城市轨道交通钢轨电位限制装置操作过电压抑制研究

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原文发表于《都市快轨交通》

2025年 第1期

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孙建军1，邢春阳1，兰慧峰1，李国玉1，李传辉2，黄齐来2

1研究背景

国内外城市轨道交通主要采用直流供电方式。在直流牵引供电系统中，钢轨通常采用浮地安装，但无法保证钢轨对地完全绝缘，因此当走行轨同时作为牵引回流路径时，钢轨与大地之间存在一个电位差，即钢轨电位[1-2]。为保障人身安全，一般在各个车站以及车辆段均安装钢轨电位限制器(over-voltageprotectiondevice，OVPD)。

当钢轨电位过高时，钢轨通过OVPD直接接地，用以钳制钢轨电位[3-4]。OVPD动作后，大量牵引回流经由OVPD直接流入大地，形成杂散电流[5]。当OVPD合闸接地时，由OVPD泄漏至大地的杂散电流可达2000A，可引起地下钢轨、地下金属结构的电化学腐蚀[6]。城市轨道交通直流牵引供电系统中产生的过电压主要是由于钢轨电位限制器中直流接触器分闸时改变了回流系统等值结构和参数，造成高阶振荡电路的暂态过程，从而引起过电压，过电压导致钢轨电位限制器的频繁动作及误动作。由于钢轨电位限制器钢轨与大地短接，钢轨对地泄漏的杂散电流将会急剧上升，导致埋地金属管道腐蚀、直流偏磁等现象加剧[7]。当钢轨电位达到钢轨电位限制器OVPD的I段电压保护阈值U1(通常为120V)时，钢轨电位限制器将钢轨与大地短接，有效降低钢轨电位。当钢轨电位达到钢轨电位限制器OVPD的II段电压保护阈值U2(通常为150V)时，钢轨电位限制器无延时使接触器直接合闸并闭锁。当钢轨电位达到钢轨电位限制器OVPD的Ⅲ段电压保护阈值U3(通常为600V)时，晶闸管模块将无延时导通，直流接触器接收到晶闸管导通信号后，合闸并永久闭锁[8-9]。基于上述分析，针对钢轨电位限制装置OVPD操作过电压对钢轨电位的影响，本文提出了一种钢轨电位过电压抑制方法，通过搭建OVPD操作过电压仿真模型，利用N1250接触器搭建电弧实验平台和挂网测试进行分析研究，结果表明，采用钢轨过电压抑制方法后，显著降低钢轨电位限制装置分闸产生的操作过电压，降低了OVPD误动作的可能性，减小了杂散电流腐蚀。

2钢轨电位限制装置操作过电压

2.1操作过电压实测

目前，国内地铁直流牵引供电系统所用的OVPD大多为意大利MicroeletricaScientifica公司生产的N1250接触器，其样机如图1所示。据青岛地铁运营公司统计，青岛地铁1号线在6hOVPD的动作次数高达349次，其中Ⅰ段动作125次，Ⅱ段动作224次，且Ⅱ段动作总数高于Ⅰ段，甚至出现多次6座及以上车站钢轨电位限制器同时动作的情况。OVPD复归时产生的电弧过电压可能引起OVPDⅡ段闭锁，如图2所示。

2.2操作过电压电弧模型

由于开关间隙中的电弧处在一个变化的磁场中，并且电弧的位置和形状也在随时间改变。电弧电流任一微元每个时刻所受到的磁场驱动力和空气阻力也不同，电弧运动的整个过程不能用单一的方程和函数描述。因此，应对电弧模型做简化处理。假设弧柱电流微元仅受到磁场的洛仑兹力Fm的作用，运动方向与Fm的方向相同，只考虑磁场与电流方向垂直的分量，因为与电流方向平行的分量不是驱动电弧向前运动的。同时，运动的电流元又会受到空气阻力FD的作用，该力的方向与电流元运动的方向相反。电弧微元受力如图3所示。

根据牛顿第二定律有：

式中，m为电弧质量；v(t)为电弧运动速度。洛仑兹力Fm可由式

(2)确定式中，I(t)为电弧电流；l为电弧长度；B为电弧电流产生的自磁场。根据流体力学理论，空气阻力FD是关于电流运动速度v的函数。为方便研究，开关电弧视作圆柱体。当圆柱体电弧在空气中运动时，它所受到的空气阻力FD为式中，CD为关于雷诺数的阻力系数函数，无量纲；ρ为空气的质量密度；darc为电弧电流直径。电弧直径可由公式(4)计算

