城市軌道交通車輛基地線路鋼軌絕緣接頭智能導(dǎo)通裝置的應(yīng)用

陸煜旻 張華英

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司供電分公司，200235，上海∥第一作者，工程師)

直流牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生的雜散電流是一直困擾城市軌道交通發(fā)展的問(wèn)題之一。雜散電流會(huì)腐蝕地鐵設(shè)備以及附近的金屬管物等。雜散電流可通過(guò)正線軌道經(jīng)車輛基地軌道泄漏至大地，造成雜散電流泄漏。為了減少雜散電流的影響范圍，在車輛出入場(chǎng)線、停車庫(kù)、檢修庫(kù)內(nèi)外之間等區(qū)域設(shè)置鋼軌絕緣接頭。通常采用單向?qū)ㄑb置并接于鋼軌絕緣接頭處，用于連接絕緣接頭兩端的鋼軌，從而減少正線雜散電流向車輛基地?cái)U(kuò)散[1]。然而，實(shí)際應(yīng)用情況表明，車輛基地四周的鋼筋結(jié)構(gòu)及埋地管線仍存在較嚴(yán)重的腐蝕情況。

1 車輛基地雜散電流現(xiàn)狀

1.1 存在的問(wèn)題

相對(duì)正線而言，車輛基地是地鐵防護(hù)雜散電流的薄弱環(huán)節(jié)。上海城市軌道交通車輛基地咽喉區(qū)采用的是碎石道床。地面碎石道床全天候暴露于自然環(huán)境中，粉塵、雨雪、霜凍等對(duì)軌地過(guò)渡電阻影響很大。碎石道床的絕緣往往難以達(dá)到理論值，同時(shí)碎石道床未設(shè)置雜散電流收集網(wǎng)，因此全線網(wǎng)多個(gè)車輛基地受雜散電流干擾影響大，雜散電流問(wèn)題相對(duì)突出。例如，上海軌道交通3號(hào)線石龍路停車庫(kù)鋼結(jié)構(gòu)立柱根部出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象，上海軌道交通3號(hào)線江楊北路和石龍路、上海軌道交通9號(hào)線九亭、上海軌道交通1號(hào)線梅隴等車輛基地的鏇輪庫(kù)和停車庫(kù)經(jīng)常發(fā)生施工作業(yè)時(shí)鋼軌打火的現(xiàn)象；上海軌道交通8號(hào)線殷行路、上海軌道交通11號(hào)線上海賽車場(chǎng)車輛基地內(nèi)的接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)接地處發(fā)生冒火星的現(xiàn)象。

1.2 測(cè)試結(jié)果分析

在車輛基地接觸網(wǎng)停電的狀態(tài)下，對(duì)多個(gè)車輛基地雜散電流進(jìn)行相關(guān)參數(shù)測(cè)試，包括：①出入場(chǎng)線處單向?qū)ㄑb置斷開(kāi)前后，單向?qū)ㄑb置電流與出入場(chǎng)線鋼軌絕緣分段處電位對(duì)比測(cè)試；②車輛基地周邊土壤電位梯度及雜散電流方向?qū)Ρ葴y(cè)試。選取上海城市軌道交通多個(gè)車輛基地出入場(chǎng)線單向?qū)ㄑb置斷開(kāi)前、后的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)表1)。根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析車輛基地內(nèi)雜散電流干擾及其分布規(guī)律，以及雜散電流的流通路徑，并提出改進(jìn)單向?qū)ㄑb置功能的技術(shù)要求。

表1 上海城市軌道交通各車輛基地出入場(chǎng)線單向?qū)ㄑb置斷開(kāi)前后的測(cè)試結(jié)果對(duì)比

由表1可知，當(dāng)靠近車輛基地附近的正線列車處于正常狀態(tài)時(shí)，單向?qū)ㄑb置中的二極管能使車輛基地正線方向的電氣連通，從而使得電流從正線通過(guò)大地流入車輛基地，然后通過(guò)單向?qū)ㄑb置再流入正線，形成完整的電流通路[2](如圖1所示)；當(dāng)單向?qū)ㄑb置處于退出狀態(tài)時(shí)，停車場(chǎng)鋼軌與正線鋼軌斷開(kāi)，鋼軌上的電流不能相通，停車場(chǎng)附近的正線鋼軌泄漏的雜散電流因鋼軌被絕緣結(jié)斷開(kāi)而不能形成通路，因此停車場(chǎng)土壤梯度電壓正負(fù)波動(dòng)幅度最小，土壤電位梯度也是最小的。車輛基地是絕緣薄弱區(qū)段，進(jìn)入車輛基地的雜散電流會(huì)對(duì)場(chǎng)內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋及埋地管線造成腐蝕[3]。

注：I為正線列車牽引電流；Is為正線雜散電流。圖1 正線列車處于正常狀態(tài)時(shí)車輛基地電流流通路徑

2 智能導(dǎo)通裝置的工作原理及應(yīng)用

單向?qū)ㄑb置設(shè)置的主要目的是減少正線雜散電流向車輛基地?cái)U(kuò)散。但由于正線雜散電流的干擾，造成了咽喉區(qū)單向?qū)ㄑb置形成長(zhǎng)期通流的回路，因此需要有效斷開(kāi)咽喉區(qū)單向?qū)ㄑb置的持續(xù)通流性，減少車輛基地受正線雜散電流的干擾。

