陸煜旻 張華英

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司供電分公司，200235，上?！蔚谝蛔髡?，工程師)

直流牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生的雜散電流是一直困擾城市軌道交通發(fā)展的問題之一。雜散電流會(huì)腐蝕地鐵設(shè)備以及附近的金屬管物等。雜散電流可通過正線軌道經(jīng)車輛基地軌道泄漏至大地，造成雜散電流泄漏。為了減少雜散電流的影響范圍，在車輛出入場線、停車庫、檢修庫內(nèi)外之間等區(qū)域設(shè)置鋼軌絕緣接頭。通常采用單向?qū)ㄑb置并接于鋼軌絕緣接頭處，用于連接絕緣接頭兩端的鋼軌，從而減少正線雜散電流向車輛基地?cái)U(kuò)散[1]。然而，實(shí)際應(yīng)用情況表明，車輛基地四周的鋼筋結(jié)構(gòu)及埋地管線仍存在較嚴(yán)重的腐蝕情況。

1 車輛基地雜散電流現(xiàn)狀

1.1 存在的問題

相對正線而言，車輛基地是地鐵防護(hù)雜散電流的薄弱環(huán)節(jié)。上海城市軌道交通車輛基地咽喉區(qū)采用的是碎石道床。地面碎石道床全天候暴露于自然環(huán)境中，粉塵、雨雪、霜凍等對軌地過渡電阻影響很大。碎石道床的絕緣往往難以達(dá)到理論值，同時(shí)碎石道床未設(shè)置雜散電流收集網(wǎng)，因此全線網(wǎng)多個(gè)車輛基地受雜散電流干擾影響大，雜散電流問題相對突出。例如，上海軌道交通3號線石龍路停車庫鋼結(jié)構(gòu)立柱根部出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象，上海軌道交通3號線江楊北路和石龍路、上海軌道交通9號線九亭、上海軌道交通1號線梅隴等車輛基地的鏇輪庫和停車庫經(jīng)常發(fā)生施工作業(yè)時(shí)鋼軌打火的現(xiàn)象；上海軌道交通8號線殷行路、上海軌道交通11號線上海賽車場車輛基地內(nèi)的接觸網(wǎng)隔離開關(guān)接地處發(fā)生冒火星的現(xiàn)象。

1.2 測試結(jié)果分析

在車輛基地接觸網(wǎng)停電的狀態(tài)下，對多個(gè)車輛基地雜散電流進(jìn)行相關(guān)參數(shù)測試，包括：①出入場線處單向?qū)ㄑb置斷開前后，單向?qū)ㄑb置電流與出入場線鋼軌絕緣分段處電位對比測試；②車輛基地周邊土壤電位梯度及雜散電流方向?qū)Ρ葴y試。選取上海城市軌道交通多個(gè)車輛基地出入場線單向?qū)ㄑb置斷開前、后的測試結(jié)果進(jìn)行對比(見表1)。根據(jù)測試結(jié)果分析車輛基地內(nèi)雜散電流干擾及其分布規(guī)律，以及雜散電流的流通路徑，并提出改進(jìn)單向?qū)ㄑb置功能的技術(shù)要求。

表1 上海城市軌道交通各車輛基地出入場線單向?qū)ㄑb置斷開前后的測試結(jié)果對比

由表1可知，當(dāng)靠近車輛基地附近的正線列車處于正常狀態(tài)時(shí)，單向?qū)ㄑb置中的二極管能使車輛基地正線方向的電氣連通，從而使得電流從正線通過大地流入車輛基地，然后通過單向?qū)ㄑb置再流入正線，形成完整的電流通路[2](如圖1所示)；當(dāng)單向?qū)ㄑb置處于退出狀態(tài)時(shí)，停車場鋼軌與正線鋼軌斷開，鋼軌上的電流不能相通，停車場附近的正線鋼軌泄漏的雜散電流因鋼軌被絕緣結(jié)斷開而不能形成通路，因此停車場土壤梯度電壓正負(fù)波動(dòng)幅度最小，土壤電位梯度也是最小的。車輛基地是絕緣薄弱區(qū)段，進(jìn)入車輛基地的雜散電流會(huì)對場內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋及埋地管線造成腐蝕[3]。

注：I為正線列車牽引電流；Is為正線雜散電流。圖1 正線列車處于正常狀態(tài)時(shí)車輛基地電流流通路徑

2 智能導(dǎo)通裝置的工作原理及應(yīng)用

單向?qū)ㄑb置設(shè)置的主要目的是減少正線雜散電流向車輛基地?cái)U(kuò)散。但由于正線雜散電流的干擾，造成了咽喉區(qū)單向?qū)ㄑb置形成長期通流的回路，因此需要有效斷開咽喉區(qū)單向?qū)ㄑb置的持續(xù)通流性，減少車輛基地受正線雜散電流的干擾。

