北京地铁大兴线钢轨电位限制装置瞬动原因分析与优化设计

摘 要：随着城市轨道交通的迅速发展，地铁在城市交通中发挥着不可替代的作用。地铁供电牵引系统为电力机车的运行提供持续不断的直流电源动力，其安全可靠的运行是地铁安全运营的重要保障。北京地铁大兴线自开通试运营以来，总是出现钢轨电位Ⅱ段多站同时瞬动的异常现象，通过分析轨电位Ⅱ段保护动作的规律特征，查找轨电位升高的原因，提出了解决问题的方案并优化了轨电位二次保护回路的设计，提高了运营效率，保证了运营安全。

关键词：地铁；钢轨电位限制装置；保护设置；优化设计

中图分类号：U231.8

1 供电系统概述

北京地铁大兴线全长21.8 km，供电系统由 10 kV中压环网系统、动力照明配电系统和牵引供电系统三大部分组成。牵引供电系统如圖 1 所示，正常运行方式为双边供电，故障运行方式为单边供电、大双边供电。各种运行方式下，主回流均通过走行轨直接回流至负极。由于短路电流的存在，可能会引起回流回路和大地间产生超出安全许可的接触电压，因此，需要在车站回流轨（钢轨）和接地端子之间装设钢轨电位限制装置（OVPD）。此外，杂散电流通过排流柜收集，然后统一接至负极，从而保证对隧道和车站结构及金属管线的保护。

2 钢轨电位限制装置工作原理

2.1 系统构成

钢轨电位限制装置系统构成如图 2 所示，主要由复用开关、电压测量元件、PLC 逻辑控制模块等组成。当发生超出安全许可的接触电压时，此钢轨电位限制装置就将钢轨与大地快速短接，使钢轨电位下降，从而保证旅客和工作人员人身安全。

2.2 基本原理

钢轨电位限制装置工作原理如图 3 所示。复用开关由晶闸管元件和接触器组成，在正常情况下，直流接触器的触头是断开的，同时晶闸管处于截止状态；在轨道电位异常的情况下，可以将钢轨与大地用等电位母线短接。钢轨与大地之间的电压由电压表监测并显示，而电压测量元件 U>、U>>、U>>> 判断电压是否超过设定值，进而晶闸管模块执行相应的动作。钢轨电位限制装置具有低电压保护 U<、Ⅰ段电压保护 U>、Ⅱ段电压保护 U>>、Ⅲ段电压保护 U>>> 共 4 种保护功能，其运行状态如下。

2.2.1 电压小于U>

走行钢轨与等电位母线间的电压值小于电压测量元件 U> 的设定值，在这种情况下，直流接触器处于断开状态，即主触头断开。

2.2.2 电压大于或等于U>

测得的电压值大于或等于电压测量元件 U> 的阈值，经过一段设定的延时后，该装置将回流回路有效短接，动作的延时确保在短期的允许电压最大值下，不会发生不必要的短路。10 s 之后，直流接触器再次直接断开。

如果当时的电压值小于电压测量元件 U> 的阈值，则钢轨电位限制装置经过一段可调整的延时后进入正常状态。如果电压值再次大于 U>，则钢轨电位限制装置将又一次发生短路。

此过程一直持续到电压再次保持在许可范围内或短路次数达到预定数字（可设）后。之后装置闭锁，闭锁后需按复位按纽将其手动复归。

2.2.3 电压大于或等于U>>

测得的电压值大于或等于电压测量元件 U>> 的阈值，则钢轨与大地无延时短接。短路装置即刻闭锁，需按复位按纽将其手动复归。

2.2.4 电压大于或等于 U>>>

测得的电压值大于或等于电压测量元件 U>>> 的阈值，则晶闸管元件立即导通以抵消直流接触器的机械延时，同时直流接触器被激活，而闭锁状态继续保持，闭锁状态需按复位按纽将其手动复归。

钢轨电位限制装置的控制回路采用闭环原理，保证一旦控制电源发生故障，装置会自动将钢轨与大地有效连接。这样，在控制电源发生故障时，人员及设施安全得到保障。控制电源的失压通过远程信号传递。

直流接触器一次、二次回路发生故障时，控制器将故障信号输出，同时闭锁合闸，需按复位按钮将其手动复归；若直流接触器因故障不能闭合，在电压大于Ⅲ段动作电压设定值时，此功能由晶闸管元件执行；若电压小于低电压保护设定值时，经一段时间延时后，系统报故障同时闭锁输出，需按复位按纽将其手动复归 。

2.3 钢轨电位限制装置的保护定值

钢轨电位限制装置Ⅰ段动作值为 90 V，动作时间为0.8 s，合闸后延时自动分闸时间为 10 s，连续动作 3 次闭锁分闸；Ⅱ段动作值为 150 V，动作时间为0 s；Ⅲ段动作值为 600 V，动作时间为 0 s。