2.1 智能導(dǎo)通裝置的工作原理

智能導(dǎo)通裝置并接在車輛的出入段線鋼軌絕緣結(jié)兩端，有列車通過(guò)時(shí)智能導(dǎo)通裝置導(dǎo)通，無(wú)列車通過(guò)時(shí)智能導(dǎo)通裝置斷開(kāi)。智能導(dǎo)通裝置通過(guò)主回路開(kāi)關(guān)隔斷正線與車輛基地[3]的電流。其主要工作原理如圖2所示。

注：QM表示電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)；QF表示主回路接觸器。圖2 智能導(dǎo)通裝置的工作原理Fig.2 Working principle of intelligent conduction device

智能導(dǎo)通裝置主要由列車位置檢測(cè)電路、主回路開(kāi)關(guān)、電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)、控制器等組成。列車位置傳感器可檢測(cè)列車位置，主回路開(kāi)關(guān)作為執(zhí)行器件，控制器根據(jù)檢測(cè)的列車位置和關(guān)斷電流值來(lái)判斷主回路開(kāi)關(guān)應(yīng)閉鎖或斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)正線和車輛基地軌道的連通和絕緣。當(dāng)控制器檢測(cè)到列車經(jīng)過(guò)時(shí)，主回路開(kāi)關(guān)閉鎖；當(dāng)列車經(jīng)過(guò)且電流小于關(guān)斷電流值時(shí)，主回路開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

智能導(dǎo)通裝置設(shè)有消弧裝置，其能檢測(cè)絕緣結(jié)電壓。當(dāng)絕緣結(jié)電壓大于設(shè)定消弧電壓時(shí)，可控硅導(dǎo)通，這能避免產(chǎn)生電弧導(dǎo)致的燒蝕軌道現(xiàn)象。

2.2 智能導(dǎo)通裝置的應(yīng)用及測(cè)試

根據(jù)智能導(dǎo)通裝置的應(yīng)用原理，對(duì)上海軌道交通3號(hào)線石龍路車輛基地出入場(chǎng)線軌道絕緣結(jié)處的單向?qū)аb置進(jìn)行改造，更換了2套智能導(dǎo)通裝置。智能導(dǎo)通裝置與單向?qū)ㄑb置的安裝位置相同，且與單向?qū)ㄑb置尺寸兼容。若將絕緣結(jié)兩側(cè)鋼軌接線接入智能導(dǎo)通裝置，則無(wú)需增加其他線纜，便可直接替換原有單向?qū)ㄑb置；同時(shí)增加2處列車位置傳感器，將信號(hào)線接入智能導(dǎo)通裝置，總體改造工程量小。

導(dǎo)通裝置安裝完成后，對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，以驗(yàn)證該裝置切斷車輛基地雜散電流流入正線的有效性。在車輛基地內(nèi)接觸網(wǎng)停電時(shí)，按照同一運(yùn)營(yíng)時(shí)間段、同一位置的測(cè)試方式，測(cè)試內(nèi)容及方法與單向?qū)ㄑb置測(cè)試相同。

2.2.1 雜散電流干擾測(cè)試評(píng)估

對(duì)3號(hào)線石龍路車輛基地附近進(jìn)行雜散電流干擾評(píng)估測(cè)試。當(dāng)電位梯度大于0.5 mV/m時(shí)，判為存在雜散電流腐蝕可能性；當(dāng)電位梯度超過(guò)2.5 mV/m時(shí)，必須采取排流等防干擾腐蝕措施。

2.2.1.1 智能導(dǎo)通裝置應(yīng)用前測(cè)試分析

首先采用十字交叉法測(cè)試車輛基地附近3處檢測(cè)點(diǎn)土壤電位梯度與雜散電流方向。土壤電位梯度檢測(cè)結(jié)果如表2、圖3所示，土壤電位梯度的方向?yàn)檠厥噶亢椭赶蜃鴺?biāo)原點(diǎn)的方向。

表2 3號(hào)線石龍路車輛基地雜散電流干擾測(cè)試前的土壤電位梯度

圖3 3號(hào)線石龍路車輛基地雜散電流干擾測(cè)試前土壤電位梯度方向

測(cè)試點(diǎn)1的雜散電流方向?yàn)槲髂戏较颍瑴y(cè)試點(diǎn)2的雜散電流方向?yàn)闁|北方向，且這兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)均指向3號(hào)線和石龍路車輛基地咽喉區(qū)；測(cè)試點(diǎn)3雜散電流方向?yàn)闁|北方向，大致指向3號(hào)線石龍路站。

測(cè)試點(diǎn)2南北方向地電位梯度大于2.5 mV/m，測(cè)試點(diǎn)2東西方向地電位梯度接近2.5 mV/m，說(shuō)明測(cè)試點(diǎn)2必須采取排流等防干擾腐蝕措施。測(cè)試點(diǎn)1與測(cè)試點(diǎn)3東西方向和南北方向地電位梯度均小于2.5 mV/m且大于0.5 mV/m，說(shuō)明測(cè)試點(diǎn)1與測(cè)試點(diǎn)3存在雜散腐蝕的可能性。