2.1 智能導(dǎo)通裝置的工作原理

智能導(dǎo)通裝置并接在車輛的出入段線鋼軌絕緣結(jié)兩端，有列車通過時(shí)智能導(dǎo)通裝置導(dǎo)通，無列車通過時(shí)智能導(dǎo)通裝置斷開。智能導(dǎo)通裝置通過主回路開關(guān)隔斷正線與車輛基地[3]的電流。其主要工作原理如圖2所示。

注：QM表示電動(dòng)隔離開關(guān)；QF表示主回路接觸器。圖2 智能導(dǎo)通裝置的工作原理Fig.2 Working principle of intelligent conduction device

智能導(dǎo)通裝置主要由列車位置檢測電路、主回路開關(guān)、電動(dòng)隔離開關(guān)、控制器等組成。列車位置傳感器可檢測列車位置，主回路開關(guān)作為執(zhí)行器件，控制器根據(jù)檢測的列車位置和關(guān)斷電流值來判斷主回路開關(guān)應(yīng)閉鎖或斷開，從而實(shí)現(xiàn)正線和車輛基地軌道的連通和絕緣。當(dāng)控制器檢測到列車經(jīng)過時(shí)，主回路開關(guān)閉鎖；當(dāng)列車經(jīng)過且電流小于關(guān)斷電流值時(shí)，主回路開關(guān)斷開。

智能導(dǎo)通裝置設(shè)有消弧裝置，其能檢測絕緣結(jié)電壓。當(dāng)絕緣結(jié)電壓大于設(shè)定消弧電壓時(shí)，可控硅導(dǎo)通，這能避免產(chǎn)生電弧導(dǎo)致的燒蝕軌道現(xiàn)象。

2.2 智能導(dǎo)通裝置的應(yīng)用及測試

根據(jù)智能導(dǎo)通裝置的應(yīng)用原理，對上海軌道交通3號線石龍路車輛基地出入場線軌道絕緣結(jié)處的單向?qū)аb置進(jìn)行改造，更換了2套智能導(dǎo)通裝置。智能導(dǎo)通裝置與單向?qū)ㄑb置的安裝位置相同，且與單向?qū)ㄑb置尺寸兼容。若將絕緣結(jié)兩側(cè)鋼軌接線接入智能導(dǎo)通裝置，則無需增加其他線纜，便可直接替換原有單向?qū)ㄑb置；同時(shí)增加2處列車位置傳感器，將信號線接入智能導(dǎo)通裝置，總體改造工程量小。

導(dǎo)通裝置安裝完成后，對其進(jìn)行了相關(guān)測試，以驗(yàn)證該裝置切斷車輛基地雜散電流流入正線的有效性。在車輛基地內(nèi)接觸網(wǎng)停電時(shí)，按照同一運(yùn)營時(shí)間段、同一位置的測試方式，測試內(nèi)容及方法與單向?qū)ㄑb置測試相同。

2.2.1 雜散電流干擾測試評估

對3號線石龍路車輛基地附近進(jìn)行雜散電流干擾評估測試。當(dāng)電位梯度大于0.5 mV/m時(shí)，判為存在雜散電流腐蝕可能性；當(dāng)電位梯度超過2.5 mV/m時(shí)，必須采取排流等防干擾腐蝕措施。

2.2.1.1 智能導(dǎo)通裝置應(yīng)用前測試分析

首先采用十字交叉法測試車輛基地附近3處檢測點(diǎn)土壤電位梯度與雜散電流方向。土壤電位梯度檢測結(jié)果如表2、圖3所示，土壤電位梯度的方向?yàn)檠厥噶亢椭赶蜃鴺?biāo)原點(diǎn)的方向。

表2 3號線石龍路車輛基地雜散電流干擾測試前的土壤電位梯度

圖3 3號線石龍路車輛基地雜散電流干擾測試前土壤電位梯度方向

測試點(diǎn)1的雜散電流方向?yàn)槲髂戏较颍瑴y試點(diǎn)2的雜散電流方向?yàn)闁|北方向，且這兩個(gè)測試點(diǎn)均指向3號線和石龍路車輛基地咽喉區(qū)；測試點(diǎn)3雜散電流方向?yàn)闁|北方向，大致指向3號線石龍路站。

測試點(diǎn)2南北方向地電位梯度大于2.5 mV/m，測試點(diǎn)2東西方向地電位梯度接近2.5 mV/m，說明測試點(diǎn)2必須采取排流等防干擾腐蝕措施。測試點(diǎn)1與測試點(diǎn)3東西方向和南北方向地電位梯度均小于2.5 mV/m且大于0.5 mV/m，說明測試點(diǎn)1與測試點(diǎn)3存在雜散腐蝕的可能性。