3 钢轨电位异常动作故障分析

3.1 故障现象

北京地铁大兴线自 2010 年12月30日开通以来，屡次出现钢轨电位Ⅱ段保护多站同时动作的异常现象，抽取 2011年 4 月23日～27日故障出现时间统计如表 1 所示。

从故障现象可以看出钢轨电位同一时刻瞬时抬高，且Ⅱ段保护同时动作；Ⅱ段保护动作的变电所范围较大，但每次动作范围不尽相同。

3.2 故障分析

与走行轨回流连接的电气回路分别为回流主回路、排流回路、机车电气回路、轨限位回路，对各回路分析如下。

3.2.1 回流主回路

此回路流通不畅将导致轨电位升高，根据 2011 年 5月22日～23日对 4 号线和大兴线牵引回路的电阻值抽查测试对比发现，大兴线的回路电阻值与 4 号线没有明显的差异，回流主回路判定为通畅状态。因此，走行轨回流不是导致轨电位升高的原因。回路电阻值如表 2 所示。

3.2.2 排流回路

排流回路的连接及投入与否，也会不同程度地导致轨电位升高。根据测算，当极化电压大于 0.5 V时，投入排流柜，一般轨电位会升高 1 倍。2011 年 5月将排流柜退出进行观察，发现轨电位动作的次数没有明显程度的下降。因此判断排流回路也不是轨电位Ⅱ段异常动作的主要原因。

3.2.3 机车电气回路

司机操作手法的不同以及机车电路的瞬时性故障均会导致轨电位升高。根据对故障时机车范围的搜索，发现每次故障时，在线的列车并不相同，同时经过对机车专业的确认，排除了机车原因引起的轨电位升高。

3.2.4 轨限位回路

根据 2011 年9月10日19 h 24 min，高米店南站轨电位动作时电流电压录制的波形（图4）和电力监控系统（SCADA）报文（表 3）发现，Ⅰ段保护动作时，钢轨对地电压达到 90 V 时，电压瞬间归零，电流增大；Ⅱ段保护动作时，分流器两端瞬间电流记录值为 40 mV，按照 60 mV/1000 A 的变比计算，此时的电流值应为 666.7 A 左右。电压瞬间增高到 260 V 左右，导致全线轨电位Ⅱ段保护动作。

3.3 故障原因

根据对故障的分析与查找，判定故障的原因为：在地铁运行中，其中一站轨电位Ⅰ段保护动作后 10 s 分闸时，由于线路上有列车经过，钢轨电位限制装置回路有大电流流向大地，此时分闸，产生过电压，电压数值达到Ⅱ段保护定值，从而将全线的轨电位瞬时抬高。由于每次Ⅰ段分闸时的电流大小不一，因此，影响的车站范围也不一致。

4 优化设计

根据大兴线钢轨电位限制装置动作的原因，对轨电位回路进行改造，如图 5 所示。在钢轨限位装置的分流器旁，并联加装毫伏电压继电器，继电器接点串入原接触器分闸回路内。当接触器动作后，流过的回路电流较大时，毫伏电压继电器检测到毫伏信號大于设定值从而动作，常闭接点打开，切断接触器线圈控制回路，从而闭锁接触器分闸，使钢轨与大地保持接通状态；当电流小于一定的数值时，毫伏电压继电器检测到毫伏信号小于设定值，继电器失电返回，此时，继电器常闭接点返回，接通线圈控制回路，从而避免产生将钢轨电位抬高的异常现象。闭锁电流设定值为 200 A。大兴线自 2011 年10 月底全线采用优化设计方案后，从根本上解决了轨电位Ⅱ段的异常动作现象。

5 结论

根据大兴线钢轨电位限制装置II段动作异常的故障现象，可以判定，当钢轨电压升高达定值时，在其动作合闸后延时分闸的时刻，线路上若存在负荷，将会造成全线钢轨电位抬高的现象。因此，在钢轨电位限制装置的设计中应充分考虑分闸时的闭锁电流功能设计。通过对大兴线的设计优化实施，解决了大兴线轨电位Ⅱ段动作的异常现象，提高了运营效率，保证了运营质量。

参考文献

[1] 中铁电气化勘测设计研究院. 北京地铁大兴线供电系统设计[G]. 2009.

[2] 镇江大全赛雪龙牵引电气有限公司. DX线轨电位操作手册[G]. 2009.

[3] 中铁电气化勘测设计研究院. 大兴线继电保护整定值[G]. 2009.

[4] GB50157-2013地铁设计规范[S].

[5] GB50299-1999地下铁道工程施工及验收规范（2003修订版）[S].

收稿日期 2017-06-15

责任编辑 宗仁莉

推荐访问:大兴 钢轨 电位 优化设计 装置