式(4)适用于在空气中被横向运动冷却的电弧。

3过电压抑制方案设计及仿真研究

针对钢轨电位限制装置分闸产生的操作过电压问题，本文提出基于预充电电容的城市轨道交通OVPD过电压抑制方法，以削弱钢轨电位过电压峰值，降低OVPD误动作的可能性，减小杂散电流腐蚀。

3.1抑弧方案拓扑设计

在OVPD原结构基础上并联过电压抑制装置，基于预充电电容的城市轨道交通OVPD过电压抑制拓扑如图4所示。

当钢轨电位限制器复归时，直流接触器K开始分闸，控制系统触发半控型功率半导体器件VT1导通，组成强迫换流回路，抑制直流接触器K分断截流过电压。电容器反向充电后，半控型功率半导体器件VT1截止，强迫换流回路的电流为零。该过电压抑制方案不需要压敏电阻或者避雷器，当线路遭受频繁过电压冲击时，能反复、快速地抑制钢轨过电压。

3.2抑弧方案工作原理

以电流从大地流向钢轨为例进行分析，为简化系统拓扑方案，本研究不考虑其他回路的影响。基于预充电电容的钢轨电位限制器过电压抑制方案，拓扑工作原理如下。步骤一：当钢轨电位达到钢轨电位限制器的I、II或者Ⅲ段动作整定值时，t0时刻触发其直流接触器K合闸，钢轨电位被钳制为0；电流从大地经钢轨电位限制器的直流接触器K流向钢轨。步骤二：t1时刻控制系统接收到钢轨电位限制器发出的合闸信号后，充电电源UR给预充电电容C充电，t1时刻充电结束，断开K2。步骤三：t2时刻，钢轨电位限制器合闸信号消失时，检测到钢轨与大地之间存在50V电压差时，控制系统触发半控型功率半导体器件VT1导通，VT1和不可控型功率半导体器件VD2和VD3、限流元件R和无极性电容C构成强迫换流回路产生与Ik反向的换流电流ic，使直流接触器K处的电流Ik急速下降，在换流电流ic与直流接触器K电流Ik相等时，Ik=0。步骤四：t3时刻，直流接触器K分断、对无极性电容C进行反向充电，半控型功率半导体器件VT1关断，直流接触器K两端开始出现恢复电压。当设备需要维护检修时，控制钢轨过电压抑制装置的直流接触器K1断开。OVPD中直流接触器分断过程中过电压抑制装置各阶段电流流通示意如图5所示。

3.3过电压抑制方案仿真研究

为了减小OVPD分闸产生的过电压，OVPD分闸时会对流经OVPD的电流大小进行限制，通常在100A时进行分闸。为产生满足实验需求的直流电流，基于MATLAB/Simulink搭建钢轨过电压仿真平台，为简化系统拓扑方案，不考虑其他回路的影响。钢轨过电压仿真主电路如图6所示。

其中R、L分别为等效钢轨纵向电阻和钢轨电感，并将钢轨纵向电阻R和钢轨电感L设置为0.8Ω和5mH。仿真不同恢复电压、分断电流条件下的直流接触器分闸电弧过程，仿真中设置2组对照实验如表1所示。

3.4仿真结果及分析

未投入过电压抑制装置时，切断电流和过电压如图7所示。

由图7可知，未投入过电压抑制装置，分断电流为75A时，过电压峰值为114.06V，分断电流为100A时，过电压峰值为159.31V，超过OVPDII段动作的整定值，该站及沿线相邻OVPD会发生误动作。在OVPD两端并联过电压抑制装置，其内部电阻R为2Ω、电容为133uF、预充电容电压为200V，OVPD切断电流和钢轨电位过电压如所图8所示。

在t1=50ms直流接触器合闸信号消失后，检测到钢轨与大地之间存在50V电压差时，控制系统触发半控型功率半导体器件VT1导通，电容C构成强迫换流回路产生与Ik反向的换流电流Ic，分断电流分别为75A和100A时，直流接触器触头两端电压最大值为85.27V和105.3V，OVPD分闸产生的操作过电压显著降低，在上述分断条件下均可以避免OVPD发生Ⅱ段动作。

