對地鐵軌道電位異常升高的研究

王 磊

（中鐵十六局集團電氣化工程有限公司，北京 100018）

隨著我國城市地鐵線路建設的快速發展，地鐵軌道電位異常升高的現象越來越受到重視。雖然地鐵軌道電位上升的問題存在已久，但是我國對軌道電位異常的研究內容很少，尚沒有具體可行的理論指導和成功的經驗。

一、地鐵軌道發生電位異常升高時產生的危害

當前城市地鐵軌道交通的牽引供電方式使用最多的是軌道回流直流供電，這種供電方式在很大程度上節約了建設投資。然而，因為軌道自身存在電阻，當電流流過軌道時電壓下降，軌道和地面之間出現壓力差產生軌道電位，使得軌道與地面不可能完全隔離，將導致電流從軌道流入地面，電流泄漏，埋藏的金屬鋼結構因此出現嚴重腐蝕的情況。如今，很多地鐵都有軌道電位異常升高的問題[1]。例如，南京地鐵1 號線的軌道電位異常升高，軌道電位限制設備未能與地面接觸時，一旦軌道電位限制設備和框架保護的協作出現偏差，保護框架出現異常，導致接觸網斷電，對地鐵的行車產生極大的破壞。這樣的問題已經在各大城市的地鐵運行中均有發生，情況糟糕的更可能發生人員傷亡的情況。

二、地鐵軌道電位異常升高的原因

軌道電位本身的高低會受到多方面因素的影響，饋電區段、負荷分擔狀況、負荷電流、回流線電阻、分布同整流器的位置等多方面因素都會對軌道電位的高低產生影響作用。而從饋電區段本身的長短和軌道電位高低之間具備正比例關聯，當饋電區段越長，軌道電位就會越高。負荷電流則會對軌道電位高低起到相反的影響作用，當負荷電流越小時軌道電位越高。在對工況條件進行設定的條件之下可以發現軌道電阻和回流線電阻之間也存在著正比例關系，回路阻抗越大軌道電阻就會隨之增大[2]。

（一）地鐵軌道電位分布

當電流流經地鐵軌道的時候，會有一定量的電流會泄露流入大地，鋼軌與大地之間有過度性的電阻，造成鋼軌與大地產生一定的電位差。因為過渡性的電阻與地鐵軌道的類型、地鐵所處的環境的導電性、天氣狀況和地鐵配件設備等具有極大的關系，想要計算出變電站之間存在的鋼軌電位十分困難。以下對地鐵軌道的電位分布做出簡要的分析[3]。

在地鐵的運行中列車從牽引網絡獲取電流，通過軌道和地球流向負極，最終回變電站。當電流流過軌道的時候，會有一些雜散電流產生，導致軌道在負載附近和變電站附近的正負范圍內發生改變，從而導致軌道變形。兩個極區：陽極區和陰極區。在陽極區電流經軌道流向大地；在陰極區中，電流由大地流回到軌道。因為陽極和陰極區的范圍沒有明確的位置，而是隨列車的位置而變化[4]。具體分析如圖1。

圖1 鋼軌電壓定性分析圖

在A 點，列車由接觸網絡獲取電流，電流經接觸網絡經由列車流向A。這時流過軌道的電流最大，隨之電流流向B 點、C 點而后返回變電站。在這個過程中，流過軌道的電流慢慢泄漏到地面，形成了一個陽極區，軌道上的電流發生變化，逐漸減小。在電流流過E 點和F 點時，地面中的電流一個接一個地流回到軌道，從而產生陰極。在B 點、C 點，接地電流和軌道電流相聚，電流回到變電站，這時B點、C 點的軌道電流將變大。假使列車與變電站之間的過渡電阻差異不足，會導致由列車到變電站的軌道電位呈現高—低—高的變化趨勢。因此，列車和回流點周圍會有較大的軌道電位。在地鐵平臺上，當乘客預備上下地鐵時，一旦乘客身體的同時觸碰火車和地面時，乘客的身體就會承受該電壓，一旦軌道電位異常升高，將對乘客的身體造成傷壞。

（二）鐵路信號軌道電路分路不良問題

第一，與軌面生銹有關。在軌道電路中，鋼軌十分重要。就是通過輪與鋼軌來實現電路分路的。由于外部環境原因，在露天的情況下鐵路鋼軌很容易生銹，風雨泥沙的侵蝕或者是各種各樣的自然狀態下,軌面容易生成氧化層,軌道電路分路時,氧化層將軌面與其他隔開,使得電阻增大,與此同時,電阻器接收到的電壓值不能使其正常運行,從而造成分路不良。

