城市軌道交通車輛段雜散電流分布及監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

殷 爽

(上海市隧道工程軌道交通設(shè)計研究院，200235,上海//高級工程師)

城市軌道交通車輛段附近的埋地管線經(jīng)常檢測到雜散電流干擾超標(biāo),連接正線與車輛段軌道絕緣節(jié)兩端的單向?qū)ㄑb置一直存在較大電流,以及在維保過程中經(jīng)常出現(xiàn)的掛接地線打火、燒熔現(xiàn)象等問題均來源于車輛段雜散電流的干擾。在對上海軌道交通7號線陳太路和上海軌道交通1號線富錦路車輛段的雜散電流測試過程中發(fā)現(xiàn)，列車正常運(yùn)行時，大地中大量的雜散電流返回至車輛段鋼軌，再經(jīng)車輛段軌道返回至正線，從而導(dǎo)致車輛段雜散電流嚴(yán)重增加。本文結(jié)合現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，分析了車輛段內(nèi)雜散電流的產(chǎn)生原因及分布規(guī)律，并設(shè)計了車輛段雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)。

1 車輛段雜散電流現(xiàn)場測試

對上海軌道交通車輛段雜散電流相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場測試。主要測試項目有：車輛段與出入段線位置單向?qū)ㄑb置電流及其對應(yīng)位置鋼軌對地電位(以下簡為軌地電位)、車輛段附近土壤電位梯度以及車輛段附近雜散電流方向等。

1.1 車輛段與出入段線位置單向?qū)娏髋c軌地電位

車輛段軌道對地整體絕緣電阻較低,其整體絕緣較差，是整條線路的絕緣薄弱點。通過現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)正線上的雜散電流流入大地時，會有一部分電流流向車輛段;當(dāng)車輛段附近正線軌道電位為負(fù)時，處于車輛段地下雜散電流會流向鋼軌,并通過單向?qū)ㄑb置流向正線。在這種情況下，車輛段內(nèi)即使沒有列車運(yùn)行，也存在雜散電流腐蝕及危及人身安全等問題。現(xiàn)場測試結(jié)果如圖1所示，其中單向?qū)娏髡较驗檐囕v段軌道流向正線軌道方向。由圖1可知，由于單向?qū)ㄑb置的存在，正線軌道的電流不會流向車輛段軌道。但在白天正線列車運(yùn)營時，電流會持續(xù)從車輛軌道通過單向?qū)ㄑb置流向正線。該電流的幅值最大可達(dá)1 000 A，且在車輛段內(nèi)無列車時該電流一直存在。

1.2 車輛段附近土壤電位梯度

車輛段附近土壤電位梯度測試可判斷車輛段周邊雜散電流的大小和方向，其測試原理如圖2所示。圖2中,a、b、c、d為4個參比電極,A、B為2個電壓表。其中,ac與bd的距離相等，且垂直對稱布設(shè)，參比電極間距設(shè)置為5 m。建立直角坐標(biāo)系，使其縱、橫兩軸分別與圖2中的ac、bd相對應(yīng)。同時測得ac和bd的電壓，并將計算出的讀數(shù)或讀數(shù)組合的平均值分別記入坐標(biāo)中，然后利用矢量合成法求其矢量和，得到土壤電位梯度和雜散電流的方向的大小[2-3]。

a) 單向?qū)娏?/p>

b) 鋼軌對地電位

圖2 土壤電阻梯度與雜散電流方向測試原理圖

在列車運(yùn)行過程中,平行于車輛段鋼軌方向及垂直于車輛段鋼軌方向的土壤電位梯度測試結(jié)果如圖3所示。土壤電位梯度垂直分量與平行分量比值如圖4所示，由圖4可知,該比值較穩(wěn)定。根據(jù)矢量合成法，得到車輛段附近土壤中雜散電流合成方向如圖5所示。圖5中,斜向箭頭指向車輛段軌道。車輛段周邊土壤電位梯度幅值變化如圖6所示。由圖6可知，土壤電位梯度幅值超過了GB 19285—2003《埋地鋼制管道腐蝕防護(hù)工程檢驗》中規(guī)定的限值0.5 mV/m。

