城市軌道交通雜散電流防護失效原因及新型防護方案研究

張開波

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

1 研究背景

1.1 工程背景

目前，大部分城市軌道交通工程牽引供電系統采用了DC 1 500 V(或DC 750 V)接觸網(或接觸軌)授流、走行軌回流的牽引供電制式。雜散電流是指在非指定回路上流動的電流，或因有意和無意地接地，而流入大地或埋地金屬物體中的泄漏電流[1]。對于采用走行軌作為牽引回流的軌道交通工程，由于鋼軌與大地之間絕緣過渡電阻的下降或破壞，牽引回流從鋼軌泄漏至道床、隧道結構、大地后成為雜散電流。

通過鋼軌絕緣泄漏或其他各種方式產生的雜散電流，對軌道交通本身的道床、隧道、橋梁等結構的鋼筋，以及軌道交通工程周圍的金屬管線(煤氣管、石油管、給排水管等)造成腐蝕[2]，產生不同程度的危害、安全隱患和不利影響(見圖1)。

圖1 雜散電流腐蝕危害現場Figure 1 Stray current corrosion hazard

1.2 雜散電流產生的基本原理及排流措施

1) 雜散電流總量與鋼軌電位及泄漏電阻的關系。鋼軌與大地之間為絕緣安裝系統，列車在兩座牽引變電所間運行，通過牽引網正常取流時，鋼軌電位分布列車位置處為陽極區，鋼軌電位為正；牽引變電所附近為陰極區，鋼軌電位為負[3]。鋼軌電位產生的原因是牽引回流電流在鋼軌上產生的縱向電壓，如圖2所示。

圖2 鋼軌電位及雜散電流分布示意Figure 2 Rail potential and stray current distribution

正常情況下，雜散電流的大小就是圖2中陰影區段從鋼軌泄漏至地下電流密度的積分，其總量基本上只與全線鋼軌正電位及鋼軌對地泄漏電阻有關[3]。具體參見公式(1)。

式中：I雜散電流為區間雜散電流的泄漏總量，A；I密度為沿線各點雜散電流泄漏的電流，A/m；L為區間長度值，m；V鋼軌正電位為沿線各點鋼軌呈現正電位的電壓值，V；R泄漏電阻為沿線各點鋼軌與大地之間的過渡絕緣電阻值，Ω·m。

2) 雜散電流的排流收集措施。為減少雜散電流對工程線路及周圍金屬結構可能產生的腐蝕，盡快將其收集回牽引變電所，不向周圍擴散和泄漏，即采用相關的排流措施。

參見圖2，采用排流法時，原來牽引負母排的負電位變為接近零電位；因鋼軌縱向電壓的鉗制作用使得兩座牽引變電所間鋼軌最高對地電位增加了一倍，兩座牽引變電所間的鋼軌幾乎全部成為陽極區，理論計算從源頭上雜散電流的泄漏總量會增加近4倍。故排流法既有其有利的一面，也有其不利的一面。

因為雜散電流的腐蝕及干擾問題，已有較多的管線單位(石油、燃氣等)及地方電力部門進行投訴，但在各地工程的運營過程中，對于是否在牽引變電所內投入排流裝置，一直沒有明確的結論。

2 雜散電流防護措施及其效果分析

2.1 雜散電流防護措施及其分類

雜散電流腐蝕防護采取的措施按其作用分為兩類：第1類是主要措施，是指減少雜散電流泄漏總量。第2類是輔助、備用措施，是指從腐蝕程度上加以緩解，在主要措施作用降低時起后備作用的應急措施。

2.1.1 第1類措施：“防”

雜散電流泄漏總量與鋼軌電位及鋼軌對地的泄漏電阻有關，這方面的措施有以下6種。

1) 減小鋼軌縱向電阻，保證牽引回流暢通。鋼軌縱向盡量焊接為長鋼軌，即無縫鋼軌。在必須有斷開點的鋼軌接縫處用多組銅電纜可靠連接，間隔一定距離鋼軌進行均流連接。

2) 加大鋼軌對地泄漏過渡電阻。走行鋼軌采用絕緣法安裝，軌枕處鋼軌下加絕緣板，采用絕緣扣件，在軌道與混凝土軌枕之間、緊固螺栓和道釘與混凝土軌枕之間、扣件與混凝土軌枕之間采取絕緣措施，加強鋼軌對道床絕緣，以減少鋼軌對地的泄漏電流。