2.2.1.2 智能導(dǎo)通裝置應(yīng)用后測試分析

復(fù)測遵循與首測(智能導(dǎo)通裝置未應(yīng)用前)同一運(yùn)營時(shí)間段、同一位置的原則。土壤電位梯度與雜散電流方向與首測相比發(fā)生變化，測試點(diǎn)1、測試點(diǎn)2和測試點(diǎn)3土壤電位梯度與雜散電流方向均變成西北方向，大致指向上海軌道交通3號線沿線。測試點(diǎn)1，南北土壤電位梯度絕對值比首測降低了26.08%，東西土壤電位梯度比首測降低了67.66%；測試點(diǎn)2南北電位梯度比首測降低了74.76%，東西土壤電位梯度比首測降低了58.38%；測試點(diǎn)3南北電位梯度比首測降低了11.58%，東西土壤電位梯度比原來降低了35.41%。測試點(diǎn)1、測試點(diǎn)2和測試點(diǎn)3土壤電位梯度均小于2.5 mV/m，說明土壤電位梯度改善顯著。復(fù)測土壤電位梯度與雜散電流方向，如表3、圖4所示。

表3 3號線石龍路車輛基地智能導(dǎo)通裝置應(yīng)用后的土壤電位梯度

圖4 3號線石龍路車輛基地智能導(dǎo)通裝置應(yīng)用后的土壤電位梯度方向

2.2.2 車輛基地雜散電流的測試評估

在車輛基地附近區(qū)間內(nèi)，選取單向?qū)ㄑb置內(nèi)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行同步測試。出入場線區(qū)域單向?qū)ㄑb置測試原理及參考方向如圖5所示，電流的正方向規(guī)定為車輛基地往正線方向。

注：A為電流測試；V為電壓測試。圖5 3號線石龍路車輛基地單向?qū)ㄑb置測試原理

2.2.2.1 智能導(dǎo)通裝置應(yīng)用前測試分析

智能導(dǎo)通裝置應(yīng)用前，3號線石龍路車輛基地單向?qū)ㄑb置鋼軌電位及單向?qū)ㄑb置電流數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4 3號線石龍路車輛基地智能導(dǎo)通裝置應(yīng)用前測試結(jié)果

由表4可知，單向?qū)ㄑb置存在二極管支路導(dǎo)通，晶閘管支路一直處于斷開狀態(tài)。當(dāng)停車場鋼軌對地電位大于正線鋼軌對地電位時(shí)，二極管支路導(dǎo)通。此時(shí)由庫內(nèi)流向正線的電流幅值最大值可達(dá)到376.7 A，大地中雜散電流經(jīng)庫內(nèi)軌道吸收流回正線造成直流干擾。

2.2.2.2 智能導(dǎo)通裝置應(yīng)用后測試分析

復(fù)測咽喉區(qū)上行/下行線路智能導(dǎo)通裝置處正線側(cè)鋼軌對地電壓、上行/下行線路智能導(dǎo)通裝置處車輛基地側(cè)鋼軌對地電壓、上行/下行線路智能導(dǎo)通裝置中電流，測試結(jié)果如表5所示。

通過復(fù)測結(jié)果可見，正線鋼軌電位與場內(nèi)鋼軌電位差大小基本不變；但是車輛基地與正線之間的“橋梁”已被阻斷，上行/下行線路通過智能導(dǎo)通裝置的電流為零。證明了智能導(dǎo)通裝置的應(yīng)用，有效防止了車輛基地雜散電流侵入至正線，抑制了車輛基地中雜散電流的收集。

表5 3號線石龍路車輛基地智能導(dǎo)通裝置應(yīng)用后測試結(jié)果

3 結(jié)語

本文通過現(xiàn)場測試，驗(yàn)證了在車輛基地內(nèi)接觸網(wǎng)停電時(shí)，車輛基地附近受雜散電流干擾，有雜散電流流入車輛基地內(nèi)，并經(jīng)過咽喉區(qū)單向?qū)ㄑb置由庫內(nèi)流向正線，形成長期通流的回路。采用智能導(dǎo)通裝置替換原有的單向?qū)ㄑb置，經(jīng)現(xiàn)場測試結(jié)果表明，車輛基地附近受到雜散電流干擾明顯減弱，土壤電位梯度減小顯著，能有效阻斷雜散電流由正線通過大地流到車輛基地再回到正線的電流通路，減少了雜散電流對車輛基地內(nèi)鋼筋結(jié)構(gòu)及埋地管線造成腐蝕。

現(xiàn)場測試結(jié)果表明，智能導(dǎo)通裝置在城市軌道交通車輛基地的應(yīng)用，對減小車輛基地雜散電流影響具有重大意義。目前，智能導(dǎo)通裝置可直接替換原單向?qū)ㄑb置，已在上海、寧波等地的城市軌道交通中得到應(yīng)用，抑制雜散電流擴(kuò)散效果顯著。