1、第 24 卷 第 2 期 2023 年 2 月 电 气 技 术 Electrical Engineering Vol.24 No.2Feb.2023 地铁车辆段杂散电流分析与防护方案 金文辉（西安工程大学电子信息学院，西安 710600）摘要 目前，普遍采用单向导通装置减少地铁车辆段杂散电流，但车辆段杂散电流问题依旧突出。本文对正线段和车辆段进行建模仿真，通过机车牵引计算得到机车取流与时间的关系，将机车取流代入单向导通装置处的电阻网络模型，模拟机车处于不同工况时对车辆段轨道电压、电流及杂散电流的影响，并对车辆段杂散电流产生的原因进行分析，就此原因对传统单向导通装置进行优化改进，采用大功率集成门
2、极换流晶闸管（IGCT）作为新式智能单向导通装置控制器件，在满足地铁复杂运行环境的同时大大提高了单向导通装置的可靠性，还可有效降低车辆段杂散电流。关键词：城市轨道交通；车辆段；单向导通装置；杂散电流防护 Analysis and protection scheme of stray current in subway depot JIN Wenhui(School of Electronics and Information,Xian Polytechnic University,Xian 710600)Abstract One-way conduction devices are widel
3、y used to reduce the stray current in the depot,but the problem of stray current in the depot is still prominent.In this paper,the main line segment and the depot are modeled and simulated.The relationship between the locomotive flow and time is obtained through the locomotive traction calculation,a
4、nd the locomotive flow is brought into the resistance network model at the one-way conduction device to simulate the locomotive in different working conditions.The influence of voltage,current and stray current is analyzed,and the causes of stray current in the depot are analyzed.For these reasons,t
5、he traditional one-way conduction device is optimized and improved,and high-power integrated gate-commutated thyristor(IGCT)is used as the new intelligent one-way conduction device control device.While satisfying the complex operating environment of the subway,the reliability of the one-way conducti
6、on device is greatly improved,and the stray current of the depot is greatly reduced.Keywords：urban rail transit;depot;one-way conduction device;stray current protection 0 引言 在地铁运行中，地铁采用钢轨作为机车回流线路，使牵引电流流回变电站负极柜中。随着列车长时间运营，钢轨某一点处的绝缘性能变差，会导致部分牵引回流泄漏到大地，使地铁地下钢筋结构及埋设管道等金属体发生电解，遭受电化学腐蚀。地铁车辆段一直是绝缘性能的薄弱区，再加
7、上段内线路复杂，且无法像正线段一样铺设排流网，导致车辆段杂散电流居高不下，严重影响了工人作业时的生命安全及车辆段的使用寿命1-2。加设单向导通装置可以减少车辆段杂散电流，很多学者对单向导通装置进行了一系列研究。文献3对车辆段杂散电流进行测试分析，解释了杂散电流流通路径，但并没有对造成该问题的单向导通装置提出具体的改进方法。文献4提出在单向导通装置的消弧部位使用大功率可关断晶闸管（gate turn-off thyristor,GTO）器件，但现场无法满足 GTO 器件关断条件，还需设计专门的可控关断电路。文献5为预防杂散电流泄漏，对单向导通装置提出使用正向晶闸管和反向晶闸管，但地铁供电系统中的
8、电压、电流相对较大，晶闸管并不适用于大功率环境。对于上述存在的问题，本文首先对正线段及车辆段连接处即单向导通装置处进行建模仿真，分析12 电 气 技 术 第 24 卷 第 2 期 正线段机车在牵引加速、匀速、减速情况下对车辆段杂散电流的影响，并对现有单向导通装置存在的问题提出改进措施，可在满足地铁复杂运行环境的同时减少车辆段杂散电流。1 车辆段传统杂散电流防护方案 目前认为车辆段的杂散电流主要来源于钢轨电流的泄漏，因此采取相应措施减少钢轨电流在轨道上的回流路径。首先在车辆段库内与库外之间、出入场线区与正线段区之间设置轨道绝缘节，保证正线段与车辆段电气隔离，阻止正线段电流流入车辆段；其次为保证列