3) 加大鋼軌與道床之間的空氣間隙。軌底面與道床面之間的間隙值應大于30 mm[1]。

4) 對鋼軌進行絕緣分斷隔離。在不同線路之間、場段與正線之間、場段的庫內與庫外之間、電化區段與非電化區段之間對鋼軌采取絕緣分段隔離措施，并根據需要，在相應位置設置牽引回流單向導通裝置。

5) 站臺門絕緣安裝。車站站臺門的金屬結構，通過電纜與鋼軌進行等電位連接；站臺門區域采用絕緣法安裝，加強站臺門與大地之間的絕緣，以減少鋼軌對大地的泄漏電流。

6) 運營維護管理措施。考慮車輛運營磨耗鐵屑及外界環境污染造成鋼軌對地泄漏電阻的影響，如對鋼軌道床持續進行清潔維護或改造、更換絕緣板等。

2.1.2 第2類措施：“排”

利用道床、隧道內結構及排流鋼筋的可靠連接作為收集網和排流網，同時在牽引所內設置多支路的單向排流柜，減少雜散電流向軌道交通工程以外擴散。

2.1.3 其他措施：“抗”

對各相關金屬結構及管線加強絕緣處理，同時適當增大金屬結構的整體截面，降低流過的雜散電流密度，增強其自身抵抗雜散電流腐蝕的能力。

2.2 常規雜散電流防護方案的實際效果

通過嚴格對現場實施核查及管理，部分工程在建設及運營初期短時間內或許能暫時滿足鋼軌對地的絕緣電阻要求；在持續運營一段時間以后，鋼軌與大地之間的絕緣電阻，很多工程連3 Ω·km的要求也無法達到，實際的防護效果均較差。

同時，在正線與場段鋼軌之間，以及場段庫內與庫外鋼軌之間，采用常規的單向導通裝置連接的牽引回流方案，也在一定程度上加劇了這種雜散電流泄漏的不利影響。

1) 鋼軌絕緣墊燃燒。部分區段鋼軌與大地之間絕緣性能嚴重下降后，導致牽引回流電流直接泄漏至道床形成較大的雜散電流。在某城市的軌道交通工程中，局部區段鋼軌絕緣扣件處雜散電流出現泄漏嚴重，導致鋼軌下方的絕緣墊直接發熱燃燒(如圖3所示)，影響線路列車的正常運行。

圖3 鋼軌扣件處絕緣墊發熱燃燒Figure 3 The burning insulating pad at the rail fastener

2) 場段掛接地線打火、燒損、發燙。

3) 場段范圍內，車輛停車位置不合適，燒損車體之間的電連接線[4](如圖4所示)。

圖4 場段接地線及車體電連接線燒損Figure 4 The burned ground and the electric connecting wires

4) 大量的雜散電流從場段鋼軌回流至正線鋼軌。通過對多個工程的現場雜散電流測試，均發現在線路的運營期間，通過出入段線上的單向導通裝置，有大量的雜散電流從場段鋼軌流向正線鋼軌。如圖5所示，某地鐵工程場段內的雜散電流總量高達302.4 A[4]。

圖5 場段流向正線鋼軌的雜散電流測試數據Figure 5 Data of Stray current form depot rail to main line

甚至有文獻描述某工程在白天正線車輛運營時，一直會有電流從場段軌道通過單向導通裝置流向正線，該電流的幅值最高可達1 000 A，并且在場段內無車輛時一直存在該電流[6]。

5) 場段的鋼軌電位限制裝置頻繁動作。白天正常運營，場段內無車輛運行，鋼軌電位限制裝置動作頻繁，電壓值波動異常[7]。

6) 正線部分車站站臺門打火嚴重。當正線部分車站站臺門對地的絕緣性能下降時，嚴重情況下導致車站的站臺門之間及與大地之間打火嚴重，并燒損相關部件，如圖6所示。

圖6 站臺門部件打火燒損Figure 6 Component of platform door be burned

隨著城市軌道交通工程建設的持續，雜散電流的危害程度、影響范圍及隱患將越來越大。

3 雜散電流泄漏防護效果較差的原因

對于采用直流牽引供電制式，走行軌作為牽引回流的工程而言，因其雜散電流泄漏點的防護處理不是某一時、某一點或某一處，是整個壽命期內一條線、多個面整體性考慮的問題。鋼軌與大地之間的支撐點眾多，且線路情況復雜，各地下車站在車站隧道的結構體之外又獨立設置了接地網；線路配套的場段占地面積大，不僅本身就是雜散電流泄漏的薄弱點，部分檢修庫內的鋼軌根據檢修工藝還有與大地直接連接的要求；因此均在一定程度上加大了整個工程雜散電流泄漏的防護難度。