a) 平行于車輛段鋼軌方向的電位梯度分量

b) 垂直于車輛段鋼軌方向的電位梯度分量

圖4 土壤電位梯度垂直分量與平行分量比值圖

圖5 土壤雜散電流方向

圖6 土壤電位梯度幅值變化圖

由圖6可知，在車輛段無列車運(yùn)行的情況下，車輛段附近土壤中仍存在較大的雜散電流，并且雜散電流方向流向車輛段軌道方向。

2 車輛段雜散電流問題分析

出入段線單向?qū)娏鬈壍仉娢粚?yīng)變化曲線如圖7所示。由圖7可知,電流從單導(dǎo)裝置中流過時，對應(yīng)的軌地電位為負(fù)，且軌地電位越小，單導(dǎo)電流越大。

a) 單向?qū)娏?/p>

b) 軌地電位

由于出入段線軌道與正線軌道直接連接，故正線列車運(yùn)行時產(chǎn)生的軌地電位變化在出入段線位置同樣存在。分析正線列車處于不同運(yùn)行狀態(tài)時該絕緣節(jié)位置的軌地電位與單導(dǎo)電流，可對雜散電流分布規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖8為車輛段雜散電流分布情況。圖8中，U1為絕緣節(jié)兩端電壓，U2為絕緣節(jié)位置軌道對地電壓，I為經(jīng)過絕緣節(jié)兩端的單向?qū)娏鳌．?dāng)正線軌地電位為正時，由于出入段線與正線軌道直接連接，此時出入段線軌地電位U1亦為正。再者由于絕緣節(jié)和單導(dǎo)裝置的存在，出入段線軌道的電流不能流向車輛段軌道內(nèi)，此時單導(dǎo)裝置的電流為0，出入段線軌地電位為正。

當(dāng)正線軌地電位為負(fù)時，絕緣節(jié)位置鋼軌電位與電流情況。當(dāng)靠近車輛段的正線軌地電位為負(fù)時，出入段線軌地電位亦為負(fù)值。當(dāng)車輛段軌地電位大于出入段線軌地電位時，電流可以通過單導(dǎo)裝置流至正線。由于出入段線軌地電位為負(fù)，車輛段軌道與出入段線軌道為電氣聯(lián)通，因此車輛段軌地電位亦呈現(xiàn)負(fù)值。再者因車輛段軌道對地絕緣較差，大量大地中的雜散電流通過車輛段軌道匯集，并通過單導(dǎo)裝置流向正線,此時單向?qū)ㄑb置會有大量電流流向正線的現(xiàn)象。

a) 正線軌地電位為正情況

b) 正線軌地電位為負(fù)情況

由上述分析可知，車輛段整體絕緣較差，且單導(dǎo)裝置將車輛段軌道與正線軌道通過電氣進(jìn)行連通。當(dāng)正線運(yùn)行過程中,連接車輛段軌道的軌地電位為負(fù)值時，大地中的雜散電流會通過絕緣電阻更低的車輛段軌道收集，并經(jīng)單導(dǎo)裝置流向正線。該雜散電流幅值可達(dá)上千安培，大大加劇了車輛段雜散電流問題。

3 車輛段雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

目前,城市軌道交通線路雜散電流監(jiān)測中，一般僅針對正線設(shè)置雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)，而針對雜散電流問題嚴(yán)重的車輛段，缺乏相應(yīng)的雜散電流監(jiān)測裝置。針對上海軌道交通實際線路車輛段雜散電流測試，提出車輛段雜散電流、土壤電位梯度的監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)架，以實現(xiàn)車輛段雜散電流的系統(tǒng)監(jiān)測及評估。

