地鐵直流牽引系統雜散電流防護問題的研究

羅 兵，王衛東

0 引言

隨著城市軌道交通的快速發展，國內建成運營的城市軌道交通線路越來越多，許多新興城市正在規劃和籌建城市軌道交通。目前國內絕大多數城市軌道交通均采用正極接觸網或者接觸軌供電、負極通過鋼軌回流的方式，在國內城市軌道交通建設中對直流系統、接地網和雜散電流的關系等問題缺乏系統性的研究，對雜散電流防護在設計、施工、運營上缺乏統籌考慮，認識上也不統一。

國外在雜散電流方面的研究起步較早，如美國在1925年就開展了研究，取得了一些成果。國內在雜散電流方面的研究起步相對較晚，且缺乏系統性的研究。國內僅在上海地鐵1號線和廣州地鐵1號線全盤引進了德國西門子的技術后，便開始了地鐵的大規模建設。但在雜散電流防護方面又沒有引進國外雜散電流的防護理念，而是開始了自主設計。本文通過對國內地鐵雜散電流防護上采取的措施和存在的問題進行分析研究，指出目前國內地鐵鋼軌回流方式雜散電流防護在設計、施工、運營中存在的問題，并提出了解決思路。

1 雜散電流產生的原因和危害

1.1 地鐵的接地問題

分析地鐵雜散電流產生的原因，需先了解地鐵接地問題，目前，地鐵接地形式主要有以下3種：

（1）車站綜合接地網。目前地鐵的設計和施工采用的是“外引接地，絕緣引入”，即在車站地下結構外打接地網，與大地直接相通，作為車站和區間一切電氣設備的工作和保護接地。要求接地電阻值不大于0.5 Ω。

（2）地下結構鋼筋。主要包括車站主體結構鋼筋、區間整體道床和盾構結構鋼筋，它們構成地鐵的法拉第籠屏蔽層，并按照雜散電流的防護要求進行焊接。理論上，地下結構通過防水層與大地隔離，干燥的混凝土電阻率很高，結構鋼筋與大地不應連通。實際上當混凝土周圍的含水量超過4%時，混凝土的電阻率就和土壤相當了。埋于地下的地鐵結構周圍的含水量遠遠超過了該值，干燥混凝土和潮濕混凝土的電阻率相差520倍。地下結構的防水不到位或施工中遭到破壞后，結構鋼筋就與大地連通了。北京地鐵1號線、2號線的實際測試中地下結構鋼筋的接地電阻可以達到0.5 Ω以下。

（3）將車站綜合接地網與地鐵結構鋼筋連為一體。由于將雜散電流直接引入大地，不利于雜散電流防護，地鐵不采用該方式。

國內地鐵設計上要求地鐵結構鋼筋和車站綜合接地網不應該連通，理論上也不會連通，但實際運營情況表明它們是相通的，這是很嚴重的問題。

1.2 雜散電流產生的原因

鋼軌回流方式直流牽引系統的正極接觸網通過支持絕緣子固定在隧道壁上，經過電動機車和回流鋼軌回到牽引變電所。雜散電流產生的原因來自直流牽引系統正極和負極對大地的泄漏，而且主要是來自負極回流鋼軌對大地的泄漏，其大小由2個條件決定：一是鋼軌對地電位；二是鋼軌對地的過渡電阻。如圖1所示，接觸網的架空地線和道床下的結構鋼筋相當于直流系統正、負極的屏蔽層，它們組成了直流系統雜散電流的第一道防線。

圖1 地鐵直流牽引系統地下雜散電流排放示意圖

雖然正極接觸網絕緣良好，但區間貫通的架空地線收集了區間正極的泄漏電流，并排入綜合接地網；牽引變電所內直流開關柜絕緣安裝，柜內的正極泄漏電流通過框架保護電流元件也排入了綜合接地網。

