廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 田 彩

本文介紹了既有線路的鋼軌電位現(xiàn)狀，分析了鋼軌電位異常升高的原因，提出了針對(duì)既有線路以及新建線路鋼軌電位的建議措施，分析了沿著鋼軌縱向焊接電纜短接方案對(duì)于降低鋼軌電位的影響，相關(guān)結(jié)論可以為地鐵鋼軌電位的降低與控制提供建議和參考。

在城市軌道交通中，由牽引所輸出的電流路徑為牽引所-接觸網(wǎng)-受電弓-列車-鋼軌-牽引所，流入鋼軌的電流不能全部經(jīng)由鋼軌流回至牽引所負(fù)極柜，其中一部分會(huì)泄漏到大地，由大地流回至牽引所，這部分電流就是雜散電流。雜散電流會(huì)導(dǎo)致部分設(shè)備損壞，引起附近建筑物的鋼筋以及金屬管線發(fā)生電化學(xué)腐蝕，破壞其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，縮短使用壽命。為了減少雜散電流對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)、隧道結(jié)構(gòu)及相關(guān)設(shè)備設(shè)施的危害，鋼軌通過絕緣安裝實(shí)現(xiàn)對(duì)地絕緣，站臺(tái)門設(shè)備也采用絕緣安裝。

由于軌道自身阻抗以及雜散電流的影響，當(dāng)供電區(qū)段有運(yùn)行的列車時(shí)軌道與地之間會(huì)產(chǎn)生電位差，電位差嚴(yán)重時(shí)會(huì)危害乘客人身安全。在目前的工程設(shè)計(jì)中，大多通過采用鋼軌電位限制裝置來避免鋼軌電壓過高造成的人身危害。鋼軌電位限制裝置的工作原理一般為：當(dāng)軌電位大于90V時(shí)，接觸器在短接閉合3次后永久閉合；大于150V時(shí)，接觸器永久閉合；大于600V時(shí)，晶閘管快速接通，在接觸器閉合后斷開。

1 既有線路的鋼軌電位現(xiàn)狀

廣州城市軌道交通線路大多采用DC1500V接觸網(wǎng)（或接觸軌）供電、鋼軌回流系統(tǒng)，鋼軌采取絕緣安裝，鋼軌和地之間會(huì)產(chǎn)生電位差，嚴(yán)重時(shí)危及人身安全。鑒于車體與鋼軌電氣連通，為避免上下車過程中的跨步電壓對(duì)乘客造成傷害，在目前工程設(shè)計(jì)中，常用解決方案是采用站臺(tái)門絕緣安裝，利用電纜將鋼軌與站臺(tái)門連接以保證二者的等電位。在廣州地鐵既有線路的運(yùn)營(yíng)過程中發(fā)現(xiàn)，運(yùn)營(yíng)線路的部分車站均存在鋼軌電位偏高現(xiàn)象（目前主要采用軌電位限制裝置常閉來解決這一問題），站臺(tái)門外框結(jié)構(gòu)等與相鄰金屬部件存在火花放電現(xiàn)象，當(dāng)站臺(tái)門絕緣性能減弱時(shí)，鋼軌與站臺(tái)門連接電纜電流過大，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)電纜燒斷等現(xiàn)象。

2 鋼軌電位異常原因分析

2.1 回流電阻過大

直流牽引供電系統(tǒng)的回流回路主要由鋼軌、均回流電纜等組成，若回流回路電阻過大，當(dāng)有回流電流通過時(shí)，就產(chǎn)生較高的鋼軌電位，鋼軌的電阻越大，軌電位越高。同時(shí)隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，若鋼軌與均回流電纜的連接處、回流電纜與負(fù)極柜的連接處出現(xiàn)接觸不良現(xiàn)象，長(zhǎng)期運(yùn)行后鋼軌的腐蝕將逐漸嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致接觸電阻增加，從而使得軌電位進(jìn)一步升高，導(dǎo)致雜散電流逐步增加，形成惡性循環(huán)。

2.2 回流系統(tǒng)絕緣性能不佳

鋼軌與大地間的過渡電阻與鋼軌絕緣墊、站臺(tái)門門框等設(shè)備的制作工藝以及安裝精度緊密相關(guān)，其絕緣性能直接影響回流系統(tǒng)的性能。目前鋼軌絕緣墊、站臺(tái)門等設(shè)備由于制造工藝以及現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境及精度的影響，導(dǎo)致其絕緣性能不佳，是造成站臺(tái)門附近位置軌電位高及出現(xiàn)打火現(xiàn)象的主要原因之一。為了避免跨步電壓的危害，車站位置采用鋼軌與站臺(tái)門短接方案，但如果站臺(tái)門絕緣性能薄弱，就相當(dāng)于站臺(tái)門位置存在參考接地點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致軌電位變高，出現(xiàn)打火現(xiàn)象。

