城市轨道交通减少杂散电流的方案及建议

城市轨道交通减少杂散电流的方案及建议

黄玉坚

佛山市铁路投资建设集团有限公司广东佛山528000

摘要:杂散电流防护是地铁工程中需要考虑的一个重要问题。本文从加强钢轨绝缘、降低回流电阻和加强杂散电流收集三个方面，分析了减少杂散电流的措施，提出了具体方案及合理建议。

关键词：杂散电流；钢轨绝缘；负回流系统；排流网

1.概述

我国城市轨道交通采用直流牵引供电系统，通过走行轨回流。由于钢轨与地之间无法保证良好绝缘，因此会产生杂散电流，会对地铁结构及其附近管线造成腐蚀。地铁线路杂散电流的防护是一项系统工程，为了减少杂散电流的泄漏，通常采用“以防为主，以排为辅，防排结合，加强监测”的原则[1]来采取有效防护措施，通常采用的有“源头控制法”、“排流法”、“监测法”三种方法[2]。本文主要从加强钢轨绝缘、降低回流电阻和加强杂散电流收集三个方面，详细介绍杂散电流防护措施，提出具体方案及合理建议。

2.加强钢轨绝缘

2.1信号转辙机

城市地铁具有着车站配线复杂、行车密度大以及运行间隔短等特征，信号系统设备是保证地铁行车安全、提高运营效率的主要技术装备。转辙机是信号系统的重要基础设备，是实现道岔转换改变列车进路方向完成线路两端折返的关键设备。转辙机工作状态的好坏直接影响道岔能否正常转换，影响地铁行车的安全和效率。

某市1号线某站站后停车线的末端转辙机在运营过程中，发现转辙机有冒烟现象，经现场检查，发现转辙机的绝缘安装处及接地线处有烧灼现象，如图1所示。供电设计单位通过现场调研观察，认为发生转辙机绝缘处冒烟着火的主要原因是灰尘附着在绝缘垫的表面，降低了电阻，形成电流通路，电流通过转辙机绝缘片泄漏处的电流增大，发生冒烟现象。

针对上述问题，建议采取以下措施来增加绝缘垫的爬电距离：

（1）采用宽度更大的绝缘板和绝缘件。建议绝缘板的边距和绝缘件的边距，最好超过金属件的边缘外3~5cm，并将表面灰尘打磨干净。

（2）施工完毕后，对表面进行清洁。

（3）设置排水井，及时排除。

2.2钢轨绝缘扣件

钢轨扣件就是轨道上用以联结钢轨和轨枕(或其他类型轨下基础）的零件，又称中间联结零件。其作用是将钢轨固定在轨枕上，保持轨距和阻止钢轨相对于轨枕的纵横向移动。目前钢轨扣件的绝缘好坏直接关系到钢轨的绝缘能力。由于国内地铁的铺轨的施工工期极其紧张，导致目前钢轨的过渡电阻偏低，无法达到国家标准新线为15Ω•m，既有线为3Ω•m的要求。根据各地钢轨对地电阻的测量情况来看，普遍偏低。因此，解决杂散电流的首要问题，就是提高钢轨扣件的绝缘能力。

2.3屏蔽门与钢轨

在现有的条件下，乘客接触电压不能超过120V的。在屏蔽门绝缘阻值良好（大于0.25MΩ）的情况下，可较好的保护乘客的乘车安全，防止乘客被电击或电麻感觉。但由于外部环境、施工等因素的影响，目前多数屏蔽门绝缘状况不理想，普遍存在绝缘失效的情况。虽然人身安全没问题，但还是可能被电击或电麻的感觉，由此可能引起乘客对运营公司进行投诉。

