地鐵車輛段雜散電流的特征分析及防護

于志永

地鐵車輛段雜散電流的特征分析及防護

于志永

（青島地鐵集團有限公司，266011，青島//高級工程師）

地鐵車輛段內軌道線路復雜，軌道與大地之間過渡電阻低、絕緣性能差，造成車輛段內存在大量的雜散電流，嚴重影響了車輛段的使用壽命。建立地鐵車輛段牽引回流系統(tǒng)模型，仿真分析正線列車運行狀態(tài)變化對車輛段內雜散電流的影響。結合某地鐵公司車輛段現(xiàn)場雜散電流測試，驗證了仿真分析結果的正確性。分析了地鐵車輛段內雜散電流產生的原因，并給出了相關防護措施。

地鐵車輛段；牽引回流系統(tǒng)；雜散電流防護

地鐵車輛段承擔著地鐵車輛的停放、檢修、調試、清洗、保養(yǎng)等重要功能，段內軌道線路復雜，道岔較多。然而考慮到地鐵車輛段工作人員的安全以及建設成本，車輛段內軌地過渡電阻很低。圖1為國內某地鐵車輛段鋼軌對地建筑物結構鋼筋的過渡電阻測試結果統(tǒng)計圖，可見，該車輛段的過渡電阻平均值約為0.3Ω，遠遠小于正線鋼軌對地電阻。因此，車輛段是地鐵系統(tǒng)中雜散電流防護的薄弱環(huán)節(jié)。本文首先對地鐵車輛段的牽引回流系統(tǒng)進行仿真分析；然后結合國內某地鐵公司車輛段現(xiàn)場雜散電流測試，對仿真結果進行驗證，并分析車輛段內雜散電流產生的原因；最后給出了地鐵車輛段雜散電流的相關防護措施。

圖1 國內某地鐵車輛段過渡電阻測試結果

1 建模分析

1.1 回流系統(tǒng)模型建立

為研究正線段列車的不同運行情況對車輛段雜散電流規(guī)律的影響，建立正線段鋼軌-排流網-大地三層結構的回流系統(tǒng)模型：在雙牽引變電所組成的供電區(qū)間內，以列車運行位置為分界點，將供電區(qū)間分成兩個分析域，根據(jù)分析域臨界點的電參數(shù)平衡，建立地鐵雜散電流分布的解析模型，構建完備的邊界條件，從而求解相應的雜散電流和鋼軌電位。鋼軌－排流網－大地回流系統(tǒng)模型如圖2所示［2-3］。其中，Rg為鋼軌縱向電阻；Rp為排流網縱向電阻；Rd為大地縱向電阻；R1為鋼軌－排流網過渡電阻；R2為排流網－大地過渡電阻。

圖2 鋼軌-排流網-大地回流系統(tǒng)模型

以列車位置為邊界點將供電區(qū)間分為0～L1左供電區(qū)間和L1～L右供電區(qū)間。通過理論分析可知，兩邊的牽引電流分配如下：

以左供電區(qū)間為例，建立各層微元等值電路如圖3所示。其中，U1（x）為x處鋼軌對排流網的電壓；U2（x）為x處排流網對大地的電壓；Ig（x）為鋼軌在x處的電流；Ip（x）為排流網在x處的電流；Id（x）為大地在x處的電流。

