地鐵車輛段雜散電流的特征分析及防護(hù)

于志永

地鐵車輛段雜散電流的特征分析及防護(hù)

于志永

（青島地鐵集團(tuán)有限公司，266011，青島//高級(jí)工程師）

地鐵車輛段內(nèi)軌道線路復(fù)雜，軌道與大地之間過(guò)渡電阻低、絕緣性能差，造成車輛段內(nèi)存在大量的雜散電流，嚴(yán)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(yùn)行狀態(tài)變化對(duì)車輛段內(nèi)雜散電流的影響。結(jié)合某地鐵公司車輛段現(xiàn)場(chǎng)雜散電流測(cè)試，驗(yàn)證了仿真分析結(jié)果的正確性。分析了地鐵車輛段內(nèi)雜散電流產(chǎn)生的原因，并給出了相關(guān)防護(hù)措施。

地鐵車輛段；牽引回流系統(tǒng)；雜散電流防護(hù)

地鐵車輛段承擔(dān)著地鐵車輛的停放、檢修、調(diào)試、清洗、保養(yǎng)等重要功能，段內(nèi)軌道線路復(fù)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(shè)成本，車輛段內(nèi)軌地過(guò)渡電阻很低。圖1為國(guó)內(nèi)某地鐵車輛段鋼軌對(duì)地建筑物結(jié)構(gòu)鋼筋的過(guò)渡電阻測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)圖，可見(jiàn)，該車輛段的過(guò)渡電阻平均值約為0.3Ω，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正線鋼軌對(duì)地電阻。因此，車輛段是地鐵系統(tǒng)中雜散電流防護(hù)的薄弱環(huán)節(jié)。本文首先對(duì)地鐵車輛段的牽引回流系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析；然后結(jié)合國(guó)內(nèi)某地鐵公司車輛段現(xiàn)場(chǎng)雜散電流測(cè)試，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并分析車輛段內(nèi)雜散電流產(chǎn)生的原因；最后給出了地鐵車輛段雜散電流的相關(guān)防護(hù)措施。

圖1 國(guó)內(nèi)某地鐵車輛段過(guò)渡電阻測(cè)試結(jié)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(yùn)行情況對(duì)車輛段雜散電流規(guī)律的影響，建立正線段鋼軌-排流網(wǎng)-大地三層結(jié)構(gòu)的回流系統(tǒng)模型：在雙牽引變電所組成的供電區(qū)間內(nèi)，以列車運(yùn)行位置為分界點(diǎn)，將供電區(qū)間分成兩個(gè)分析域，根據(jù)分析域臨界點(diǎn)的電參數(shù)平衡，建立地鐵雜散電流分布的解析模型，構(gòu)建完備的邊界條件，從而求解相應(yīng)的雜散電流和鋼軌電位。鋼軌－排流網(wǎng)－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(wǎng)縱向電阻；Rd為大地縱向電阻；R1為鋼軌－排流網(wǎng)過(guò)渡電阻；R2為排流網(wǎng)－大地過(guò)渡電阻。

圖2 鋼軌-排流網(wǎng)-大地回流系統(tǒng)模型

以列車位置為邊界點(diǎn)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(guò)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(duì)排流網(wǎng)的電壓；U2（x）為x處排流網(wǎng)對(duì)大地的電壓；Ig（x）為鋼軌在x處的電流；Ip（x）為排流網(wǎng)在x處的電流；Id（x）為大地在x處的電流。

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

圖3 各層微元等值電路

對(duì)分布模型進(jìn)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(fù)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(nèi)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(nèi)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(guò) 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(guò)單向?qū)ㄑb置相連接，故對(duì)單向?qū)ㄑb置處的回流系統(tǒng)模型（見(jiàn)圖 5）進(jìn)行仿真，分析正線列車處于不同運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，對(duì)車輛段內(nèi)鋼軌電位以及雜散電流的影響［4］。

圖5 單向?qū)ㄑb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(nèi) ，R1=15Ω/km，R2=3Ω/km；車 輛 段 內(nèi) ，鋼 軌 -排流網(wǎng)過(guò)渡電阻 R′1=3Ω/km，排流網(wǎng)-大地過(guò)渡電 阻 R′2=0.3Ω/km。

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

由圖6可知，當(dāng)列車處于起動(dòng)狀態(tài)和惰行狀態(tài)時(shí)，出入段線鋼軌電位為正，基本沒(méi)有電流從單向?qū)ㄑb置中流過(guò)；當(dāng)列車處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，出入段線鋼軌電位為負(fù)，單向?qū)ㄑb置中有大量電流流過(guò)，電流方向?yàn)檐囕v段流向正線。

圖6 位于遠(yuǎn)處位置的列車運(yùn)行狀態(tài)變化時(shí)，車輛段內(nèi)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(nèi)的雜散電流特征如下：雜散電流大小與列車位置有關(guān)，列車與車輛段距離越遠(yuǎn)，雜散電流對(duì)車輛段的影響越小；反之，列車與車輛段距離越近，雜散電流對(duì)車輛段的影響越大。