针对上述问题提出两种屏蔽门绝缘方案：

（1）屏蔽门非绝缘安装集中接地，乘客易接触部分作绝缘处理。

本方案中，屏蔽门与土建站台板及土建顶梁间不作绝缘安装，钢轨和屏蔽门没有等电位连接，屏蔽门处于悬浮状态，门-地之间电位基本为0。屏蔽门关闭时，乘客和工作人员接触不到走行轨，不存在人身安全问题；当屏蔽门开启时，门-轨之间电位即为轨-地之间电位，此时机车已经停车，轨-门电位差较低。因此，在屏蔽门悬浮不连接钢轨时，可对钢轨电位限制装置控制进行优化，使其控制中加入屏蔽门开关信号，当屏蔽门开启时，轨电位限制装置可以正常动作，保护乘客人身安全；也可以采取另一种方法，钢轨电位限制装置与屏蔽门不做信号联动，而将屏蔽门能够接触到乘客的部位进行绝缘处理；当屏蔽门关闭时，钢轨电位得高低影响不了乘客的安全，实际测试钢轨电位很低。即使钢轨电位达到OVPD整定值，OVPD也可以不动作或者提高动作设定值。这样可以在保护乘客安全的情况下大大减少钢轨电位限制装置动作的次数，减少由此导致的杂散电流腐蚀问题。

（2）屏蔽门整体绝缘安装不接地，不与钢轨等电位连接。

屏蔽门与钢轨间不进行等电位连接，对乘客乘车的安全影响较小，加上钢轨电位限制装置的保护作用，异常情况下钢轨电位可限制在合理的范围内，因此屏蔽门与钢轨不作等电位连接是可行的。屏蔽门与钢轨不作等电位连接，可避免回流轨杂散电流通过屏蔽门腐蚀车站建筑结构，确保车站的设计寿命不受影响。屏蔽门绝缘效果良好的情况下，可较好的保障乘客上下车的人身安全。

3.降低回流电阻

3.1钢轨回流电缆焊接

城市轨道交通牵引回流网通常采用走行轨回流方式。走行轨回流将钢轨作为回流通路，通过回流电缆与钢轨的连接，将牵引电流回送至变电所负极。回流电缆与钢轨的连接不仅影响到整个牵引供电系统的回流质量，而且与钢轨性能、行车安全、杂散电流防治等紧密相关，是一个尤为重要的环节。选取一种工艺简单、经济合理。技术可靠的连接方式具有十分重要的现实意义。

目前国内城市轨道交通直流牵引回流网中回流电缆与钢轨的连接方式主要有以下几种[3]：

（1）放热焊接

放热焊接是从国外引进直接应用的焊接方法，其原理是通过铝与氧化铜的化学反应（放热反应）产生液态高温铜液和氧化铝的残渣，并利用放热反应所产生的高温来实现高性能电气熔接的现代焊接工艺。武汉轻轨、北京地铁四号线、十五号线、大兴线、十三号线、上海地铁、南京地铁等均采用该焊接方法。

放热焊接分为两种形式，一种为电缆直接焊接方式；另一种为利用铜排与钢轨焊接方式，分别如图3、4所示。电缆直接焊接方式在钢轨上的焊接面积较小，现场施工精度要求较低，对钢轨的影响较小，电缆与钢轨的连接牢固可靠，过渡电阻小，且结合面无腐蚀，经过长期的运营后，过渡电阻变化很小。利用铜排与钢轨焊接方式在钢轨上焊接点少，但钢轨上的单点焊接面积较大，且在现场操作时受天气、施工单位工艺水平的影响。

（2）螺栓连接

螺栓连接方式分为：单根电缆栓接、铜排栓接，分别如图5、6所示。单根电缆栓接往往用在电流较小的地段中近期可以满足过渡电阻不大于1米长（标准60kg钢轨）钢轨电阻值的要求，但在长时间的钢轨运行中受震动影响较大，影响回路回流效果，同时也容易引起轨电位升高。铜排栓接连接牢固可靠，但对现场施工工艺要求较严格，对铜排接触面的制造工艺要求较高，同样受震动影响较大。

（3）胀钉连接

胀接方式是用轨道交通专用胀钉将地铁供电均、回流电缆与钢轨连接，如图7所示，具有抗氧化、接触面大、接触电阻小、通流能力强等优点，避免了螺栓连接方式导流不畅烧伤钢轨的隐患，但是施工成本较高。

