地鐵排流對鋼軌電位及雜散電流的影響研究

黃山山，賀睿，劉振鋒

（廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510000）

1 概述

城市軌道交通直流牽引系統雜散電流的防護問題一直是業內難題，為減少雜散電流對城市軌道交通自身及周邊設施的腐蝕影響，通過在牽引變電所設置排流柜，將排流網中的雜散回流至負極母線，減少雜散電流對周邊的擴散。通過建立牽引供電回流系統模型，利用MATLAB仿真分析排流對鋼軌電位及雜散電流的影響。

2 雜散電流的產生及危害

在城市軌道交通中，地鐵列車的電源普遍采用直流電，牽引電流從牽引變電所整流器正極出發，經接觸網、地鐵列車和鋼軌返回牽引變電所整流器的負極。隨著地鐵運行時間的變長，在隧道潮濕和粉塵的環境下，鋼軌與大地間的絕緣電阻將會減小。牽引電流流經鋼軌回流至負極時，將會有一部分牽引電流泄漏至大地中的結構鋼或管道中，經過地下金屬結構回流至牽引變電所負極，此部分泄漏至大地的牽引電流稱為雜散電流。雜散電流會對附近的地下金屬產生一種氧化還原的電化學反應過程，即電化學腐蝕，對金屬結構有嚴重的危害。

從原理上分析，通過截斷雜散電流的泄漏即可防止雜散電流腐蝕，但目前完全消除雜散電流的技術難度還很大，而且經濟上耗費很高。目前主流對雜散電流的防護思想為“以防為主，以排為輔，防排結合，加強監測”。“防”即從源頭出發，加強鋼軌對地絕緣，以減少鋼軌的泄漏電流；“排”即采用排流法，在道床內鋪設鋼筋網并進行電氣連接，形成排流網，通過電纜連接至排流柜裝置，極性排流使電流回流至牽引變電所整流器負極，避免繼續泄漏擴大危害范圍。

3 排流柜作用及原理

排流柜是城市軌道交通系統中為了減少雜散電流對結構鋼造成電化學腐蝕而設計的專用設備，一般安裝在牽引變電所內，連接在排流網與負極柜之間。排流柜的采用極性排流原理，當排流網電位比鋼軌電位高時，才有電流通過。排流柜為雜散電流提供可靠通路回流至整流器負極，能有效地防止雜散電流對地下金屬設備、隧道結構鋼筋的電腐蝕破壞，同時也防止雜散電流的進一步擴散，造成更大范圍的危害。

排流柜裝置主要由主回路和監測控制系統兩部分組成。主回路由快速熔斷器、直流接觸器、硅二極管、限流電阻、阻容保護和檢測變送器組成。排流柜主回路的核心元件是硅二極管，極性排流原理就是利用硅二極管的正向導通反向截止的特性，可阻止從負極母線到排流網的逆向排流。監測控制系統用于收集電壓電流等信號，控制直流接觸器的分合，將信息輸出至顯示回路。

4 鋼軌電位限制裝置作用及原理

由于鋼軌與大地間存在電阻，當鋼軌泄漏至大地的雜散電流增大時，鋼軌與大地之間產生電位差。乘客在進出車廂時會觸碰到列車金屬車體，雙腳在列車與站臺之間會產生跨步電壓，如果此時鋼軌對地電位過高，會危及乘客人身安全。同時，鋼軌對地電位過高會使直流框架保護誤動作跳閘，影響正常牽引供電。

為防止鋼軌對地電位過高，每個車站和車場都設有鋼軌電位限制裝置，連接在鋼軌與大地之間，實時監測鋼軌對地電位。當電位超過設定值，鋼軌電位限制裝置就會通過接觸器動作，將鋼軌與大地快速短接，從而保障人身安全和設備安全。但由于鋼軌電位限制裝置閉合時，鋼軌與大地之間無電阻，將會造成鋼軌對地泄漏電流增大。

5 排流對鋼軌電位及雜散電流影響仿真分析

5.1 模型建立

為研究排流對鋼軌電位及雜散電流的影響，結合Matlab仿真，建立鋼軌—排流網—大地分布結構回流系統模型進行分析（如圖1）。由于流入土壤中的雜散電流流通面積較大，忽略大地的縱向電阻，此次仿真假設雜散電流極大部分通過排流網回流，忽略極小部分流入大地的雜散電流。

以單邊供電方式為例建立牽引回流模型：

圖1 鋼軌-排流網-大地結構分布圖

設置牽引變電所為計算坐標原點，模型參數符號表示的含義如下：Rs為鋼軌的縱向電阻，Rr為排流網的縱向電阻，Rd為大地的縱向電阻，Rg為鋼軌對排流網的過渡電阻，Rg1為排流網對地的過渡電阻；I為列車取流電流，L為列車到牽引變電所的距離，i(x)為鋼軌電流，u(x)為鋼軌對地電壓，is(x)為泄露到排流網中的雜散電流；

結合圖2和圖3，根據基爾霍夫定律列出方程：

聯立式（1）和式（2），得到鋼軌回流電流和泄漏的雜散電流方程如下：

泄漏到排流網的雜散電流：

泄漏到大地的雜散電流：

5.2 仿真分析

根據現場資料，參數取值如下：

鋼軌縱向電阻Rs=0.026Ω/km，鋼軌對排流網過渡電阻Rg=15Ω，排流網縱向電阻Rr=0.01Ω/km，列車取流I=1000A，列車與牽引所距離L=3km。得到以下對比仿真波形如圖2、3所示：

圖2 單邊供電下排流情況與軌電位關系圖

圖3 單邊供電下排流情況與雜散電流關系圖

根據仿真結果可以得出：

（1）排流柜投入排流后，會整體抬升鋼軌對地電位；

（2）排流柜投入排流后，由鋼軌泄漏的雜散電流量明顯高于不排流情況。

由上述結果分析，排流網收集雜散電流進行排流的同時，會引起總雜散電流的泄漏量增大，并引起更高的鋼軌電位，而鋼軌電位限制裝置動作合閘將鋼軌與大地短接后，又會造成雜散電流泄漏量增大，影響地鐵的安全穩定運行。

6 結語

目前地鐵系統設置排流網對雜散電流進行收集，通過排流柜控制排流，能防止繼續泄漏擴大危害范圍。通過建立直流供電牽引回流系統模型，分析排流柜的投退對鋼軌電位及雜散電流的影響變化。通過分析結果可知，排流柜排流的同時，會引起增大總雜散電流泄漏量和抬升鋼軌對地電壓的副作用。因此在工程實際中，要盡量減少排流柜進行排流，只有當雜散電流很大時才將排流柜投入。除了采用排流防護法，應從源頭上控制雜散電流的產生，輔以陰極保護法、陽極保護法等其他防護方法結合，起到良好的防護效果。