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

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析

我國(guó)許多城市的地鐵車輛段由于雜散電流過(guò)高出現(xiàn)過(guò)一系列問(wèn)題，如上海地鐵車輛段曾多次出現(xiàn)掛設(shè)接地棒線后接觸線燒蝕的現(xiàn)象［5］。由此可見(jiàn)，車輛段內(nèi)的雜散電流遠(yuǎn)大于預(yù)計(jì)值。為此，在國(guó)內(nèi)某地鐵車輛段出入段線絕緣節(jié)位置進(jìn)行了單向?qū)ㄑb置電流的測(cè)試，測(cè)試結(jié)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?qū)ㄑb置電流分布

由圖 9可知，由于單向?qū)ㄑb置的存在，正線鋼軌的電流不會(huì)流向車輛段鋼軌。但在正線列車運(yùn)營(yíng)且車輛段內(nèi)無(wú)車時(shí)，一直會(huì)有電流從車輛段通過(guò)單向?qū)ㄑb置流向正線，該電流的幅值最大可達(dá) 580 A。

在測(cè)試車輛段出入段線絕緣節(jié)位置單向?qū)ㄑb置電流的同時(shí)，還測(cè)試了出入段線鋼軌對(duì)地電位，并針對(duì)單向?qū)ㄑb置電流及對(duì)應(yīng)時(shí)刻鋼軌對(duì)地電位變化關(guān)系進(jìn)行分析。該地鐵車輛段一段時(shí)間內(nèi)單向?qū)ㄑb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?qū)ㄑb置電流及鋼軌電位

由圖10可知，當(dāng)單向?qū)ㄑb置中流過(guò)的電流較大時(shí)，對(duì)應(yīng)出入段線的鋼軌電位為負(fù)，且出入段線鋼軌電位越小，單向?qū)ㄑb置中流過(guò)的電流越大。由此驗(yàn)證了仿真分析結(jié)果的正確性。

單向?qū)ㄑb置有大量電流流向正線的主要原因是：當(dāng)正線上列車制動(dòng)時(shí)，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(dǎo)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?qū)ㄑb置會(huì)有大量電流流向正線的現(xiàn)象。這種情況會(huì)導(dǎo)致車輛段內(nèi)出現(xiàn)大量雜散電流，對(duì)車輛段內(nèi)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(qiáng)地鐵車輛段雜散電流防護(hù)。

3 車輛段雜散電流防護(hù)

與正線段相比，地鐵車輛段是雜散電流防護(hù)的薄弱環(huán)節(jié)。應(yīng)采取有效措施對(duì)地鐵車輛段的雜散電流進(jìn)行防護(hù)，同時(shí)應(yīng)考慮監(jiān)測(cè)及排流措施。可采取的具體措施如下：

（1）設(shè)置回流回路。車輛段可通過(guò)恰當(dāng)設(shè)置回流點(diǎn)和均流電纜來(lái)降低鋼軌電位，從而減小雜散電流的泄漏。車輛段內(nèi)線路和出入段線之間、車輛段各電化庫(kù)內(nèi)線路和庫(kù)外線路之間設(shè)置鋼軌絕緣節(jié)并裝設(shè)單向?qū)ㄑb置。

（2）設(shè)置雜散電流收集網(wǎng)。在電化庫(kù)及試車線下方道床結(jié)構(gòu)鋼筋設(shè)置雜散電流收集網(wǎng)，收集網(wǎng)通過(guò)連接排流端子的電纜進(jìn)入變電所排流柜。收集網(wǎng)鋼筋與底板結(jié)構(gòu)鋼筋分離。

（3）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。車輛段采用集中式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分別對(duì)停車列檢庫(kù)、周月檢庫(kù)、靜調(diào)庫(kù)、試車線、洗車機(jī)棚內(nèi)整體道床結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所有監(jiān)測(cè)裝置可將處理信息通過(guò)牽引所綜合自動(dòng)化裝置送至控制中心，進(jìn)行全線的信息處理。

（4）結(jié)構(gòu)要求。鋼軌采用絕緣法安裝，以加強(qiáng)鋼軌對(duì)道床的絕緣。應(yīng)定期對(duì)車輛段鋼軌進(jìn)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(jié)構(gòu)的防水層必須具有良好的防水性能和電氣絕緣性能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)地鐵車輛段內(nèi)雜散電流過(guò)高問(wèn)題，分析正線列車運(yùn)行狀態(tài)對(duì)車輛段雜散電流的影響。對(duì)正線列車運(yùn)行狀態(tài)變化對(duì)車輛段內(nèi)雜散電流的影響進(jìn)行了建模分析，并結(jié)合國(guó)內(nèi)某地鐵車輛段雜散電流測(cè)試驗(yàn)證仿真分析的正確性。分析了車輛段內(nèi)雜散電流產(chǎn)生的原因，并針對(duì)車輛段雜散電流提出防護(hù)措施。

［ 1 ］ 黃 曉 靜 ．車 輛 段 的 雜 散 電 流 防 護(hù)［J］．電 子 測(cè) 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(xué)，2011．

［3］ 陳桁．軌道對(duì)地絕緣局部損壞時(shí)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(yùn)行下地鐵雜散電流研究［D］．成都：西南交通大學(xué) ，2012．

［5］ 郭志．上海軌道交通 3號(hào)線停車場(chǎng)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）