通過實際工程驗證，目前階段工程上采取的雜散電流泄漏防護方案及措施是有局限性的。主要有以下幾方面的原因：

3.1 源頭上防止雜散電流泄漏的失效

1) 在軌枕處的鋼軌扣件絕緣整體上防護失效。本節所描述的防護失效，不是指其絕緣防護材料本身絕緣性能的失效，是指鋼軌扣件處的整體絕緣效果的失效。

目前在軌枕處的鋼軌扣件、彈性絕緣墊塊均采用自然絕緣體，其材料本身的體積電阻率可達 108Ω·m以上，單個軌枕的金屬連接件與走行軌、地之間的絕緣電阻值不應小于1 MΩ/件，濕電阻值不應小于100 kΩ/件[1]。軌枕塊和鋼軌下絕緣墊塊的外延尺寸應大于與其連接的金屬件，其外延尺寸不宜小于20 mm[1]。但其結構及安裝形式更多是為了實現鋼軌良好的固定及彈性減振，不是為實現鋼軌與大地之間長期可靠的完整電氣隔離及絕緣。

對鋼軌扣壓件，要求按規定的振幅進行 5×106次疲勞試驗后不應折斷；對彈性墊層，要求按規定的疲勞試驗經 3×106次荷載循環后不應裂損[8]，并對永久變形及靜剛度變化率提出具體要求；但僅在產品的技術要求層面進行規定，對于其實際使用及更換的壽命周期并未提出具體的時間要求，同時其是否需要更換，也是基于鋼軌扣件本身的機械性能是否達標，與其整體絕緣性能是否下降沒有關系，因此各運營單位實際使用的年限均較長。

故目前鋼軌通過絕緣扣件組合安裝在一起的方案，在長期運營過程中，對外界環境的耐污能力及絕緣爬距考慮不足，因此其整體絕緣性能及效果的完整性及長期有效性很難滿足要求。

從圖7可見，鋼軌扣件處的絕緣墊塊，其絕緣爬距的長度較短，在工程建設及運營初期保持良好清潔的情況下，其絕緣效果相對較好；但在長期的運營過程中，由于外部環境的雨污、粉塵污染或者車輛鋼輪與鋼軌間磨耗產生的金屬鐵屑，極易破壞軌枕處絕緣扣件的絕緣效果，且很不易清理，導致其整體性絕緣失效。且由于軌道交通工程的線路較長，鋼軌扣件整體數量較多，在運行一段時間后，鋼軌對地整體的絕緣效果下降明顯，通過鋼軌的牽引回流出現泄漏，從源頭上導致較多雜散電流的產生。

圖7 鋼軌絕緣扣件安裝及長期運行后現場Figure 7 Rail insulated fastener installation and condition of the fastner after long-time operations

2) 車站站臺門處的絕緣失效。在長期的運營過程中，由于隧道粉塵污染及站臺清洗等多方原因，部分車站站臺門區域對地的絕緣性能下降，由于鋼軌與站臺門金屬結構件之間通過電纜實現等電位連接，牽引回流通過站臺門出現泄漏，也從源頭上導致雜散電流的產生，嚴重時導致站臺門的打火現象。圖8為站臺門現場安裝示意圖。

圖8 站臺門現場安裝Figure 8 Platform door installation

3.2 雜散電流傳輸路徑沒有實現有效截斷

雜散電流無論如何傳輸，最終還是需流回電源點的負極。根據工程實際，其傳輸路徑主要分為兩大類，一類是設計預期的傳輸路徑，另一類是非預期的傳輸路徑(或不希望出現的傳輸路徑)。