負極鋼軌雖然也是絕緣安裝，但由于受污染、滲水等惡劣環境及其他因素的綜合影響，鋼軌與整體道床的過渡電阻很低。泄漏的電流可以通過道床下的結構鋼筋、盾構結構鋼筋、接地網3個渠道回到變電所負極，還有一部分通過大地流出了地鐵系統，成為真正的迷流。

按照《地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程》（CJJ49-92）第 4.2.1條規定：兼用作回流的地鐵走行軌與隧洞主體結構（或大地）之間的過渡電阻值（按閉塞區間分段進行測量并換算為1 km長度的電阻值），對于新建線路不應小于15 Ω · km，對于運行線路不應小于3 Ω · km。實際工程中，測量鋼軌與地過渡電阻通常只有 1 Ω左右，差的會到0.5 Ω以下，鋼軌和大地實際上是連通的，這相當于把鋼軌埋入了地下，危害之大可想而知，應引起各方高度重視。

1.3 雜散電流帶來的危害

雜散電流的危害與雜散電流的強度成正比，電流強度越大，腐蝕就越嚴重。計算表明：1 A電流經過一年就相當于9 kg的鐵發生化學溶解而被腐蝕掉。雜散電流比較嚴重的區域，8～9 cm厚的鋼管，只要2～3個月就會腐蝕穿孔。雜散電流的危害主要分2個部分：

（1）對地鐵系統本身的危害。綜合接地網是所有電氣設備公共的接地，雜散電流流入接地網將引起接地電位的升高，使某些電氣設備無法正常運行；腐蝕鋼軌影響行車安全；對地下綜合接地網、管線和電纜鎧裝的腐蝕影響系統運行安全；對車站和隧道結構鋼筋的腐蝕影響結構安全，減少其使用壽命。

（2）對地鐵系統外的危害。腐蝕市政水管和天然氣等管道，引起安全事故，影響群眾生活；腐蝕地鐵外建筑結構鋼筋，減少其使用壽命。

2 防護雜散電流措施和存在問題

地鐵雜散電流的防護分被動型和主動型2種，管道覆蓋絕緣層、采用絕緣法蘭等為被動型防護，本文主要研究的是主動型防護。通過上述的分析可以知道，地鐵雜散電流防護的根本問題是鋼軌的絕緣問題，只要鋼軌絕緣良好，就會減少很多問題。雜散電流的防護有3道防線：第1道也是最重要的防線是利用整體道床下結構鋼筋作為雜散電流的主收集網；第2道防線是利用車站和隧道的結構鋼筋作為輔收集網；第3道防線是綜合接地網（其實已經到了地鐵系統之外了）。過了這3道防線就會威脅市政管線和其他建筑物的安全了。

2.1 地鐵雜散電流防護采取的措施

（1）直流系統采取的措施：采用DC 1 500 V直流制式以提高牽引電壓，減小牽引電流；鋼軌分段處通過回流電纜連接，且優先采用爆炸焊的方式或每隔一定的距離，2根鋼軌之間以及上下行鋼軌之間采用均流電纜連接，從而減小鋼軌的回流電阻；為回流通路提供連續的電氣通路，防止因均、回流電纜被盜而斷開；合理設置變電所，減小變電所之間的距離，獨立設置車輛段變電所。

（2）土建專業采取的措施：增大主體結構的過渡電阻；增加泄漏路徑對地電阻。

（3）軌道專業采取的措施：采用點支撐、絕緣性能優良的絕緣墊和扣件，增加軌道對地電阻；將短鋼軌焊成長鋼軌，減小鋼軌本身的電阻；增加回流軌的截面積；車輛段與正線鋼軌連接處設置絕緣分段。