列車負荷電流回流示意圖如圖4所示。其中，r為牽引網等效電阻；I為列車向鋼軌注入的電流；L為供電區(qū)間長度。

圖3 各層微元等值電路

對分布模型進行分析，由圖4可知，在x=0（牽引變電所位置）處，有：

圖4 列車負荷電流回流示意圖

根據(jù)基爾霍夫電壓定律（ΣU=0），由圖3 a）、c）可得：

根據(jù)基爾霍夫電流定律（ΣI=0），由圖3 b）、d）可得：

由式（2）變換可得：

聯(lián)立式（2）～（7），可得 0～L1區(qū)間內的微分方程組為：

0～L1區(qū)間微分方程的邊界條件為：

同理可得L1～L區(qū)間內的微分方程組為：

L1～L區(qū)間微分方程的邊界條件為：

求解微分方程組，雜散電流Is（x）和鋼軌電位U（x）可 通過 下 式 求得 ：

1.2 仿真分析

由于地鐵正線段出入線與車輛段是通過單向導通裝置相連接，故對單向導通裝置處的回流系統(tǒng)模型（見圖 5）進行仿真，分析正線列車處于不同運行狀態(tài)時，對車輛段內鋼軌電位以及雜散電流的影響［4］。

圖5 單向導通裝置處回流系統(tǒng)模型

仿真條件：I=2 000 A，L=3 km，Rg=0.03 Ω/km，Rp=0.01Ω/km，Rd=0.01Ω/km；正線段內 ，R1=15Ω/km，R2=3Ω/km；車 輛 段 內 ，鋼 軌 -排流網過渡電阻 R′1=3Ω/km，排流網-大地過渡電 阻 R′2=0.3Ω/km。

利用牽引電流的變化來仿真分析正線段內不同位置處的列車在起動、惰行、制動情況下，車輛段內雜散電流以及出入段線鋼軌電位的變化，結果如圖 6～8所 示。

由圖6可知，當列車處于起動狀態(tài)和惰行狀態(tài)時，出入段線鋼軌電位為正，基本沒有電流從單向導通裝置中流過；當列車處于制動狀態(tài)時，出入段線鋼軌電位為負，單向導通裝置中有大量電流流過，電流方向為車輛段流向正線。

圖6 位于遠處位置的列車運行狀態(tài)變化時，車輛段內雜散電流及出入段線鋼軌電位變化曲線

由圖 7、8可知，車輛段內的雜散電流特征如下：雜散電流大小與列車位置有關，列車與車輛段距離越遠，雜散電流對車輛段的影響越??；反之，列車與車輛段距離越近，雜散電流對車輛段的影響越大。

圖7 位于中間位置的列車運行狀態(tài)變化時，車輛段內雜散電流及出入段線鋼軌電位變化曲線

圖 8 位于近處位置的列車運行狀態(tài)變化時，車輛段內雜散電流及出入段線鋼軌電位變化曲線

2 現(xiàn)場測試分析

我國許多城市的地鐵車輛段由于雜散電流過高出現(xiàn)過一系列問題，如上海地鐵車輛段曾多次出現(xiàn)掛設接地棒線后接觸線燒蝕的現(xiàn)象［5］。由此可見，車輛段內的雜散電流遠大于預計值。為此，在國內某地鐵車輛段出入段線絕緣節(jié)位置進行了單向導通裝置電流的測試，測試結果如圖 9所示。

圖 9 某地鐵車輛段出入段線絕緣節(jié)位置單向導通裝置電流分布

由圖 9可知，由于單向導通裝置的存在，正線鋼軌的電流不會流向車輛段鋼軌。但在正線列車運營且車輛段內無車時，一直會有電流從車輛段通過單向導通裝置流向正線，該電流的幅值最大可達 580 A。

在測試車輛段出入段線絕緣節(jié)位置單向導通裝置電流的同時，還測試了出入段線鋼軌對地電位，并針對單向導通裝置電流及對應時刻鋼軌對地電位變化關系進行分析。該地鐵車輛段一段時間內單向導通裝置電流及鋼軌電位變化如圖10所示。

圖10 某地鐵車輛段出入段線絕緣節(jié)位置單向導通裝置電流及鋼軌電位

由圖10可知，當單向導通裝置中流過的電流較大時，對應出入段線的鋼軌電位為負，且出入段線鋼軌電位越小，單向導通裝置中流過的電流越大。由此驗證了仿真分析結果的正確性。