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)及原理

車輛段雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測參數(shù)如下：

(1) 車輛段周邊土壤電位梯度。文獻(xiàn)[2]與文獻(xiàn)[4]規(guī)定：處于直流電氣化鐵路、陰極保護(hù)系統(tǒng)及其他直流干擾源附近的管道，應(yīng)進(jìn)行干擾源側(cè)和管道側(cè)兩方面的調(diào)查測試。當(dāng)管道任意點上的管地電位較自然電位偏移20 mV或管道附近土壤電位梯度大于0.5 mV/m時，確認(rèn)為直流干擾;當(dāng)管道任一點上的管地電位較自然電位正向偏移100 mV或者管道附近土壤電位梯度大于2.5 mV/m時，管道應(yīng)及時采取直流排流保護(hù)或其他防護(hù)措施。而城市軌道交通車輛段一般都建設(shè)在地面上，且車輛段周邊一般存在土壤，具備對土壤電位梯度測試的條件。因此車輛段雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)包含土壤電位梯度監(jiān)測項目，用以判別車輛段周邊土壤中雜散電流是否超標(biāo)。

(2) 雜散電流方向。車輛段周邊在進(jìn)行土壤電位梯度測試時，可根據(jù)對參比電極監(jiān)測得到的垂直坐標(biāo)下，土壤中雜散電流的矢量合成方向，判斷同一時刻下不同位置雜散電流的方向。該監(jiān)測參數(shù)可為電流流通方向及路徑提供判斷依據(jù)。

(3) 車輛段附近建筑物極化電位。車輛段一般存在較多的建筑物，甚至一些車輛段設(shè)計時，為節(jié)省面積以及提高車輛段利用率，一般會在車輛段中上蓋建筑物。由于車輛段雜散電流問題相對嚴(yán)重，有必要在車輛段監(jiān)測系統(tǒng)中設(shè)置建筑物極化電位測試點，以監(jiān)測車輛段上蓋建筑物整體結(jié)構(gòu)鋼筋的安全。

(4) 軌地電位。軌地電位監(jiān)測可輔助進(jìn)行車輛段雜散電流評估，亦可反映軌道對地之間的電流流向。

(5) 單導(dǎo)裝置電流。單導(dǎo)裝置是連接車輛段軌道與正線軌道之間絕緣節(jié)兩端的設(shè)備。單導(dǎo)裝置的存在，使得車輛段軌道與正線軌道之間為電氣聯(lián)通。在正線運(yùn)營過程中，雜散電流會持續(xù)通過車輛段軌道進(jìn)行電流匯集，并通過單導(dǎo)裝置流向正線。因此，通過對單導(dǎo)裝置電流監(jiān)測，可得到經(jīng)車輛段流回的雜散電流幅值大小，該參數(shù)可確定車輛段雜散電流的干擾情況。

3.2 監(jiān)測方案分析

車輛段雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)主要由監(jiān)測裝置、監(jiān)測終端傳感器及參比電極等構(gòu)成。每個車輛段須設(shè)置1臺監(jiān)測裝置，用以負(fù)責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集、分析以及車輛段雜散電流問題的評估。監(jiān)測終端傳感器負(fù)責(zé)將采集信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并上傳至監(jiān)測裝置。同時車輛段監(jiān)測裝置通過變電所SCADA(數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng))通道向線路雜散電流監(jiān)控中心上傳狀態(tài)信號。

根據(jù)車輛段特點，監(jiān)測終端傳感器與監(jiān)測裝置之間的通訊方式可采用無線自組網(wǎng)方式或現(xiàn)場總線的有線通訊方式。車輛段雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)架如圖9所示。該監(jiān)測系統(tǒng)通過監(jiān)測車輛段內(nèi)雜散電流的相關(guān)參數(shù)，可實現(xiàn)對車輛段雜散電流的針對性監(jiān)測和防護(hù)。

圖9 車輛段雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 結(jié)語

針對上海軌道交通車輛段雜散電流過大的現(xiàn)象，結(jié)合上海軌道交通車輛段雜散電流相關(guān)參數(shù)測試結(jié)果、分析了車輛段雜散電流的產(chǎn)生原因，并設(shè)計了車輛段雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)。