地鐵直流牽引系統雜散電流防護問題分析

王立東

（長春市軌道交通集團有限公司，吉林 長春 130000）

0 引言

我國地鐵多采用走行軌回流直流牽引供電方式。直流牽引系統會產生常態化的雜散電流，又稱為迷流，對地鐵直流牽引系統本身產生一定的電腐蝕作用，影響地鐵的使用壽命，還會對沿線城市建筑的鋼筋結構和地下管網設施設備帶來相當程度的危害[1]。由于雜散電流存在難以測算的特性，電腐蝕效應的損害又相對直接且容易擴散，如何防護地鐵直流牽引系統雜散電流問題日益成為軌道交通所面臨的大問題。當前我國地鐵沿線的固定資產、設備設施價值巨大，金屬結構復雜且管網縱橫，要盡量避免地鐵雜散電流對其產生電化學腐蝕。

本文力圖剖析與解決這個核心問題，基于已有研究的基礎上采取一系列措施試圖降低雜散電流對地鐵直流遷移系統的腐蝕作用，保護地鐵系統的價值與安全。

1 地鐵直流牽引系統雜散電流綜述

1.1 地鐵直流牽引系統雜散電流的社會危害

時至今日，針對雜散電流的研究，業界已經能夠達成如下共識：雜散電流的產生與地鐵運行相關，對沿線金屬設施造成消極影響，而且嚴重影響地鐵結構鋼筋的穩定性，嚴重的還會對地鐵沿線建筑物造成鋼腐蝕（見圖1）。

圖1 地鐵直流供電系統雜散電流的產生

早在20世紀60年代我國剛剛興建地鐵時，就將雜散電流作為一大科研項目技術難題應對、處理，雜散電流也一直如影隨形地與我國地鐵事業共存至今。雜散電流對地鐵沿線社會財富的危害主要是通過電化學腐蝕實現的，由于雜散電流在鋼鐵表面上產生的電化學腐蝕以吸氧腐蝕為主，在管網、鋼筋結構表面產生氫氧化亞鐵，導致設備設施或固定金屬結構性能老化、失去強度與韌性，或者瞬間產生過大電流導致以敏感元件為主的現代智能化設備產生誤判，造成經濟損失。

1.2 地鐵直流牽引系統雜散電流社會危害的表現形式

從上得知，雜散電流的社會危害主要由其電化學腐蝕現象決定，也有其他脅從危害，表現形式具體如下：

其一，地鐵直流牽引系統運作時，雜散電流嚴重超出規范要求并且流入某些地鐵沿線固定設備的電氣接地裝置，如電器保險柜、配電設施等，導致該設備產生誤判，停止工作或切斷工作狀態，造成財產損失。

其二，對埋地電纜鎧裝層、埋地金屬管道、混凝土鋼筋結構產生電化學腐蝕，影響金屬的使用壽命，間接造成地下人造持力結構的耐久性下降和性能退化，如煤氣管道、熱力管道等泄漏、泄水，影響城市居民日常生活。

其三，影響地鐵的工作狀態，如因走行軌對地絕緣性降低而產生的雜散電流，影響傳感器、繼電器等的工作狀態，啟動保護開關形成誤操作，造成物質財富的直接損失[2]。

1.3 地鐵直流牽引系統雜散電流的產生原因

雜散電流的產生原因是地鐵牽引供電系統采用直流供電方式。從電學原理來看，牽引變電所發出的牽引電流電壓為DC 1500V/750V，以接觸網為正極，以走行軌為負極兼回流線，在接觸網、車輛、走行軌之間形成一條閉環電路并回歸負極。該能量在傳遞過程中會散失一部分，表現形態即電力損耗，這就是雜散電流的總和。由于雜散電流最終泄漏到大地中，而其泄漏點的影響因素千變萬化，在走行軌道與大地接觸面，過渡電阻絕緣效果不穩定之處都有可能發生，而且是必然存在的常態現象，既無法阻止又無法準確預測其產生，故有“迷流”之稱。

2 地鐵直流牽引系統雜散電流的防護策略

2.1 地鐵直流牽引系統雜散電流的防護原則

當前，我國對地鐵直流牽引系統雜散電流的防護原則是“以防為主，以排為輔，重點監測”。由于雜散電流的防護工程相對復雜，而且不能從根本上杜絕雜散電流流入大地，需要各單位、各部門平時注意專業之間的預防合作，從雜散電流的產生源頭上采取控制性措施，或者在發生影響的地點采取針對性的防護手段，將該地雜散電流對社會生活的影響限制到最低，達到防護目的。另一個監測的重點在于數據的采集和分析，由于電流作用微不可見而且預測起來十分困難，所以當前常用錨點法進行異常數據的排查工作，以定位雜散電流影響相對嚴重的區域，并在該區域中采取一定的措施手段，達到相對防護的目的[3]。

2.2 地鐵直流牽引系統雜散電流的直接防護

直接防護是直接針對雜散電流的源頭根治、影響防護、后果限制等一系列措施。一般情況下，防護的對象都是多次發生雜散電流異常事故的地區，如線路中斷、故障頻發等地區。而且直接防護并不能從根本上消滅雜散電流的存在與產生，因此一般考慮在這種雜散電流異常區域通過控制手段對雜散電流現象進行抑制。一般的防護措施有以下幾種：