單向導通裝置有大量電流流向正線的主要原因是：當正線上列車制動時，大地中的雜散電流由鋼軌收集并返回至列車位置，而車輛段的軌地絕緣差，導致大部分雜散電流由車輛段鋼軌收集，車輛段鋼軌電位大于正線段出入線的鋼軌電位，從而出現(xiàn)單向導通裝置會有大量電流流向正線的現(xiàn)象。這種情況會導致車輛段內出現(xiàn)大量雜散電流，對車輛段內鋼軌及建筑物造成腐蝕，影響地鐵車輛段的使用壽命，因此必須加強地鐵車輛段雜散電流防護。

3 車輛段雜散電流防護

與正線段相比，地鐵車輛段是雜散電流防護的薄弱環(huán)節(jié)。應采取有效措施對地鐵車輛段的雜散電流進行防護，同時應考慮監(jiān)測及排流措施?？刹扇〉木唧w措施如下：

（1）設置回流回路。車輛段可通過恰當設置回流點和均流電纜來降低鋼軌電位，從而減小雜散電流的泄漏。車輛段內線路和出入段線之間、車輛段各電化庫內線路和庫外線路之間設置鋼軌絕緣節(jié)并裝設單向導通裝置。

（2）設置雜散電流收集網。在電化庫及試車線下方道床結構鋼筋設置雜散電流收集網，收集網通過連接排流端子的電纜進入變電所排流柜。收集網鋼筋與底板結構鋼筋分離。

（3）監(jiān)測系統(tǒng)。車輛段采用集中式監(jiān)測系統(tǒng)，分別對停車列檢庫、周月檢庫、靜調庫、試車線、洗車機棚內整體道床結構進行監(jiān)測，所有監(jiān)測裝置可將處理信息通過牽引所綜合自動化裝置送至控制中心，進行全線的信息處理。

（4）結構要求。鋼軌采用絕緣法安裝，以加強鋼軌對道床的絕緣。應定期對車輛段鋼軌進行清理，防止鐵屑及油污粘附在絕緣墊上而降低軌地絕緣。車輛段主體結構的防水層必須具有良好的防水性能和電氣絕緣性能。

4 結語

本文針對地鐵車輛段內雜散電流過高問題，分析正線列車運行狀態(tài)對車輛段雜散電流的影響。對正線列車運行狀態(tài)變化對車輛段內雜散電流的影響進行了建模分析，并結合國內某地鐵車輛段雜散電流測試驗證仿真分析的正確性。分析了車輛段內雜散電流產生的原因，并針對車輛段雜散電流提出防護措施。

［ 1 ］ 黃 曉 靜 ．車 輛 段 的 雜 散 電 流 防 護［J］．電 子 測 試 ，2015（2）：94-95．

［2］ 趙凌．直流牽引供電系統(tǒng)雜散電流分布的研究［D］．成都：西南交通大學，2011．

［3］ 陳桁．軌道對地絕緣局部損壞時回流系統(tǒng)的參數(shù)變化研究［J］．城 市 軌 道 交 通 研 究 ，2015（2）：34-38．

［4］ 汪佳．多列車運行下地鐵雜散電流研究［D］．成都：西南交通大學 ，2012．

［5］ 郭志．上海軌道交通 3號線停車場雜散電流分析［J］．城市軌道交 通 研 究 ，2014（1）：60-64．

Analysis of Stray Current Characteristics in Metro Depot and Protection Measures

YU Zhiyong

Due to the complex rail lines in metro depot，the transition resistance between rail and ground is relatively low，the insulation performance is poor，resulting in the existence of a great deal of stray current in metro depot，which seriously affects the depot life.Through analytic simulation of the influence on stray current caused by train running state changes，a model of traction reflux system for metro depot is established.Then，combined with the testing result of stray current in a certain metro corporation depot，the correctness of the simulation result is verified，the causes of metro depot stray current are analyzed，corresponding protective measures are proposed.

metro depot； traction reflux system； stray current protection

U223.6+2

10.16037/j.1007-869x.2017.10.010

Author′s address Qingdao Metro Group Co.，Ltd.，266011，Qingdao，China

2016-03-06）