1) 符合設計預期的傳輸路徑。①道床結構鋼筋：作為雜散電流的主要收集網和排流網；②隧道結構鋼筋：作為雜散電流的輔助收集網。

2) 非預期的傳輸路徑。①大地：雜散電流由鋼軌通過道床、站臺門、鋼軌限制裝置、車站接地網等各種途徑泄漏進入大地后，通過大地進行傳輸，再回流至臨近電源點區段的鋼軌；②場段出入段線與正線連接的鋼軌。因為場段范圍相對于正線，更是鋼軌絕緣防護的薄弱點。正線的牽引回流通過鋼軌泄漏至大地以后，又從大地泄漏至場段鋼軌，最后再通過場段的出入段線鋼軌流回正線鋼軌。通過多個工程的實際測量，在該路徑流過的雜散電流數據較大。

實際工程中，雜散電流傳輸路徑基本上為以上多種方式的組合，目前的防護方案，對應非預期的傳輸路徑均沒有實現有效地截斷。

3.3 牽引回流點的設置問題

各牽引變電所向牽引網供電，列車通過接觸網(或接觸軌)取電，為讓牽引電流通過回流鋼軌回到相應的牽引變電所，目前在以下地點設置了牽引回流點：

1) 正線牽引回流點。正線臨近各牽引變電所的上、下行鋼軌，均設置了牽引回流點。正線的鋼軌作為一個沒有絕緣分段的整體，同時作為各牽引變電所的牽引回流通路。

2) 場段牽引回流點。場段范圍對應不同供電區域的鋼軌設置多個牽引回流點。場段電氣化區段范圍內，在出入段線與正線、庫內與庫外鋼軌之間盡管均設置了鋼軌絕緣節，但通過單向導通裝置實現了電氣單向連通，因此從牽引回流的角度上看，場段范圍內的鋼軌仍然是作為一個沒有完全絕緣分段的整體，均作為場段的回流通路，如圖9所示。

圖9 正線及場段牽引回流走向Figure 9 The direction of traction current return between main line and depot

由于正線牽引供電系統的特殊性，牽引取流及行車密度較大，其鋼軌作為一個電氣完全連通的整體，且牽引變電所之間的距離一般在2～4 km左右，導致牽引回流點的間距較遠；當牽引所處于大雙邊供電或車輛處于再生制動運行工況，出現跨牽引供電分區的情況時，相應牽引回流的傳輸路徑更長，導致鋼軌電位的升高[9]；不利于正線雜散電流的防護。

在場段范圍內，沒有根據鋼軌絕緣節的設置，分別在鋼軌的兩側對應設置各自的單向牽引回流點，導致牽引回流在場段內跨區域的長距離大范圍流動，也不利于場段內雜散電流的防護。

3.4 場段整個的單向導通裝置方案不合理

1) 庫內至庫外的單向導通裝置不合理。場段庫內外鋼軌間設置了絕緣軌縫及單向導通裝置，限制電流從庫外鋼軌流入庫內鋼軌，但無法阻止庫內鋼軌收集的雜散電流流向庫外區段的鋼軌。

2) 場段至正線的單向導通裝置不合理。場段出入段線與正線銜接的鋼軌間設置了絕緣軌縫及單向導通裝置，其二極管指向為場段指向正線鋼軌。該方式能阻止電流通過正線鋼軌直接進入場段鋼軌，但無法阻止整個場段范圍鋼軌收集的雜散電流流向正線的鋼軌。且由于其范圍大、雜散電流防護相對薄弱，傳輸路徑通暢，反而成為一個有較多雜散電流通過的主要非預期通路。單向導通裝置設置方案如圖10所示。

圖10 場段單向導通裝置設置方案Figure 10 Schematic of one-way return current device in depot

由于上述多種因素，再加上站臺門等電位連接、牽引供電的故障支援、檢修庫鋼軌安全接地等多種需求交織在一起，導致整個工程的雜散電流防護方案很大程度上是一個漏洞較多且自相矛盾的結果。

4 雜散電流防護新思路及方案的提出

雜散電流防護設計方案的成功，主要在于雜散電流的“防”，即在源頭及傳輸途徑上實現堵截，主動避免雜散電流的產生，屬于“治本”；后續的“排”、“測”以及其他金屬管線自身的加強絕緣防護措施等均為被動地監測及補救措施。

