地铁钢轨电位限制装置运行问题

其内的直流接触器合闸，使钢轨直接接地，10.0s 后自动分闸； 如果检测的电压超过U2 （默认为150V ）时，OVPD 经过延时 0.1s，其内的直流接触器合闸，并保持闭合状态，需要进行 手动复位；当检测的电压超过U3（默认为 600V ），其内的晶 闸管即刻直接合闸，钢轨直接接地，之后激活直流接触器， 保持闭合状态，需要进行手动复位。在闭合后，如果检测的 总电流小于 I1（默认为5A），则 OVPD 进行自动复位功能。 同时也支持远程复位。
表 1 OVPD 的动作特性
符号
U> U >> U >>>
阈值 90VDC 150VDC 600VDC
动作特性 直流接触器延时 1.0s 合闸，10.0 分闸 直流接触器延时 0.1s 合闸，保持闭合
晶闸管合闸无延时，保持闭合
工程实测中出现的问题
目前在工程实测中发现，OVPD 经常存在闭合现象。 根据现场记录的有关数据表示，当 OVPD 动作闭合时，在 10s 后直流接触器断开时会出现尖峰电压，当尖峰电压过高 时会造成 OVPD 再次闭合。
由于回流系统模型为分布参数模型，当涉及暂态变化对 钢轨电位产生的影响，钢轨电感 LG1、钢轨电容 Cg2 会显著的影 响钢轨电压。钢轨电感是由内，外电感包括接触网和 钢轨及地之间的耦合关系、回流钢轨和钢轨下方的结构钢筋 等之间的互感。钢轨电容是指在暂态变化过程中轨道和地的 电容效应，用均匀性分布的电容元件来描述。由电磁场理论 可知，钢轨电容 Cg2 为公式（1）。其中。 ε0 —介电常数， l —
◎ 10 万～ 30 万
中国科技信息 2019 年第 12 期·CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jun.2019 DOI：10.3969/j.issn.1001- 8972.2019.12.024
可实现度
可替代度
link
appraisement
中铁十一局集团电务工程有限公司 贵阳地铁 1 号线项目部工程部部长
行业曲线 industry
影响力
真实度
行业关联度
刘 杰 地铁钢轨电位限制装置运行问题
钢轨电位限制装置已经广泛的应用在全国各地的地铁中，然而在应 用中带来的问题也日益突出。本文主要针对 OVPD 在运行过程中出现尖 峰电压的问题进行建模仿真研究，并且提出优化措施，解决由于尖峰过电 压导致 OVPD 分闸闭锁的问题，使 OVPD 更好的应用于轨道交通系统中。
在直流牵引供电系统中，机车由接触网供电，接触网的 电压一般为 1500V 或 750V，钢轨通常作为牵引电流的回流 通路。由于钢轨的纵向电阻、钢轨与地之间的过渡电阻，钢 轨和地之间存在电位差，即钢轨电位。在机车运行时，人体 和机车的电位是相等的，当乘客在上车、下车的过程中，会 在站台和机车上形成跨步电压，当跨步电压过高时，会对人 身安全产生危害，同时也会对轨旁设备的安全运行造成影响。 由于钢轨和大地之间无法完全绝缘，会存在部分电流流入大 地，产生杂散电流，杂散电流会对轨道系统中的结构和管道 造成电气腐蚀，而且对邻近结构和地下管道，包括输送石油、 气体和水的管道也会造成腐蚀。为了减少杂散电流泄露造成 的腐蚀问题，悬浮接地方式通常为直流牵引供电系统采用的 接地方式，设备采用绝缘方式安装，并尽可能增大钢轨对大 地的过渡电阻，然而这些措施在一定程度上会增大钢轨电位。
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图 1 OVPD 的结构
CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jun.2019·中国科技信息 2019 年第 12 期
10 万～ 30 万◎
产生尖峰电压，由于此时的尖峰电压值过高，造成 OVPD 再次闭合。通过 OVPD 闭锁动作的数据可以观察到，当尖 峰电压超过 OVPD 的第三段动作电压 600V 时，OVPD 发 生永久闭锁。而且分闸后 OVPD 会立即闭锁。
钢轨长度， Req —钢轨等值半径， d —轨道之间的距离。
Cg2 = ln[
2πε 0l 2h
]
Req
(2h)2 +1 d
（1）
OVPD 合 闸 后， 回 流 系 统 的 电 流 经 过 钢 轨、 闭 合 的
OVPD，再流向大地。在钢轨电位限制装置断开的瞬间，相
当于该暂态模型的闭合回流通路突然断开。根据理论分析，
以工程中一次实测进行分析，当机车运行在下行线，钢 轨电位异常升高时，OVPD 动作闭合的波形图如图 2 所示。 可以观察到，OVPD 动作闭合 10s 后，OVPD 自动断开，
OVPD 的工作原理
在回流系统中，为了实现钢轨电位的保护特性，OVPD 主要包括晶闸管模块和直流接触器，OVPD 的结构如图 1 所 示。OVPD 的动作特性如图表 1 所示，主要分为三段：如果 检测的电压超过U（1 默认为90V ）时，OVPD 经过延时 1.0s 后，
钢 轨 电 位 限 制 装 置（Over Voltage Protection Device，OVPD 安装在牵引变电所内，能够在钢轨电位过 高的情况下保障人身安全。首先检测钢轨、大地之间的电压 差，即钢轨电位，当钢轨电位超过整定值时，OVPD 动作， 将钢轨直接接地，从而达到降低钢轨电位的目的。然而，由于 OVPD 普遍的使用，在实际工程也产生一些不可忽略的问题。 本文主要针对在实际工程中 OVPD 在操作过程中出现的尖峰 过电压问题进行建模分析，通过分析原因，进而对 OVPD 进 行优化，使使 OVPD 在轨道交通中能够得到更好的利用。
建模及仿真分析 回流系统暂态模型
根据现场实际情况可知，回流系统的电容、电感参数由 于机车的牵引电流在发生快速变化时对轨道交通系统影响较 大，不可轻视。尤其是在 OVPD 分合闸的时候，电流由于 瞬间接通或者切断，导致其变化率极大，因而回流系统的电 容、电感等暂态参数会严重影响钢轨电位。
传统的回流系统的稳态电阻模型已经无法满足需求，需 要建立地铁回流的暂态模型。建立的双边供电回流系统暂态 模型如图 3 所示，暂态模型参数主要包括钢轨电感、钢轨电 容和钢轨电阻等。