其一，對牽引變電所重新進行區位選址，在電壓滿足車輛運行要求的前提下，采用多段式分布來減少產生的最大電壓峰值，以達到控制雜散電流產生、保護地下設施的目的。

其二，在牽引變電所設置更為先進的排流設備。由于在牽引網運行過程中采取雙邊供電，因此牽引網應在排流設備上及時、準確地對產生自源頭的雜散電流盡量排流、引流，以降低整體網絡中的雜散電流總量，達到保護地鐵線路的目的。

其三，線路防護。地鐵隧道結構內的金屬部分要保證隔離防護程度，不得裸露在外，不得與走行軌之間以各種直接、間接的方式連接，以達到對地下設施、地鐵線路防護的目的。

2.3 地鐵直流牽引系統雜散電流的監測防護

由于地鐵直流牽引系統雜散電流無法直接測量，所以一般多采取受害地區反映、匯報，相應部門派出防護人員直接防護，并明確雜散電流對該地的直接危害，在實際應用中建立監測防護體系予以監督控制。由于互聯網技術的發展，地鐵直流牽引系統雜散電流的檢測系統已經從信息化時代邁入了大數據時代，由二代分散式系統已經發展到三代集中式系統，實現了信息聯動監測。二代系統和三代系統都由傳感器、參考電極、檢測系統等部分構成，監測的主要原理是基于雜散電流的參數設計而分置一套科學模型，重要參數有本體電位、極化瞬時電位、極化電位平均值等。其中本體電位是沒有雜散電流擾動情況下的測量電位基礎穩定值，反映了每日凌晨無列車運行時的測量目標電壓標準情況，是重要的參考基準點。參考標準是極化電壓的正向偏移情況。如果傳感器終端傳來的數據中發現了某處終端極化電壓正向偏移的平均值超過了0.5V，可以判斷終端的雜散電流數據異常，再從終端所在地進行事故發生地的區域量化描述，根據嚴重情況而采取相應措施。

3 地鐵直流牽引系統雜散電流防護的具體措施

3.1 地鐵直流牽引系統雜散電流的設備設施防護

由于在地鐵沿線走行軌上所產生雜散電流一般作用在地下相近的金屬結構組織，并產生電化學腐蝕、核定電流超載等具體問題。因此，設備設施防護的重點可放在隔離走行軌與地下金屬結構組織的直接電氣連接方面，可有效減少雜散電流。具體的防護措施可考慮覆蓋絕緣層、將金屬結構組織替換為絕緣材料的方法。例如，以PVC 材料代替傳統金屬材料作為民用管網的主材、在金屬管道外層包覆絕緣性能更為優異的新型材料等等，以達到有效防護的目的。一些投入運營較早的地鐵線路由于周邊建筑、設備設施的材料應用方面金屬結構相對較多，改善的難度較大，可采用排流法隔離雜散電流與設備設施的電氣連接。例如，加裝排流柜等專用設備，使雜散電流從排流柜流回變電所，減少設備設施與雜散電流的接觸量，達到截流引流的目的。

3.2 完善地鐵直流牽引系統雜散電流收集網

地鐵直流牽引系統雜散電流收集網是一個相對較為復雜的雜散電流收集系統，有效整合了地鐵沿線整體區域的直接防護措施，具體包括以下設施設備：

其一，主收集網。構建主收集網的具體措施在于將地鐵沿線金屬結構納入一個總體范圍，對其可能產生的電氣連接進行邊界分析，以防范雜散電流與總體范圍的接觸層面，并針對性地設置直接防護體系。

其二，輔收集網。輔收集網包括圖2中的全部表層金屬結構，將這些金屬結構與地鐵系統內部進行整體性分析，在地鐵系統與金屬結構之間籌劃電氣連接的隔絕方案。

圖2 地鐵直流牽引系統雜散電流收集網剖面圖

其三，增設智能排流柜。沿地鐵走行軌下方分段設置帶有感應器的排流柜，若干單位的排流柜構成一個防護網，從區域上進行小范圍的收集防護。

3.3 對地鐵直流牽引系統雜散電流進行集中式監測

集中式地鐵雜散電流監控裝置是可進行模擬仿真計算的智能化設備，由參考電極、傳感器、信號轉接器、智能監測裝置和終端系統組成。其工作原理是在多個牽引站內設置帶有傳感器的數據采集服務器，該傳感器采取外接極化電壓采集點設計，其參考電極對于牽引站雜散電流進行敏感度測試并數據采集，如圖3所示。從圖中可見，在地鐵整條線路車站都需要設置監測點，從若干監測點中采集數據，通過應用機器學習技術來模擬仿真，采用相對精密的數據分析法，其成本相對可觀。

圖3 集中式雜散電流監測系統示意圖

4 結語

綜上所述，一方面地鐵直流牽引系統所產生的雜散電流超過評估范疇，另一方面超齡服役的地鐵目前仍然存在，因此雜散電流也會長期存在。鑒于國際、國內對地鐵直流牽引系統雜散電流的理論并不統一，也沒有各方一致認可的計算方式，導致防范缺乏嚴密的理論依據，因此對其防護也只能停留在防護結合的層面上。最大程度上對其進行引流分流，盡可能減少雜散電流對地下電力、接地系統的破壞性影響，防止產生電化學腐蝕現象，以上兩者皆不治本。最理想的方式是應用智能監控方式對其影響進行控制，但目前還面臨著監測系統運營成本過高的問題，需要注意并進一步改善。