第二，與輪對分路電阻有關。當列車與鋼軌接觸時，壓力由車輪作用在鋼軌上，兩根鋼軌上的電阻即為分路電阻。在鐵路軌道電路中，分路電阻的數值，代表鐵路軌道電路是否處于正常狀態，當分路電阻小于標準分路電阻時,該分路狀態屬于正常范圍內，但是如果分路電阻大于標準分路電阻,就會出現分路不良的情況。

三、地鐵軌道電位異常升高的解決方案

一般來說人們通常會采用軌道電位限制器來限制軌道電位的提升，但為了保證人們的生命財產安全需要在鋼軌電位限制裝置整定過程中和人體耐受電壓—時間特性曲線結合在一起設定鋼軌對地電位，保證其處于合理的范圍內，不會對人體造成損傷。在裝置設定完成之后就可以在日常運行過程中實時監測地鐵軌道電位，一旦其超出正常數值時可以通過將鋼軌和接地網短暫連接的方式來降低鋼軌電位，保護人身安全。

（一）地鐵軌道電位異常升高的檢測步驟

一般來說軌道電位的異常升高將致使軌道電位控制設備運作，因此該研究方式具有極大的適用性，在軌道電位異常升高時軌道電位控制設備才會運作。如果設備存在故障就很有可能是錯誤的反應。因此，需要解決的關鍵點是測試軌道電位有沒有存在偏高的現象。在軌道電位屬于正常情況時，軌道電位控制設備運作就極可能是設備發生故障，就應當檢修設備。當檢測到軌道電位著實異常升高，則必須按照實際的原因加以分析和處理[5]。一般的操作流程如下：（1）從鋼軌電位控制設備開始，檢測軌道電位控制設備的性能是否存在異常，能否正常運轉；（2）鋼軌豎直方向的電阻，鋼軌連接處豎直方向的電阻進行檢驗，分析是否存在電阻過大或過小的問題；（3）檢測軌道電位、電流的布局，確定出電位異常升高的區域，才能為下一步確定引發因素做好基礎工作；（4）檢測地鐵動力支撐系統和地鐵運行情況之間的關聯性和變化趨勢；（5）檢測變電站處負母線和地鐵運行狀況之間的變化趨勢，全方位的了解地鐵軌道電位異常升高的原因。

（二）針對各項原因采取的措施

第一，如果因為鋼軌電位控制設備的錯誤運動，應當對該設備進行一定的修理和改造。具體的問題解決的方案不同：如果單純的因為檢測不夠精確，可以采取重設檢測電路的方式解決[6]；如果是軟件質量帶來的問題，則應當更換一定的設備，加強設備應當干擾的能力。

第二，當地鐵軌道電位檢測發現沒有異常升高，而是由外界因素對測試產生了一定的干擾作用導致出現臨時波動，則可以對軌道電位限制器做一些參數或者工作原理的調整方式保證測試的準確性以及設備能夠正常運行。

第三，當地鐵軌道電位檢測的發現確實存在異常升高的情況，可能的影響因素有地鐵電流消耗、線路長度、回線電阻等。現有的地鐵運行線的整流器位置，電力系統和軌道設備已不能改變。因此，當軌道電位的升高是因為線路的長度等因素引起的，一定要謹慎選取措施，可以采用綜合性的治理措施來控制軌道電位。電阻會在一定程度上受到回流線電阻的影響，尤其是鋼軌接縫電阻會嚴重影響到電阻，可以通過選擇更可靠連接鋼軌接頭的方式保證鋼軌的接縫電阻。

（三）分路不良控制策略

對于分路不良出現的問題，就主要從以下的方法進行入手進行改善，對于上述第一點，要積極引入新的技術，目前主要引入了高壓脈沖軌道電路技術用于檢測列車是否占用軌道電路區段，應用高壓脈沖軌道電路技術可以擊穿軌道面的銹蝕問題，從而精準的進行檢測；上述第二點，可根據不同的路段進行分類管理，從而確定不同客觀條件下進行不同的處理方法進行處理。第三點，確定什么情況會出現絕緣層的情況，從而對其進行重點關注。

四、結束語

隨著社會的發展，各大城市均在不斷的修建和完善城市地鐵交通線，城市出行更加的方便快捷。然而，在地鐵軌道電位異常升高問題的出現給地鐵的安全運行帶來了一定的風險，因此，對地鐵軌道電位異常升高的研究能更好的為地鐵的發展服務。