身安全密切相关。在供电系统运维过程中，负回流也引发了一些问题，例如车辆段中负极对地接挂地线时打火、钢轨电位限制装置频繁动作和轨电位过高误触发框架保护等4。目前，由负回流造成的杂散电流、轨电位问题是城市轨道交通牵引供电系统研究的焦点之一。1.2 轨电位对杂散电流的影响在列车正常运行时无杂散电流情况下，轨电位的理论上只与回流轨的电阻和回流电流相关，是一条直线。以广州地铁三号线为例，其五山站到天客站的轨电位理论分布如图 2 所示。随着运营年限增加及外界环境的影响等，钢轨对地无法保证完全良好的绝缘，进而产生杂散电流。杂散电流的存在会导致轨电位的分布出现零点偏移，相应地轨电位的数值也会超出原设计值。当某一位置发生绝缘损坏时，该位置的轨地电位为零，但由于其余各处仍可近似看作均匀介质，因此轨电位的分布曲线仍为一条直线5。目前杂散电流及轨电位是城市轨道交通供电系统的研究焦点之一，常见的方法包括采用集中参数和分布参数的方法分析杂散电流和轨电位分布、利用等效电路计算杂散电流和轨电位的分布情况。在实际应用中，上述2种方法均存在一定的误差。主要原因是无法获得各处轨电位的数值，需要靠回流轨和电缆的参数进行推算。在实际运行中，由于两站之间钢轨和电缆等距离较长，一般为 2km4km，回流轨和电缆的参数造成误差被大幅放大，导致实际值与理论值相差较大。例如钢轨电阻率与理论不符、线路上存在道岔和鱼尾板等造成回路电阻与理想钢轨不同、列车情况不同造成负荷电流的情况不同以及隧道内上下行均流线的影响等，这将导致实际的轨电位情况与理论计算有较大差异6，进而导致杂散电流较高的分析误差，给解决轨电位和杂散电流问题带来较大的困扰。如果能够获得整个回流轨不同区间的轨电位，即可利用各个区间的回流轨参数计算出杂散电流的分布情况。1.3 杂散电流的相关计算杂散电流是由钢轨对地绝缘存在泄漏点造成的。绝缘泄漏点可以发生在上下行钢轨的任何位置，杂散电流可能会从任意位置流入大地。对杂散电流的分布进行监测和计算，将有助于改善地铁线网中杂散电流的治理。可以将钢轨划分为若干区间，如图 3 所示，将某段钢轨划分为 S1S4共 4 个区间。每个区间对应的轨电位、负回流和电阻分别为 Un、In和 Rn。假设 S2和 S3区间发生绝缘问题，部分负回流经大地流走，形成杂散电流 Ig。1.3.1 钢轨电阻的计算各区间电阻 R1、R2、R3、R4可以利用回流轨的参数与区间长度计算获得。在已知钢轨的电阻率、截面积等参数前提下，通过电阻计算公式可计算出钢轨电阻，如公式（3）所示。RLSriri?（3）式中：是电阻率，TB/T 2344201243kg/m75kg/m 钢轨订货技术条件标准中未对电阻率进行规定，经咨询钢轨生产单位，如果钢轨电阻率取 2.9510-7m，实际钢轨电阻率不同地铁可能不同。L 是钢轨的长度，S 是钢轨的横截面积，根据我国定型生产的钢轨标准 P60，查阅相关资料得 S=77.45cm2，这样可算出每米钢轨的电阻，如公式（4）所示。（4）RLS?2 95 1077 45 101038 9743./?m/m由于上下行有 4 根钢轨，因此每米钢轨等效电阻如公式（5）所示。图 2 轨电位分布理论示意图轨电位/V五山站距离/km线路起点天客站泵房泵房泵房252015105-5-10-15-20-25-1.5-0.50.51.02.03.01.52.5-1.0联络通道中国新技术新产品2023 NO.9（上）-38-工 业 技 术 R?38 0949 5225./?m钢轨/m（5）对不同区段的钢轨电阻，可通过计算不同区段钢轨的长度得出相应的电阻。