（4）雜散電流專業采取的措施：將正線區間軌道和道床結構鋼筋分成對應的若干段，平時用電纜可靠連接，打開時可進行雜散電流的測量，該方式國內沒有采用；用直流電纜連接相鄰車站管片結構鋼筋，起到隔離保護的作用；在正線每個牽引變電所設1臺排流柜，利用主、輔收集網進行排流，排流回路分為上行道床結構鋼筋、下行道床結構鋼筋、上行隧道結構鋼筋、下行隧道結構鋼筋和接地網 5個排流支路，另外在車輛段設置單向導通裝置；設置雜散電流監測系統，通過埋設在區間道床和車站隧道的參比電極監測極化電位，判斷結構鋼筋是否被腐蝕，同時測量排流電流、鋼軌對結構鋼筋的電壓值，并通過軟件系統計算軌道對結構鋼筋的過渡電阻、鋼軌縱向電阻等值，供運營單位參考。

（5）運營單位采取的措施：成立專門雜散電流維護小組，定期監測、清掃；采用雙邊供電，盡量避免單邊供電；根據監測情況適時投入、切除排流支路，確保排流柜等排流設施的正常運轉。

2.2 目前國內雜散電流防護存在的問題

2.2.1 設計方面的問題

（1）上下行鋼軌連接的問題。除了車輛段外全線上下行鋼軌通過均流電纜連成一體，主要目的是降低鋼軌回流電阻和鋼軌電位。這種做法本身并沒有錯，但假如上下行鋼軌中有一個點絕緣降低或接地，相當于全線的絕緣都降低或接地了，實際上增加了雜散電流泄漏的風險，給查找和處理泄漏點帶來不便。

（2）鋼軌電位限制裝置。國內地鐵最早引進國外技術時，每個變電所設置2臺鋼軌電位限制裝置，即上下行分開。現在把上下行鋼軌連在一起，每個變電所只設置1臺鋼軌電位限制裝置，這種做法一方面不利于區分哪條鋼軌電位升高，不利于排查，另一方面鋼軌電位限制裝置的投入又讓雜散電流泛濫成災。

（3）接觸網架空地線的問題。架空地線的作用主要是發生區間接觸網對地短路時提高保護裝置的靈敏性和可靠性，但也帶來2個方面的問題：一是增加了正極對大地的泄漏電流；二是架空地線的存在本身就增加了正極對地短路的風險。接觸網支持絕緣子采用絕緣安裝可以解決雜散電流的問題。設置架空地線本身并沒有錯，但當架空地線與隧道結構鋼筋連通時就出現了問題，這時將架空地線直接連接到道床結構鋼筋（即雜散電流主收集網），既不影響其功能，又不至于將雜散電流引向地鐵系統之外。

（4）直流屏蔽電纜的問題。國內有些城市采用了帶有屏蔽層的直流電纜，目的是為了防鼠和直流泄漏試驗，這帶來2個方面的問題：一是增加了泄漏電流流入大地的幾率；二是假如屏蔽層兩端接地，由于霍爾效應產生渦流很容易燒毀。即使屏蔽層單邊接地，由于不足以承受短路電流，直流電纜發生對地短路時會燒毀電纜，由于一般有多根電纜并排連接，一燒即是一排電纜。防鼠的方法很多，屏蔽層不是唯一選項。直流電纜的電壓只有 DC 1 500 V，絕緣性能靠產品工藝完全能保證，沒必要進行直流泄漏試驗，國家標準也沒有該要求。

（5）整體道床下雜散電流主收集網的問題。在潮濕的環境下，整個道床的電阻率很低，此時發生鋼軌對地絕緣不良，鋼軌與道床下的鋼筋就會連通，產生大量泄漏電流，鋼軌的絕緣安裝就失去了意義。此時，排流柜道床結構鋼筋支路投入，會嚴重腐蝕道床結構鋼筋，不投入又將使泄漏電流在地下肆意穿行，帶來的危害更大。同時，鋼軌下面的大量結構鋼筋由于霍爾效應會引起鋼軌電位的波動，一方面引起鋼軌電位限制裝置頻繁動作，讓值班員不勝其煩。另一方面鋼軌電位限制裝置的投入帶來了雜散電流的泛濫，由于鋼軌與屏蔽門等電位連接，不投入又會給乘客的人身安全帶來隱患。