9、车运行通过绝缘节时可正常回流，在绝缘节处加设单向导通装置。传统单向导通装置示意图如图 1 所示6，主要由二极管、隔离开关、消弧装置组成，一般安装于车辆段与正线段轨道绝缘节处，方向由车辆段处指向正线段处。二极管使钢轨电流无法从正线段流入车辆段，减少了车辆段钢轨电流的流通。隔离开关可在二极管发生故障时手动或电动合闸，保证机车运行时轨道电流不断流。消弧装置保证机车通过绝缘节时不会发生拉弧现象，灼烧钢轨。图 1 传统单向导通装置示意图 在现场实际应用中，工人在车辆段作业时经常发生挂接地线放电现象，威胁工人生命安全，且车辆段的杂散电流问题依旧没有得到解决。2 建模仿真分析 2.1 回流模型建立 地铁正线
10、段杂散电流分布模型如图 2 所示，为简化问题，在公式推导过程中采用单边供电和单一负荷，且假设各电阻均匀分布7-12。则在电路分析过程中可以按线性回路考虑，从而使用叠加原理，利用微元法建立正线段轨道电流、排流网电流、大地电流和轨道电压、排流网电压的微分方程，进而求出杂散电流和轨道电位。图 2 中，Rz为钢轨的纵向电阻，Rp为排流网纵向电阻，RM为埋地金属纵向电阻，Rg1为钢轨与排流网之间的过渡电阻，Rg2为排流网与埋地金属之间的过渡电阻，Rg3为埋地金属与大地之间的过渡电阻，DC 为牵引变电站，r1为牵引变电站内阻，Rb1为再生制动的串联电阻，Ip为排流网电流，IM为埋地金属电流，I 为机车取流
11、，I1为机车回流。杂散电流流通线路如图 3 所示，其中x 为测量点距离变电所的距离（km）；L 为机车距离变电所的距离（km）。画出节点电压和电流图如图4图 7 所示。图 2 地铁正线段杂散电流分布模型 图 3 杂散电流流通线路 图 4 电压节点图 1 在图 4 与图 5 中，1()u x为钢轨-排流网在 x 处的 电压（V）；()i x为钢轨在 x 处电流（A）；p()ix为排流网在 x 处的电流（A）。结合基尔霍夫电压定律，由图 4 可得 z1pp11()d()()d()d()0i x Rxu xix Rxu xu x+=（1）2023 年 2 月 金文辉 地铁车辆段杂散电流分析与防护方案
12、 13 图 5 电流节点图 1 图 6 电压节点图 2 图 7 电流节点图 2 由图 5 得 g11()d()dRu xi xx=（2）在图 6 与图 7 中，2()ux为排流网-埋地金属在 x处的电压（V）；M()ix为埋地金属在 x 处电流（A）；p()ix为排流网在 x 处的电流（A）。由图 6 得 pp2MM22()d()()d()d()0ix Rxuxix Rxuxux+=（3）由图 7 得 g22p()d()dRuxixx=（4）由图 3 得 pM()()()Ii xixix=+（5）将式（5）代入式（1）式（4）并整理成矩阵形式得 g1ppg211zp22MMp1000()()1
13、()()d000d()()00()()00Ri xi xixixRx u xu xRRuxuxRRR=+M000R I （6）令 g1g2zpMMp100010000000RRRRRRR=+A p12()()()()()i xixxu xux=y M000R I=f 则有 d()()dxxx=+yAyf （7）上述微分方程所对应的齐次方程组为 d()()dxxx=yAy （8）设式（8）的通解为()xY，特解为*y，则式（7）的解为*()()xx=+yYy （9）根据式（7）和式（8）可得*()exx=AYcfyA （10）将式（10）代入式（9）可得()exx=AfycA （11）14 电
14、气 技 术 第 24 卷 第 2 期 由矩阵形式表示为 12341111213141p21222324223132333431341424344424e()()e()e()exxxxci xaaaafixaaaacfaaaafu xcaaaafuxc=+（12）式中：1、2、3、4为矩阵 A 的特征值；T1234iiiiaaaa为矩阵 A 的特征值i（i=1,2,3,4）对应的特征向量；1c、2c、3c、4c为特定系数。具有排流网结构的边界初始条件为0 x=和xL=，()i xI=,p()0ix=。根据排流网结构的边界初始条件，对式（7）进行求解，即可得到轨道电压、杂散电流、轨道电流的表达式。
15、2.2 不同工况下的车辆段仿真 地铁在运行过程中总是重复加速、匀速与减速过程，为了研究机车不同工况对车辆段的影响13，本文对机车进行牵引计算，机车牵引控制策略一般分为经济型牵引策略、理想型牵引策略、最快速牵引策略。本文选择采用最快速牵引策略，在实际运营中，地铁的运行工况包括牵引加速、匀速、制动减速。以某地地铁为例，采用机车为 B 型鼓型车，4 动 2 拖 6 辆的固定编组模式。表 1 为牵引运行仿真参数，其中 M 为机车质量，limv为机车最高限速，iT为仿真步长，为回转质量系数，U 为接触网电压，L 为两车站间距离，e 为起动阻力经验常数，g为机车重力加速度。表 1 机车牵引运行仿真参数 参
16、数 数值 M/t 288 limv/(km/h)80 iT/s 0.1 0.06 U/V 1 500 L/km 1.25 e/(N/kN)5 g/(m/s2)9.8 地铁机车运行中的阻力采用经验公式，即 2jz2.75510.0140.00075wvv=+（13）2.3 仿真结果分析 根据机车最快速牵引策略计算，通过 Matlab 仿真，得到不同工况下的机车速度-时间-位移如图 8所示，机车牵引功率-时间如图 9 所示，机车取流-时间如图 10 所示。图 8 不同工况下机车速度-时间-位移 图 9 不同工况下机车牵引功率-时间 图 10 不同工况下机车取流-时间 由图 8图 10 可知，机车运行时间为 79s，机车在出发第 16.5s 时，达到最高限速 80km/h，此时牵引功率和机车取流也达到最大，随后由牵引加速转为匀速行驶，在第 52.6s 时，机车由匀速行驶进入制动减速阶段。机车在加速过程中最大牵引功率为 4 474.3kW，机车最大取流为 2 982.8A，在减速过程中最大制动功率为 5 313.3kW，机车制动取流为 3 542.2A。由于地铁车辆段与正线段之间通过单向导通装