3.2道岔处钢轨电缆焊接

在CJJ49-92《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》中，对回流通路电气连接的要求如下：“地铁线路中的道岔与辙岔的连接部位应设置铜引连接线，其截面面积不应小于120mm2，铜引线与钢轨之间应焊接，接头电阻不应超过1m长完整轨道的电阻值。”[4]所以，电缆与钢轨的连接方式应保证接头处的接触电阻处于规范要求的范围内，从而降低钢轨电位。一般情况下，道岔处钢轨电缆焊接采用放热焊接方式。

4.加强杂散电流收集

4.1盾构区间钢筋收集网

盾构区间隧道是由圆形管片通过螺栓连接在一起的，每个盾构管片内有结构钢筋，在隧道内管片安装之前是预制的，每个管片内结构钢筋形成弧网状，并焊接为一个电气整体，形成钢筋收集网。在盾构区要实现排流防护，一方面是涉及盾构管片内部钢筋结构改造，费用较高；另一方面，即时将螺栓螺母与内部钢筋焊接起来，也会由于螺栓螺母的焊接接触导致不良的电气连接，所以对盾构区采取隔离法防护较为现实。

4.2道床钢筋收集网

除枕木穿孔固定用的钢筋外，在枕木以下的混凝土整体道床内，应设置杂散电流钢筋收集网。这主要是针对运营期间，当先期防护措施逐渐失效或渗水等因素造成大量杂散电流时而采取的防护措施。其目的在于收集由走行轨泄漏出的杂散电流，并由此将杂散电流收集回牵引变电所的负极，防止其流向区间隧道混凝土结构中的钢筋和其他金属导体。

4.3钢轨绝缘结

在车辆段的检修与停车库中，由于轨道对地过渡电阻降低，增加了杂散电流的泄漏。同样在地铁正线的一些特殊地段，如地铁地下隧道和地面铁路之间，地面部分轨道电流经过隧道外地面轨道向大地泄漏。另外在需要过江的地铁隧道，由于过江隧道的地质条件特殊，相对于其他隧道要潮湿很多，钢轨对地的泄漏电阻一般比其他地段的过渡电阻低二分之一至四分之一，隧道内杂散电流泄漏比其他地段要严重很多，由于地铁轨道是连通的，一旦列车在轨道上运行，在隧道内都有可能造成严重的杂散电流泄漏，导致埋地金属结构尤其是钢轨和钢轨紧固件严重腐蚀。

解决以上问题采用的手段是在轨道上设置绝缘结，并在绝缘结两端连接单向导通装置，保证轨道电流不断流。在地铁的各个特殊地段使用的绝缘结和单向导通装置如图8所示。图8（a）、（b）主要是表示车库（车场）轨道连线与地铁运营正线使用绝缘结和单向导通装置的示意图。由于绝缘结的电气绝缘特性的单向导通装置的二极管正向导通反向截止特性，当列车在正线线路行驶时，正线的轨道回流电流无法流到车库（车场）的轨道上，所以也就不可能从车库（车场）的轨道上向地下泄漏，避免了这一特殊地段杂散电流泄漏增大的可能。图8（c）是地铁地下隧道轨道与地面轨道之间采用绝缘结和单向导通装置的情况，其作用原理与图8（a）、（b）一样。图8（d）是过江隧道使用绝缘结和单向导通装置的情况，在隧道进出口的轨道上设置绝缘结，并安装单向导通装置，使得在没有列车通过隧道时，隧道中的钢轨没有电流通过，只有在列车通过隧道的过程中才有电流通过，而在整个隧道铺设辅助电缆的目的是保证不中断隧道内牵引电流的回路。

目前我国地铁设计在以上所提到的特殊地段，都是采用绝缘结加单向导通装置的方法来防止杂散电流腐蚀的。但在地铁正线上采用此方法，如图29（c）、（d）所示的使用现场，出现了列车通过绝缘结时，轨道的绝缘结附近产生强烈电弧而烧损轨道的现象。在需要设置单向导通装置的绝缘结区域，为了减少因列车通过绝缘结导致电流突然减少或断流而产生的电弧，应采取安装具有消弧功能的单向导通装置，利用大功率可控硅的开关特性，在列车轮轨通过绝缘结时，触发可控硅，避免相对于单向导通装置二极管反向电压的出现，从而遏制住电弧产生的条件。