根據調研，對于沒有采用鋼輪鋼軌作為牽引回流通路的直流牽引供電制式工程，類似中低速磁懸浮線路、跨座式單軌交通等工程，因其正、負極供電軌均為完整有效的電氣絕緣安裝，在長期運營過程中，沒有出現較為明顯的雜散電流泄漏情況。

按該思路，部分地鐵輕軌工程提出采用專用“第四軌”作為牽引回流的模式，即不再采用鋼輪鋼軌作為牽引回流通路，通過獨立的授電靴，將牽引回流引至獨立設置并完全電氣絕緣安裝的專用回流導電軌中。該方案從電氣原理上徹底解決雜散電流的問題，目前國內已有工程在進行該方案的實施驗證，屬于工程牽引供電制式的選擇問題，本文不對其進行論述。

本文更多針對的還是采用常規鋼輪鋼軌牽引回流模式的工程，提出雜散電流防護新的思路及方案，將其電流幅值及泄漏總量大幅下降，但不考慮將其完全消除，控制在工程整體可以接受的程度，并實現防護措施的長期有效性。

4.1 常規防護方案的優化和完善

1) 取消鋼軌與站臺門之間的等電位連接線。避免牽引回流直接通過站臺門泄漏至大地成為雜散電流[10]。通過加強人體可觸及的站臺門金屬構件表面的絕緣，或站臺門金屬結構件采用絕緣材料包覆，同時與鋼軌電位限制裝置配合等其他措施來解決跨步電位問題。該優化方案的實施還需各地結合自身的實際運營管理情況確定。

2) 避免鋼軌電位限制裝置的頻繁動作。在牽引供電系統方案中，優化牽引變電所的布點方案，盡可能在各牽引變電所內均設置再生制動能量吸收裝置(或采用雙向變流裝置)，并加強其吸收效率及穩定牽引網電壓[10]，盡量減少牽引回流的跨區域流動。

完善鋼軌均、回流電纜設置等措施，減少牽引回流的鋼軌阻抗，同時改進鋼軌電位限制裝置自身的動作特性，避免其頻繁動作，減少牽引回流通過鋼軌電位限制裝置直接入地引起的雜散電流。

4.2 防護新思路及方案的提出

4.2.1 改進鋼軌絕緣安裝方案：源頭上堵截

回流鋼軌除鋼軌扣件處以外均為懸空安裝，與道床面及其他結構體之間的空氣空隙較大，其絕緣強度足夠，因此需要改進的是鋼軌扣件處的絕緣安裝方案。

在不改變既有鋼軌與軌枕的安裝固定及絕緣材料方案的基礎上，從整體性電氣絕緣的思路，考慮足夠的絕緣性能、耐污能力及爬電距離，提出改進的鋼軌絕緣安裝防護方案：在對應絕緣扣件的局部范圍內，給鋼軌套上一層完整的、絕緣爬距足夠且長期有效的絕緣防護套。該絕緣防護套應不影響軌道整體的各項性能指標及要求，同時具有超薄、高絕緣能力、高抗壓耐磨、耐污、憎水及很好的彎曲能力，上部開口，下部整體完全封閉，其截面與鋼軌外形完全緊密貼合，在軌枕處將鋼軌軌腰以下的金屬部分完全進行絕緣包裹并貼合，使鋼軌與軌枕及其固定扣件整體上完全絕緣隔離，實現電氣隔離的完整性。其思路參見圖11。

圖11 軌枕處鋼軌絕緣防護套方案安裝示意Figure 11 Installation scheme of rail insulation protective sleeve

對應該絕緣安裝方案，在長期的運營過程中，在扣件處即使有外部環境的粉塵污損或者鋼輪鋼軌磨耗產生金屬鐵屑累積，短時間內鋼軌在軌枕處與道床之間整體上也不至于出現電氣絕緣性能大幅下降的情況，從源頭上大幅減少牽引回流可能的泄露點。且鋼軌與大地之間本身的電壓水平不高，較易從電氣原理上實現其在長期運營過程中電氣絕緣的有效性。該超薄鋼軌絕緣套，厚度僅毫米以內級別，既可以保證高絕緣性能，又不影響既有鋼軌與軌枕之間的安裝固定方案，不影響鋼軌與道床的維護檢修。