根据实际情况，认为每段钢轨的电阻是固定的，只随长度的改变而改变，其他因素对其电阻的影响可忽略不计。1.3.2 杂散电流的计算根据欧姆定律，如公式（6）公式（9）所示。1101RUUI=（6）2212RUUI=（7）3323RUUI=（8）4434RUUI=（9）正常情况下，I1=I2=I3=I4。如果出现各区间电流不相等的情况，I1 I2 I3 I4，则说明该区间发生的杂散电流泄漏，电流的差值即为杂散电流的大小，如公式（10）所示。Ig=I2-I3 （10）因此，可以通过测量回流轨各区间的轨电位推算杂散电流的分布。在实际应用中，还必须考虑上下行均流线的影响，如图 4 所示。如果上下行钢轨存在电位差，则部分电流会在上下行均流线中流动，显然这部分电流不属于杂散电流。因此需要在原式Ig=I2-I3 的基础上将均流线中的电流修订进去。如公式（11）所示。Ig=I2-I3-Iline（11）式中：Iline为与计算区间所连的均流线中的电流。在目前的常规设计中，轨电位系统监测点设在车站内的钢轨，该方式无法全面反映包括区间范围内整体负回流和杂散电流的分布的情况7-8。该文针对该情况提出了一种城轨牵引供电负回流监测技术方案。杂散电流是由钢轨对地绝缘存在泄漏点造成的。绝缘泄漏点可以发生在上下行钢轨的任何位置，杂散电流可能会从任意位置流入大地。对杂散电流的分布进行监测和计算，将有助于改善地铁线网中杂散电流的治理。2 负回流监测系统的设计2.1 整体方案以广州地铁 3 号线五山站至天客站区间为例。系统包括底层数据采集装置和云端软件。底层数据采集装置安装在车站和隧道内，采集负极柜回流电流、车站内上下行钢轨轨电位、隧道内各区间的上下行钢轨轨电位图 3 分布式轨电位示意图图 4 上下行均流线示意图（单位：mm2）S1R1R2R3R4I4I3IgI2I1U0U1U2U3U4S2S3S4中国新技术新产品2023 NO.9（上）-39-工 业 技 术和上下行钢轨均流线电流。数据采集装置采集的轨电位和电流数据通过 4G/5G 无线路由器传输到云端。云端进行分析计算后将结果传送给后台机，进行杂散电流和轨电位分布的分析。拓扑如图 5 所示。2.2 监测设备布局首先，车站内。馈线柜、排流柜、轨电位柜内安装电压/电流变送器和电流电压采集装置，采集馈线电流和车站内轨电位。馈线柜的电流之和为总电流，负回流的大小等于馈线柜电流之和。在该方案中，需要采集五山站和天客站 2 个站点的数据。其次，隧道内。每隔一段距离在五山站和天客站上下行钢轨安装分布式轨电位采集装置，采集各个区间的轨电位。通过霍尔元件和电流采集装置采集上下行钢轨之间的均流线电流。考虑实施的成本，均流线敷设的位置安装分布式轨电位传感器和霍尔元件、数据采集装置。该方案在城轨实际线路区段、牵引变电所设置各电气量等监测设备，结合列车动态运行组织等数据，数据实时系统全面，能够实现牵引负回流的科学管理，可以实时监测到轨电位、接触网电流和杂散电流情况，能够分析出各区段负回流的分布情况。能够从全局中找到各区段牵引负回流通流能力的瓶颈位置、钢轨对地绝缘薄弱位置等问题，并找到负回流、杂散电流存在的问题。3 结语城轨牵引负回流系统的运行状态质量将直接影响乘客人身安全和其他专业系统的运行环境，具有重要意义。