4过电压抑制方案实验研究

4.1实验平台搭建

为产生满足实验需求的直流电流，利用三相调压器降压后整流的方式输出直流电流，整流方式采用三相全波整流桥；考虑到直流牵引供电系统大多为感性负载，因此采用电感和电阻串联的方式组成主回路负载，实验主回路结构如图9所示。其中，三相调压器的输入电压为380VAC，调压范围为0～430VAC，容量变化范围为0～30kVA；三相全波整流桥采用上海上整整流器公司生产MDS800A型三相整流桥，L为负载等效电感，取5mH；R为负载电阻，为实现流经主回路的直流电流可调，采用30kW功率的可变电阻箱作为负载电阻，主回路最大允许电流可达120A；K为N1250直流接触器，N1250直流接触器通过220VDC磁操动机构进行控制。

4.2实验结果及分析

未投入过电压抑制装置时，OVPD切断电流和钢轨电位过电压如所图10所示。

未投入过电压抑制装置时，分断电流为75A时，过电压峰值为117.38V，分断电流为100A时，过电压峰值为164.13V，超过OVPD的II段整定值，该站及沿线相邻OVPD会发生误动作。在OVPD两端并联过电压抑制装置，OVPD切断电流和钢轨电位过电压如图11所示。

在t1=50ms直流接触器合闸信号消失后，检测到钢轨与大地之间存在50V电压差时，控制系统触发半控型功率半导体器件VT1导通，电容C构成强迫换流回路产生与Ik反向的换流电流Ic，分断电流分别为75A和100A时，直流接触器触头两端电压最大值为85.52V和101.6V，过电压峰值与仿真结果基本一致。OVPD分闸产生的操作过电压显著降低，在上述分断条件下均可以避免OVPD发生Ⅱ段动作。

5线路实测分析

基于上述仿真和实验结果，以国内某地铁车站为例，在该车站OVPD处加装钢轨电位监测装置和钢轨过电压抑制装置。

5.1挂网实测数据监测

通过DVL500电压传感器和LEM2000同步监测钢轨电位和流经OVPD的电流，OVPD过电压抑制装置及OVPD之间的接线与监测设备如图12所示。

同一车站内通过1台设备采集信号，同步测试信号。

5.2挂网实测结果及分析

选取典型数据进行分析，当未投入过电压抑制装置时，OVPD切断电流和钢轨电位过电压如图13所示。由图13可知，未投入过电压抑制装置时，分断电流为99.32A时，过电压峰值为160.45V，超过OVPD的II段整定值，且后期通过查阅OVPD报文可知该时刻该站OVPD闭合。当投入过电压抑制装置时，OVPD切断电流和钢轨电位过电压如图14所示。

由图14可以看出，

在t1=35.2ms直流接触器合闸信号消失后，检测到钢轨与大地之间存在50V电压差时，控制系统触发半控型功率半导体器件VT1导通，电容C构成强迫换流回路产生与Ik反向的换流电流Ic，分断电流分别97.82A，钢轨过电压峰值为98.89V，OVPD分闸产生的操作过电压显著降低，在上述分断条件下均可以避免OVPD发生Ⅱ段动作。挂网试验期间，OVPD分闸产生的操作过电压均低于150V，证明了该方法的有效性。该线路其他车站和段场后续均采用该方法改造了OVPD装置，有效抑制了直流接触器截断电流产生的钢轨过电压。

6结语

1)针对钢轨电位限制装置OVPD操作过电压对钢轨电位的影响，本文建立OVPD分闸时操作过电压电弧电流受力模型，提出一种钢轨电位过电压抑制方法，阐述所提方案的电路拓扑结构设计以及工作原理，并结合实际场合设计钢轨过电压抑制方法中的电路参数。

2)本文通过搭建OVPD操作过电压仿真模型、基于N1250接触器搭建操作电弧实验平台、在实际地铁线路中加装钢轨过电压抑制装置等三种方式，验证本文所提方法对操作过电压的抑制能力。结果表明，采用钢轨过电压抑制方法后，钢轨电位限制装置分闸产生的操作过电压显著下降，降低了OVPD误动作的可能性，减小了杂散电流泄漏。