該方案結構簡單，特別針對雜散電流防護的薄弱及敏感區段，能有效提升鋼軌對地絕緣電阻的長期有效性，從源頭上減少雜散電流的泄漏。

4.2.2 有效截斷雜散電流非預期的傳輸路徑

通過多個工程現場實測發現，如能將場段范圍內的庫內與庫外、場段與正線之間的鋼軌回流通路實現有效電氣隔斷，正常情況下從場段鋼軌回到正線鋼軌的雜散電流能實現大幅下降。

1) 庫內與庫外鋼軌電流傳輸路徑的截斷。場段范圍的庫內與庫外區段鋼軌回流，由常規的鋼軌絕緣節+單向導通裝置的方案，調整為鋼軌絕緣節+定向回流導通裝置的方案。具體方案示意如圖12。

圖12 場段范圍鋼軌電流傳輸路徑截斷方案Figure 12 Cutting off the rail current transmission path in depot

將整個場段范圍庫內、庫外不同區段鋼軌回流相互隔離，并通過單向導通的二極管回路各自獨立的回到場段內的牽引變電所，避免牽引回流通過鋼軌的跨區域流動[8]。正常情況下，由于定向回流導通裝置中兩套獨立的單向二極管回路的阻斷特性，即使庫內某些鋼軌與大地之間有直接接地，也不會導致大地中的雜散電流通過該接地線傳入場段鋼軌的跨區域流動，實現場段范圍內不同牽引回流分區鋼軌之間雜散電流傳輸路徑的有效阻隔。

2) 場段與正線之間鋼軌電流傳輸路徑的截斷。針對場段與正線之間鋼軌電流傳輸路徑，目前有多種新型的截堵方案，以下僅對其中一種較為典型的截堵方案進行簡要分析論述。

場段與正線之間銜接處的鋼軌回流，由常規的鋼軌單絕緣節+單向導通裝置的方案，調整為鋼軌雙絕緣節+組合式單向導通裝置的方案。具體方案示意如圖13。

圖13 場段與正線之間鋼軌電流傳輸路徑截斷方案Figure 13 Cutting off the rail current transmission path between depot and main line

場段與正線供電區段銜接處的鋼軌采用雙絕緣節方案，中間設置一段過渡區段，將場段與正線之間的鋼軌完全有效絕緣隔離。正常情況下，場段及正線牽引變電所各自獨立供電并回流，通過采用組合式的單向導通裝置及鋼軌的雙絕緣節方式，實現牽引回流及雜散電流的雙向有效阻隔，達到場段與正線鋼軌之間雜散電流傳輸路徑的有效截斷[7]。

場段牽引所故障情況下，閉合組合式單向導通裝置中至場段牽引變電所負極相應的電動隔離開關，實現正線向場段的越區支援供電。

5 結論

對于直流牽引供電、鋼輪鋼軌回流方案的城市軌道交通工程，對于沒有采用專用回流供電軌的雜散電流問題，其防護方案仍需繼續進行深入研究，并持續改進。

1) 對于雜散電流防護，目前在工程中采用的常規措施和方案，其相互間存在較多矛盾及不完善之處，導致在運營過程中的實際效果及長期有效性均較差。

2) 正常情況下，雜散電流的產生來自于回流鋼軌，而回流鋼軌出現雜散電流泄漏的源頭在于鋼軌絕緣扣件的電氣絕緣爬距不足，在運營期內的整體絕緣有效性降低。改進鋼軌絕緣扣件的整體絕緣方案，能從源頭上防止雜散電流的產生。

3) 切斷雜散電流的非預期傳輸徑路，是降低雜散電流總量的一種有效措施。尤其在場段范圍、場段與正線之間的鋼軌牽引回流方案，不能成為雜散電流的有效傳輸路徑。

本文對常規雜散電流防護方案進行分析及優化，同時在源頭防護上提出一種新型的鋼軌絕緣安裝方案思路，以及在其傳輸路徑上提出新型的有效阻斷方案。雜散電流盡管不能完全徹底消除，但對其泄漏的幅值及泄漏總量進行有效控制，將其大幅下降至可以接受的程度，對于城市軌道交通工程建設的可持續發展和長期運營而言，具有較大的經濟及社會效益。