2.3 電流不斷變化

列車運(yùn)行時(shí)，電流由牽引所經(jīng)隔離開關(guān)輸送至接觸網(wǎng)，通過受電弓給列車供電，最后通過回流系統(tǒng)回至牽引所。當(dāng)供電區(qū)段有列車運(yùn)行時(shí)，列車啟動(dòng)和停車時(shí)會(huì)導(dǎo)致牽引電流的不斷變化，特別是行車密度大的時(shí)段，負(fù)荷量大，牽引電流也更大，進(jìn)而引起鋼軌電位隨之升高。

3 鋼軌電位異常升高的解決建議

3.1 既有線路

對(duì)于既有線路，其行車組織、列車編組、機(jī)車功率、鋼軌縱向電阻、鋼軌泄漏阻抗、牽引所間距、整流機(jī)組內(nèi)阻等參數(shù)已經(jīng)固定，由于調(diào)整的成本過高，基本無法再進(jìn)行修改，針對(duì)既有線路，主要原則就是增大回流系統(tǒng)導(dǎo)流能力，減少內(nèi)阻，除了在鋼軌接頭處、道岔接頭處、魚尾板處等采用電纜短接外，還可以采用沿著鋼軌縱向，焊接電纜進(jìn)行短接方案減小鋼軌的回流電流，從而降低軌電位、減少因鋼軌絕緣性能不佳引起的雜散電流，本方案目前只應(yīng)用在鋼軌與油氣管道并行區(qū)域、河流附近等重點(diǎn)防護(hù)位置。

針對(duì)沿鋼軌縱向，焊接電纜進(jìn)行短接方案的效果分析如下：

簡(jiǎn)化后的電路圖如圖1所示，R1為鋼軌電阻，取37.32μΩ/m，R2為短接電纜的電阻，短接電纜采用150mm2電纜，取129μΩ/m。根據(jù)歐姆定律列方程計(jì)算電纜電流占比如式(1)所示。

圖1 簡(jiǎn)化電路圖

根據(jù)深圳某線路的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，油氣管道并行距離為26m，考慮電纜裕量，本文分析單根電纜長(zhǎng)度取值30m。計(jì)算得到的電纜電流占總電流比例如表1所示。

表1 電纜電流相對(duì)總電流占比/%

由表1可知，短接4根150mm2電纜時(shí)電纜電流占比能達(dá)到53.6%。目前150mm2電纜價(jià)格約為170元/米，按照4根30m計(jì)算，則需40800元。由此可見，焊接電纜短接方案的投入成本很高，目前只應(yīng)用在鋼軌與油氣管道并行區(qū)域、河流附近等重點(diǎn)防護(hù)位置，不適合全線路推廣使用。因此解決鋼軌電位異常問題需從設(shè)計(jì)階段開始進(jìn)行分析和綜合考慮，才能更有效的解決問題，降低成本。

3.2 新建線路

對(duì)于新建線路，建議從牽引所間距、鋼軌縱向電阻、整流機(jī)組內(nèi)阻、鋼軌對(duì)地絕緣性能、站臺(tái)門絕緣性能、排流柜布置等多因素綜合考慮，在滿足各方功能要求的前提下，選擇相對(duì)最優(yōu)的鋼軌電位及雜散電流設(shè)計(jì)方案。確定設(shè)計(jì)方案后，要求供應(yīng)商和施工單位嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行供貨和施工，特別是鋼軌縱向電阻、現(xiàn)場(chǎng)安裝精度等關(guān)鍵因素，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)格書要求執(zhí)行，嚴(yán)格控制施工誤差。這對(duì)于有效控制鋼軌電位、減少雜散電流具有重要作用。

3.3 注意事項(xiàng)

注意加強(qiáng)運(yùn)維階段的檢測(cè)、檢修及養(yǎng)護(hù)，定期查看鋼軌電位限制裝置及排流柜的動(dòng)作情況，檢測(cè)鋼軌對(duì)地絕緣性能，檢測(cè)站臺(tái)門的絕緣性能，提前發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，盡可能減少雜散電流造成的危害。

鋼軌電位與雜散電流緊密相關(guān)，本文介紹了既有線路的鋼軌電位現(xiàn)狀，分析了鋼軌電位異常升高的原因，提出了針對(duì)既有線路以及新建線路鋼軌電位的建議措施，分析了沿著鋼軌縱向焊接電纜短接方案的效果和效益，相關(guān)結(jié)論可以為地鐵鋼軌電位的降低提供建議和參考。