4.4地铁车辆段牵引回流系统

牵引回流系统一般是由钢轨、回流电缆、钢轨电位限制装置、单向导通装置、排流柜以及道床、隧道结构钢筋等组成的，各部分相辅相成，共同构成了牵引电流的回流通路，保证牵引电流常规情况和故障情况下都能顺利回流到电源负极。正常下情况，直流牵引电经整流器输出至牵引所正极直流母排，再经馈线开关和上网刀闸将牵引电输送至接触网；列车经受电弓从接触网上引入直流牵引供电，经列车内主逆变器负极流出至列车的轮对；列车轮对再将主逆变器负极的电在传至与其直接接触的回流钢轨；由于回流钢轨与道床之间有一层绝缘性能良好的橡胶垫，因此大部分回流都经过钢轨回流流至牵引所负极，只有一小部分回流通过绝缘不良的地方流入道床或隧道结构，这部分电流则形成了地铁杂散电流；而大部分杂散电流经排流网收集，由排流柜回流流至牵引所负极。

钢轨是地铁直流牵引负回流的主要导体，钢轨存在纵向电阻，在有回流时，会产生一定的钢轨电压，使得钢轨在绝缘安装的情况下，钢轨和地之间有电位差，称为轨电位。较高的回流电流引起的轨道对地电位高，如不采取相应的措施降低轨电位，将影响轨道附近信号设备的正常工作，危及人身和设备安全。

针对钢轨电位过高的问题，有以下几种解决方案：

增加钢轨电位限制装置。为了保证人身安全，IEC62128规定了钢轨对地电位的允许限值和持续时间，当出现钢轨电位超限时，通过钢轨电位限制装置的强迫钢轨和地短接，降低钢轨电位。

（2）优化变电所回流系统

变电所的回流系统施工复杂被分析认为是钢轨电位过高的一个重要原因，具体体现为：回流通路中存在许多接续头，如道岔的回流跳线连接处、回流电缆与钢轨的连接处、回流电缆与回流箱母排及负极柜的连接处等连接状态较差；钢轨电阻过大等等因素，使负回流电阻增大；屏蔽门的非导电金属部分与钢轨相连，屏蔽门采取绝缘安装，绝缘性能直接影响过渡电阻的大小[5]。建议开展如下工作来优化负回流系统：

1）尽量提高牵引网电压，并且使相邻牵引变电所牵引母线电压保持一致。

2）降低负极回流系统电阻等因素，确保负回流系统回路畅通。

总结

本文主要从加强钢轨绝缘、降低回流电阻和加强杂散电流收集三个方面详细介绍了减少杂散电流的措施，并探讨了各个措施的具体实施方案、防护效果、存在的问题以及解决优化方法。加强钢轨绝缘、降低回流电阻属于“源控制法”，能有效减少杂散电流的泄漏，是杂散电流防护最直接有效的方法；加强杂散电流收集属于“排流法”，能有效保护埋地金属结构，但也存在一些负效果，应合理设置。地铁杂散电流的防护应从建设前期就开始设计并采取有效措施，不仅比供电系统、车站距离设置以及钢轨选用等杂散电流产生根源来考虑防护方案，也应合理敷设排流网并连接监测系统，将排流网与监测统一起来。杂散电流的防护贯穿建设、运营、维护等各个环节，涉及供电、轨道、通信、结构等多个领域，是一项极为复杂的工程，各方面都应协调配合，尽可能的降低杂散电流的腐蚀危害。

参与文献

[1]杨立新等.轨道交通杂散电流腐蚀的监测与防护研究[J].铁道工程学报，2006(1)：19-21.

[2]王靖满.直流牵引供电系统的安全与保护[J].电气化铁道.2005(4):4-6.

[3]赵惊华，余乐等.供电均回流电缆在钢轨上的连接方式[J].都市快轨交通，2013，26（2）：116-118.

[4]CJJ49-1992《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》.1992.

[5]陈敏动.城市轨道交通直流牵引回流系统防护技术[J].大科技，2016（29）：156-157.

作者简介

黄玉坚,男,本科,工程师,佛山市铁路投资建设集团有限公司,职务,供电工程师。