上海軌道交通3號線停車場雜散電流分析

（上海軌道交通維護保障中心供電公司，200235，上?！喂こ處煟?/p>

上海軌道交通3號線停車場雜散電流分析

郭 志

（上海軌道交通維護保障中心供電公司，200235，上?！喂こ處煟?/p>

針對上海軌道交通3號線停車場內(nèi)因雜散電流引起的故障，對雜散電流在停車場內(nèi)的回流路徑進行了模型分析。并結(jié)合該模型對站場雜散電流的特性進行測試，提出了停車場安全運行的相關(guān)建議。

城市軌道交通；停車場；雜散電流

Author's address Shanghai Rail Transit Maintenance Support Center，200235，Shanghai，China

上海軌道交通3號線開通于2000年底，其停車場作為車輛檢修和保養(yǎng)場所，為日常的列車運營提供保障。3號線停車場回流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。

停車場回流系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)分為檢修庫、停車庫和停車場站場三部分。其中停車庫為10股道，檢修庫為3股道，站場外分為出庫線和入庫線。停車場的回流采用單軌方式，停車庫和檢修庫同站場、站場和正線之間均通過單向?qū)ㄑb置［2］進行連接（圖1中分別表示為1、2、3、4、5號單向?qū)ㄑb置）；停車場內(nèi)回流電纜為11根1×400 mm2的直流電纜，分布于檢修庫單導(dǎo)回流箱節(jié)點（3根1×400 mm2）、停車庫前單導(dǎo)回流箱節(jié)點（4根1×400 mm2）和出入庫前回流箱節(jié)點（4根1×400 mm2）。停車庫的鋼軌通過均流線短接，并由均流箱通過漕河涇降壓所的軌電位裝置［3］（簡稱NK11）接地。站場內(nèi)鋼軌通過停車場牽引站內(nèi)軌電位裝置接地。

停車場庫內(nèi)架空地線與庫內(nèi)的結(jié)構(gòu)鋼連接，在庫內(nèi)隔離開關(guān)拉開時，對應(yīng)庫內(nèi)的接觸線與停車庫內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)及承重鋼梁電氣連通。

圖1 停車場回流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 停車場出現(xiàn)對地短路問題

3號線停車場在運營時段的庫內(nèi)作業(yè)時，檢修人員按照站場和停車庫內(nèi)的作業(yè)要求，在停車庫內(nèi)停8道和停9道靠近庫內(nèi)分段絕緣器處掛設(shè)接地棒線。檢修人員庫內(nèi)作業(yè)約1 h后，出現(xiàn)停9道庫內(nèi)的接觸線燒蝕斷裂，引起接觸線帶電部分對地短路。

出現(xiàn)該問題后，檢修人員對停車庫內(nèi)的均、回流電纜進行排摸，均未發(fā)現(xiàn)問題。為此，筆者與技術(shù)人員對問題產(chǎn)生的原因進行了現(xiàn)場試驗，主要模擬接地線短接接觸線和停車庫的回流軌。測試時停車場的電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 停車場模擬試驗結(jié)構(gòu)示意圖

圖2中，利用一根截面為95 mm2、長度為6 m的接地線將庫內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)與庫內(nèi)回流軌短接。在后續(xù)測試過程中，測得該接地線有電流流過。利用測試裝置對該電流出現(xiàn)的峰值進行測試的結(jié)果見表1。

表1 停車庫鋼結(jié)構(gòu)與回流軌間峰值電流

測試發(fā)現(xiàn)，該電流為間歇性的峰值電流，持續(xù)時間接近10 s；電流的出現(xiàn)頻次與正線車輛運營工況之間存在極強的相關(guān)性，在運營高峰時段，該電流峰值出現(xiàn)的頻次和幅值更高。

2 停車場雜散電流測試和分析

根據(jù)模擬試驗結(jié)果，停車場車庫內(nèi)無電客列車取流時，連接庫內(nèi)回流鋼軌和接觸線的接地線中出現(xiàn)了較大的直流電流。初步分析認為，該電流由正線通過某個電流通路進入停車場，通過停車場的鋼軌和回流電纜形成回路。

為找到該問題產(chǎn)生的真正原因，技術(shù)人員對該停車場進行了系統(tǒng)測試和驗證，并根據(jù)停車場整體結(jié)構(gòu)特點，從停車場與正線的地理位置關(guān)系、停車場的等效電路結(jié)構(gòu)、停車場出現(xiàn)的電流頻率與正線列車運行之間的關(guān)系等方面進行了分析。