2.2.2 施工方面的問題

主要是鋼軌均、回流電纜和整體道床下雜散電流主收集網測防端子連接問題，隧道打眼問題。

鋼軌均、回流電纜的連接方式有焊接和栓接2種，通常采用爆炸焊的方式，這是特殊焊接工藝，除了對焊接溫度、焊藥、焊接位置、焊點間距等有特殊要求外，專業廠家應對施工人員進行技術培訓，持證上崗，同時施工單位應做好焊接記錄，并可追溯。同時由于在同一點不能反復焊接，應做好防盜工作。爆炸焊在北京地鐵出現過很多問題，因此建議北方地區采用栓接方式，只要選擇質量好的銷釘即可。

道床下結構鋼筋預留測防端子有虛接情況，施工時一定要保證測防端子與結構鋼筋可靠連接，同時兩邊端子用電纜可靠連接，最好使用可以防盜的測防端子。

另外，在接觸網和電纜支架的施工過程中，打眼時會經常打到結構鋼筋，這時必須換位重打。若支架和地網連通，相當于地鐵的結構鋼筋與綜合接地網連在了一起，加之鋼軌與整體道床下的結構鋼筋間電阻本身就很低，雜散電流防護的前兩道防線就完全失去了作用，這是非常嚴重的問題。

2.2.3 運營方面的問題

主要是指導思想上的問題，為了害怕腐蝕雜散電流主收集網、隧道結構鋼筋、接地網而不敢投入排流柜。目前正式運營中的地鐵線路由于疏于清潔、滲水等多種原因，鋼軌與地的過渡電阻非常低，個別運營線路過渡電阻僅有0.5 Ω，鋼軌與雜散電流主收集網基本連通，大量電流泄入地下。據深圳地鐵1號線和北京地鐵2號線的實際測量，車輛啟動時僅主收集網電流就高達 100～200 A。沒有雜散電流，投入排流柜不會產生任何影響，但明知泄漏電流存在而不投入排流柜的危害是非常大的，而且會向地鐵系統之外擴散，是不負責任的行為。

3 結語

國內地鐵雜散電流防護主要采用的是排流法，該方法在國外運用比較成功，但在國內地鐵建設過程中一直存有爭議，從實際情況來看排流法在國內運用并不是很成功。如道床下結構鋼筋是否有必要布置那么密集？如何才能減少其對鋼軌電位的影響等問題沒有得到很好解決。采用排流法有2個前提條件：一是鋼軌與地絕緣良好，二是主收集網、輔收集網、綜合接地網是相互隔離不連通。分析表明，由于國內地鐵在設計、施工、運營方面存在諸多問題，上述2個條件都很難達到。最明顯的是國內運營的地鐵線路鋼軌電位普遍升高，鋼軌電位限制裝置失去了其應有的作用，它的長期投入又使雜散電流泛濫成災。

為了從根本上解決問題，筆者建議國內地鐵盡早采用第四軌回流的方式，重慶跨座式單軌直流牽引系統就不存在上述問題，同時國外也有許多成功的經驗可以借鑒。具體建議如下，供參考：

（1）地鐵運營單位成立專門的雜散電流防護小組，確保鋼軌絕緣良好，同時將運營線路排流柜主收集網支路立即投入，根據排流效果決定其他支路是否投入。

（2）改變接觸網架空地線和框架電流保護的接線方式，即將架空地線按供電區間斷開，單端與雜散電流主收集網連接。同時將框架電流保護接綜合接地網一端改接到雜散電流主收集網上。這樣直接排回負極，消除正極對地的泄漏電流。

（3）直流回路選用不帶屏蔽的直流電纜，減少正、負極回路對地的泄漏電流。

（4）將道床下結構鋼筋按供電區間斷開，按供電區間分段治理。施工驗收時，應測試鋼軌對地過渡電阻，各專業應確保道床結構鋼筋、隧道結構鋼筋（包括高架橋墩結構鋼筋）和綜合接地網是相互隔離不連通的。

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