城市軌道交通車輛段雜散電流分布及監測系統設計

殷 爽

(上海市隧道工程軌道交通設計研究院，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常檢測到雜散電流干擾超標,連接正線與車輛段軌道絕緣節兩端的單向導通裝置一直存在較大電流,以及在維保過程中經常出現的掛接地線打火、燒熔現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現，列車正常運行時，大地中大量的雜散電流返回至車輛段鋼軌，再經車輛段軌道返回至正線，從而導致車輛段雜散電流嚴重增加。本文結合現場測試數據，分析了車輛段內雜散電流的產生原因及分布規律，并設計了車輛段雜散電流監測系統。

1 車輛段雜散電流現場測試

對上海軌道交通車輛段雜散電流相關參數進行了現場測試。主要測試項目有：車輛段與出入段線位置單向導通裝置電流及其對應位置鋼軌對地電位(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導通電流與軌地電位

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。通過現場測試發現，當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;當車輛段附近正線軌道電位為負時，處于車輛段地下雜散電流會流向鋼軌,并通過單向導通裝置流向正線。在這種情況下，車輛段內即使沒有列車運行，也存在雜散電流腐蝕及危及人身安全等問題。現場測試結果如圖1所示，其中單向導通電流正方向為車輛段軌道流向正線軌道方向。由圖1可知，由于單向導通裝置的存在，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營時，電流會持續從車輛軌道通過單向導通裝置流向正線。該電流的幅值最大可達1 000 A，且在車輛段內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，參比電極間距設置為5 m。建立直角坐標系，使其縱、橫兩軸分別與圖2中的ac、bd相對應。同時測得ac和bd的電壓，并將計算出的讀數或讀數組合的平均值分別記入坐標中，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) 單向導通電流

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,該比值較穩定。根據矢量合成法，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工程檢驗》中規定的限值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

出入段線單向導通電流軌地電位對應變化曲線如圖7所示。由圖7可知,電流從單導裝置中流過時，對應的軌地電位為負，且軌地電位越小，單導電流越大。

a) 單向導通電流

b) 軌地電位

由于出入段線軌道與正線軌道直接連接，故正線列車運行時產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行狀態時該絕緣節位置的軌地電位與單導電流，可對雜散電流分布規律進行詳細說明。

圖8為車輛段雜散電流分布情況。圖8中，U1為絕緣節兩端電壓，U2為絕緣節位置軌道對地電壓，I為經過絕緣節兩端的單向導通電流。當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。再者由于絕緣節和單導裝置的存在，出入段線軌道的電流不能流向車輛段軌道內，此時單導裝置的電流為0，出入段線軌地電位為正。

當正線軌地電位為負時，絕緣節位置鋼軌電位與電流情況。當靠近車輛段的正線軌地電位為負時，出入段線軌地電位亦為負值。當車輛段軌地電位大于出入段線軌地電位時，電流可以通過單導裝置流至正線。由于出入段線軌地電位為負，車輛段軌道與出入段線軌道為電氣聯通，因此車輛段軌地電位亦呈現負值。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，并通過單導裝置流向正線,此時單向導通裝置會有大量電流流向正線的現象。

a) 正線軌地電位為正情況

b) 正線軌地電位為負情況

由上述分析可知，車輛段整體絕緣較差，且單導裝置將車輛段軌道與正線軌道通過電氣進行連通。當正線運行過程中,連接車輛段軌道的軌地電位為負值時，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，并經單導裝置流向正線。該雜散電流幅值可達上千安培，大大加劇了車輛段雜散電流問題。

3 車輛段雜散電流監測系統設計

目前,城市軌道交通線路雜散電流監測中，一般僅針對正線設置雜散電流監測系統，而針對雜散電流問題嚴重的車輛段，缺乏相應的雜散電流監測裝置。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、土壤電位梯度的監測系統構架，以實現車輛段雜散電流的系統監測及評估。

3.1 監測系統參數及原理

車輛段雜散電流監測系統主要監測參數如下：

(1) 車輛段周邊土壤電位梯度。文獻[2]與文獻[4]規定：處于直流電氣化鐵路、陰極保護系統及其他直流干擾源附近的管道，應進行干擾源側和管道側兩方面的調查測試。當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，確認為直流干擾;當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，管道應及時采取直流排流保護或其他防護措施。而城市軌道交通車輛段一般都建設在地面上，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測系統中應包含土壤電位梯度監測項目，用以判別車輛段周邊土壤中雜散電流是否超標。

(2) 雜散電流方向。車輛段周邊在進行土壤電位梯度測試時，可根據對參比電極監測得到的垂直坐標下，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。該監測參數可為電流流通方向及路徑提供判斷依據。

(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，甚至一些車輛段設計時，為節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重，有必要在車輛段監測系統中設置建筑物極化電位測試點，以監測車輛段上蓋建筑物整體結構鋼筋的安全。

(4) 軌地電位。軌地電位監測可輔助進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) 單導裝置電流。單導裝置是連接車輛段軌道與正線軌道之間絕緣節兩端的設備。單導裝置的存在，使得車輛段軌道與正線軌道之間為電氣聯通。在正線運營過程中，雜散電流會持續通過車輛段軌道進行電流匯集，并通過單導裝置流向正線。因此，通過對單導裝置電流監測，可得到經車輛段流回的雜散電流幅值大小，該參數可確定車輛段雜散電流的干擾情況。

3.2 監測方案分析

車輛段雜散電流監測系統主要由監測裝置、監測終端傳感器及參比電極等構成。每個車輛段須設置1臺監測裝置，用以負責監測數據的收集、分析以及車輛段雜散電流問題的評估。監測終端傳感器負責將采集信號進行模數轉換，并上傳至監測裝置。同時車輛段監測裝置通過變電所SCADA(數據采集與監視控制系統)通道向線路雜散電流監控中心上傳狀態信號。

根據車輛段特點，監測終端傳感器與監測裝置之間的通訊方式可采用無線自組網方式或現場總線的有線通訊方式。車輛段雜散電流監測系統構架如圖9所示。該監測系統通過監測車輛段內雜散電流的相關參數，可實現對車輛段雜散電流的針對性監測和防護。

圖9 車輛段雜散電流監測系統架構圖

4 結語

針對上海軌道交通車輛段雜散電流過大的現象，結合上海軌道交通車輛段雜散電流相關參數測試結果、分析了車輛段雜散電流的產生原因，并設計了車輛段雜散電流監測系統。