2.1 停車場與正線的地理位置因素

上海軌道交通3號線的停車庫與正線的位置關(guān)系與其他停車場不同。3號線停車場位于上海南站至石龍路線路區(qū)段的中間位置，與正線地理位置非常接近，庫房與正線的垂直距離不足5 m；停車場與正線平行，平行距離接近700 m。停車場與正線的位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 停車場地理位置示意圖

由于停車場與正線特殊的地理位置關(guān)系，正線鋼軌出現(xiàn)泄漏電流時，將使泄漏電流較易進入停車場的回流系統(tǒng)。該部分電流被稱為城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中的雜散電流。由于雜散電流流過的路徑較為復(fù)雜，且其電流方向與電流泄漏點附近金屬結(jié)構(gòu)的電阻相關(guān)性較強，因此雜散電流的方向和幅值的計算不太容易。一般通過軌道附近的雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)測試軌道和道床結(jié)構(gòu)鋼筋的極化點位，來評判雜散電流的情況。

根據(jù)3號線建設(shè)時期的資料，在上海南站至石龍路站區(qū)段內(nèi)的線路軌道為碎石道床［4］，其雜散電流的泄漏量比整體道床的泄漏量大，無法對該部分雜散電流進行有效監(jiān)測。隨著線路運營密度的增加，線路的載荷電流也隨之增大，而軌道對地的絕緣也隨著線路運營時間的增長而降低。在上述因素的共同作用下，該區(qū)段內(nèi)雜散電流問題在運營一定時間后較為突出，對停車場的安全運行造成影響。

2.2 停車場的等效電路結(jié)構(gòu)

筆者根據(jù)停車場的站場位置結(jié)構(gòu)，對停車場內(nèi)出現(xiàn)的問題進行系統(tǒng)調(diào)查后，繪制了回流系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)。停車場的等效電路如圖4所示。

等效電路中，停車庫內(nèi)的鋼軌、單向?qū)ㄑb置的二極管陰極與牽引站負母排的連接電纜電阻均屬于小電阻。停車場內(nèi)單向?qū)ㄑb置內(nèi)的主要元器件為二極管，因此該電路為一種非線性地電阻電路［5］。其中，鋼軌的橫向電阻與鋼軌對地的絕緣相對應(yīng)。停車庫的建筑地電阻根據(jù)規(guī)定小于10Ω，而軌電位裝置所接的地為變電所的電氣地網(wǎng)，根據(jù)相關(guān)設(shè)計標準，其電氣結(jié)構(gòu)地電阻小于4Ω。將正線鋼軌對地的雜散電流走向路徑進行標識，形成雜散電流的流向示意圖（見圖5）。

圖4 停車場等效電路結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 雜散電流在停車場內(nèi)的流向示意圖

正線鋼軌泄漏電流進入大地后，根據(jù)停車場車庫的接地電阻和鋼軌對地橫向電阻，以及車庫鋼梁與鋼軌的過渡電阻之間的電阻值比例，按照歐姆定律進行電流的分配。

為驗證等效電路中雜散電流流向與停車場雜散電流回流路徑的一致性，筆者結(jié)合等效電路結(jié)構(gòu)特點，對其進行了試探性的測試和驗證，以測試數(shù)據(jù)驗證該停車庫的等效電路的合理性。

（1）將停車庫內(nèi)的鋼軌電位限制裝置（軌電位裝置）從分位調(diào)整為合位運行，測試停車場電流的分布。將停車庫軌電位裝置NK11運行于合位，且停車庫結(jié)構(gòu)鋼通過95 mm2軟銅線與回流軌短接，來模擬庫內(nèi)接觸網(wǎng)掛接地線的工作狀態(tài)。整個停車場系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)的等效模型如圖6所示。

庫內(nèi)短接線電流和庫內(nèi)軌電位裝置連接電纜內(nèi)流過的電流測試數(shù)據(jù)見表2。由于2個支路為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其對地的電阻存在一定的差異性，造成兩支路電流的不一致。

（2）在（1）的基礎(chǔ)上，將停車庫內(nèi)和站場側(cè)的軌電位裝置（NK11）均從分位調(diào)整為合位運行，測試停車場電流的分布（見圖7）。

圖6 停車庫內(nèi)接地等效電路1

表2 停車庫回流軌和庫內(nèi)NK11電流 A

測試停車庫結(jié)構(gòu)鋼與對應(yīng)的庫內(nèi)的回流鋼軌電流、兩套鋼軌電位限制裝置的電流，結(jié)果如表3所示。

圖7 停車庫內(nèi)接地等效電路2

表3 停車庫回流軌和庫內(nèi)、站場NK11電流 A

由表3可以看出，第1組所測試的庫內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼和庫內(nèi)回流軌間回路峰值電流為462.5 A，而第3組測試中庫內(nèi)回流和庫內(nèi)、站場三者的電流和為645.7 A。測試結(jié)果表明，金屬結(jié)構(gòu)形成的并聯(lián)電路將正線雜散電流從大地重新引入停車場內(nèi)的鋼軌和庫房金屬梁，并通過停車場與正線的單向?qū)ㄑb置重新流回正線。此為典型的雜散電流回流特性。