该文监测方案跳出了目前在牵引变电所内对轨电位进行监测的束缚，从全局对牵引负回流进行系统监测，分析现图 5 系统拓扑图负极柜负极柜排流柜排流柜钢轨钢轨均流线均流线211-214 馈线柜211-214 馈线柜轨电柜 OV1/OV2轨电柜 OV1/OV2线路起点站台中国新技术新产品2023 NO.9（上）-40-工 业 技 术镀锡板是指两面镀有一层极薄金属锡的冷轧薄钢板，集冷轧薄板的硬度、强度以及锡镀层的易焊接性、抗腐蚀性、美观性于一体1，目前在食品罐头工业、奶粉罐、饮料罐、气雾罐和电子器件等行业均有广泛应用。1 暗斑缺陷的形貌分析暗斑是镀锡量为 5.6g/m2、2.8g/m2的厚镀层镀锡板在生产过程中产生的色泽偏暗的表面缺陷。在 5.6g/m2镀层上，暗斑缺陷整板面分布，呈雨点状或片状。在 2.8g/m2镀层上，暗斑缺陷弥散分布，为针尖大小。暗斑缺陷的性能指标如附着力、抗硫性能等均为一级，未发生异常。对暗斑缺陷处进行成分分析也未发现异常元素，可见暗斑缺陷并不是常见的斑迹缺陷。暗斑缺陷不影响镀锡板的实际使用，但会影响镀锡板表面质量，用户观感不佳，会导致抱怨甚至批量质量异议，需要高度重视。电镀锡机组的暗斑缺陷发展主要分为3个阶段。第一阶段，5.6g/m2镀层产生雨点状暗斑缺陷，如图 1 所示，通过关闭电镀 1#槽电极板，可以基本消除此缺陷。第二阶段，关闭电镀 1#槽电极板无法消除该缺陷，仅有色泽上的变化，由发白的浅色暗斑变为发黑的深色暗斑。第三阶段，在 2.8g/m2镀层上产生针尖大小暗斑、暗点，如图 2 所示。暗斑缺陷是一种全新的缺陷，没有历史经验可供参考，因此需要结合其他斑迹类缺陷产生原因，并考虑电镀锡全部工艺流程，如碱洗、酸洗、电镀、软熔、钝化以及涂油一系镀锡板暗斑缺陷的成因与对策周雨奇（上海梅山钢铁股份有限公司，江苏 南京 210039）摘 要：镀锡板斑迹类缺陷是镀锡板表面质量的直接影响因素，暗斑缺陷无法消除，易引发批量质量事故，应引起高度重视。该文通过工艺试验，分析了影响斑迹类缺陷的主要原因，找出了导致暗斑缺陷产生的关键因素，并制定了相应的改善措施，改善了镀锡板的表面质量。关键词：镀锡板；暗斑；改善措施中图分类号：TG174文献标志码：A图 1 5.6g/m2镀层暗斑形貌图 2 2.8g/m2镀层暗斑形貌场中的薄弱位置问题并进行处理，极大地减少了户外现场维修处置的工作量，提高了效率和牵引负回流的运行质量，达到了降低轨电位、保证乘客人身安全、提高负回流通流能力、降低负回流电能损耗、控制杂散电流以及降低其他设备系统电腐蚀的风险的目标，具有重要意义及经济价值。参考文献1 方刚，黄德晖.广州地铁负回流系统分析 J.科技创新与应用，2013，60（20）：291.2 赵海军.地铁牵引供电系统回流设计方案优化 J.电气化铁道，2020，31（增刊1）：121-124.3 詹思睿.城市轨道交通直流牵引系统杂散电流分布研究及防治措施 D.成都：西华大学，2022.4 占志伟.广佛线西朗站轨电位异常升高的原因分析及解决措施 J.机电信息，2016，477（15）：71，73.5 黄山山，贺睿，陈智敏.地铁车辆段杂散电流的探讨与分析 J.电气化铁道，2019，30（4）：46-48，52.6 张目然.直流牵引系统杂散电流及轨电位相关问题研究D.广州：华南理工大学，2012.7 李国欣.直流牵引回流系统分析及轨电位相关问题研究D.徐州：中国矿业大学，2010.8 胥伟，刘卫东，刘飞.基于实测牵引回流的地铁时变负荷对钢轨电位影响分析 J.电工技术，2021，548（14）：84-86，88.