2.3 停車場出現(xiàn)的電流頻率與正線列車運行的關(guān)系

對3種測試電流出現(xiàn)的頻次進行計時，并對比正線運營列車的運行關(guān)系，發(fā)現(xiàn)庫內(nèi)短接線內(nèi)出現(xiàn)的電流頻次和正線列車的運營相關(guān)性極強：正線列車在上海南站進站過程中，短接線內(nèi)的電流從零開始增加到最大值，且持續(xù)10～15 s不等，隨即電流為零，在下一列列車進入該區(qū)段后，電流重新出現(xiàn)。

對比分析以上3組測試及后續(xù)所測試電流基本可以確定，停車場內(nèi)無車時產(chǎn)生的電流為：列車在正線車運行過程中，鋼軌內(nèi)的回流電流從正線泄漏進入大地，形成雜散電流；該電流借助停車場的金屬結(jié)構(gòu)和站場鋼軌形成有效回流通路，在庫內(nèi)隔離開關(guān)拉開，且?guī)靸?nèi)接觸線與回流軌短接后，在對應(yīng)股道接地線上流過；該電流引起接地線與庫內(nèi)接觸線的接觸面發(fā)熱，經(jīng)過一段時間的熱量積聚，使得接觸線發(fā)熱變形，引起接觸線斷裂，造成停車場作業(yè)過程中接觸網(wǎng)斷線故障。

3 雜散電流的預(yù)防

綜上所述，在3號線停車場內(nèi)存在雜散電流。該雜散電流從正線軌道泄漏進入停車場的金屬結(jié)構(gòu)，如停車庫的鋼梁、庫房內(nèi)的金屬部件等，并根據(jù)整個停車場金屬結(jié)構(gòu)所形成的等效電路的阻抗分布，按照歐姆定律的特點最終通過站場的鋼軌及單向?qū)ㄑb置重新流入正線。由此雜散電流從正線走行軌泄漏進入大地、停車庫結(jié)構(gòu)鋼，再進入站場內(nèi)的鋼軌點形成兩個陽極區(qū)，造成以上兩個部位的金屬結(jié)構(gòu)腐蝕。需從雜散電流的防護角度對該電流進行抑制，以確保正線和停車場的安全運行［6］。

從雜散電流的防護措施上考慮，主要應(yīng)加強正線鋼軌對地的橫向電阻，提高鋼軌對地絕緣；對正線鋼軌回流路徑的阻抗進行整改，有效降低牽引供電區(qū)段內(nèi)的縱向電阻，降低軌道電位，從源頭降低線路對地的雜散電流。同時，應(yīng)加大停車場內(nèi)雜散電流防護手段的整改力度，對停車場雜散電流回路進行改造，降低或消除雜散電流進入停車場的路徑，確保雜散電流不從停車場的金屬結(jié)構(gòu)重新流入大地，以提高停車場運行過程中金屬結(jié)構(gòu)的安全性。

4 結(jié)語

本文針對上海軌道交通3號線停車場運行過程中出現(xiàn)庫內(nèi)隔離開關(guān)拉開后，在接觸線和回流軌間掛接地線引起接觸線斷線問題進行系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)分析和測試；對正線雜散電流進入停車場的回流路徑進行電路結(jié)構(gòu)建模，并利用測試數(shù)據(jù)對該模型的合理性進行驗證；分析雜散電流對停車場安全運行的危害性，為停車場雜散電流的整改提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支持。

［1］ 李建明.城市軌道交通供電［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2007.

［2］ 李威，趙煜.地鐵列車通過絕緣結(jié)消弧方法的研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004（1）：86.

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［6］ 曹曉斌，吳廣寧，付龍海，等.地鐵雜散電流的危害及其防治［J］.電氣化鐵道，2006（4）：23.

Analysis of the Stray Current in Shanghai Metro Line 3 Depot

Guo Zhi

The stray current in Shanghai Metro Line 3 depot is inspected，the backflow current model of stray current in the depot is analyzed.Based on this model，the stray current value and its direction in the depot are tested，some suggestions on the safety operation of the depot are proposed，in order to provide the fundamental reference on the prevention of stray current in rail transit depot.

urban rail transit；depot；stray current

U 284.26

2012-05-06）