2.2.1.2 智能導(dǎo)通裝置應(yīng)用后測(cè)試分析

復(fù)測(cè)遵循與首測(cè)(智能導(dǎo)通裝置未應(yīng)用前)同一運(yùn)營(yíng)時(shí)間段、同一位置的原則。土壤電位梯度與雜散電流方向與首測(cè)相比發(fā)生變化，測(cè)試點(diǎn)1、測(cè)試點(diǎn)2和測(cè)試點(diǎn)3土壤電位梯度與雜散電流方向均變成西北方向，大致指向上海軌道交通3號(hào)線沿線。測(cè)試點(diǎn)1，南北土壤電位梯度絕對(duì)值比首測(cè)降低了26.08%，東西土壤電位梯度比首測(cè)降低了67.66%；測(cè)試點(diǎn)2南北電位梯度比首測(cè)降低了74.76%，東西土壤電位梯度比首測(cè)降低了58.38%；測(cè)試點(diǎn)3南北電位梯度比首測(cè)降低了11.58%，東西土壤電位梯度比原來(lái)降低了35.41%。測(cè)試點(diǎn)1、測(cè)試點(diǎn)2和測(cè)試點(diǎn)3土壤電位梯度均小于2.5 mV/m，說(shuō)明土壤電位梯度改善顯著。復(fù)測(cè)土壤電位梯度與雜散電流方向，如表3、圖4所示。

表3 3號(hào)線石龍路車輛基地智能導(dǎo)通裝置應(yīng)用后的土壤電位梯度

圖4 3號(hào)線石龍路車輛基地智能導(dǎo)通裝置應(yīng)用后的土壤電位梯度方向

2.2.2 車輛基地雜散電流的測(cè)試評(píng)估

在車輛基地附近區(qū)間內(nèi)，選取單向?qū)ㄑb置內(nèi)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行同步測(cè)試。出入場(chǎng)線區(qū)域單向?qū)ㄑb置測(cè)試原理及參考方向如圖5所示，電流的正方向規(guī)定為車輛基地往正線方向。

注：A為電流測(cè)試；V為電壓測(cè)試。圖5 3號(hào)線石龍路車輛基地單向?qū)ㄑb置測(cè)試原理

2.2.2.1 智能導(dǎo)通裝置應(yīng)用前測(cè)試分析

智能導(dǎo)通裝置應(yīng)用前，3號(hào)線石龍路車輛基地單向?qū)ㄑb置鋼軌電位及單向?qū)ㄑb置電流數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4 3號(hào)線石龍路車輛基地智能導(dǎo)通裝置應(yīng)用前測(cè)試結(jié)果

由表4可知，單向?qū)ㄑb置存在二極管支路導(dǎo)通，晶閘管支路一直處于斷開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)停車場(chǎng)鋼軌對(duì)地電位大于正線鋼軌對(duì)地電位時(shí)，二極管支路導(dǎo)通。此時(shí)由庫(kù)內(nèi)流向正線的電流幅值最大值可達(dá)到376.7 A，大地中雜散電流經(jīng)庫(kù)內(nèi)軌道吸收流回正線造成直流干擾。

2.2.2.2 智能導(dǎo)通裝置應(yīng)用后測(cè)試分析

復(fù)測(cè)咽喉區(qū)上行/下行線路智能導(dǎo)通裝置處正線側(cè)鋼軌對(duì)地電壓、上行/下行線路智能導(dǎo)通裝置處車輛基地側(cè)鋼軌對(duì)地電壓、上行/下行線路智能導(dǎo)通裝置中電流，測(cè)試結(jié)果如表5所示。

通過(guò)復(fù)測(cè)結(jié)果可見(jiàn)，正線鋼軌電位與場(chǎng)內(nèi)鋼軌電位差大小基本不變；但是車輛基地與正線之間的“橋梁”已被阻斷，上行/下行線路通過(guò)智能導(dǎo)通裝置的電流為零。證明了智能導(dǎo)通裝置的應(yīng)用，有效防止了車輛基地雜散電流侵入至正線，抑制了車輛基地中雜散電流的收集。

表5 3號(hào)線石龍路車輛基地智能導(dǎo)通裝置應(yīng)用后測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，驗(yàn)證了在車輛基地內(nèi)接觸網(wǎng)停電時(shí)，車輛基地附近受雜散電流干擾，有雜散電流流入車輛基地內(nèi)，并經(jīng)過(guò)咽喉區(qū)單向?qū)ㄑb置由庫(kù)內(nèi)流向正線，形成長(zhǎng)期通流的回路。采用智能導(dǎo)通裝置替換原有的單向?qū)ㄑb置，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，車輛基地附近受到雜散電流干擾明顯減弱，土壤電位梯度減小顯著，能有效阻斷雜散電流由正線通過(guò)大地流到車輛基地再回到正線的電流通路，減少了雜散電流對(duì)車輛基地內(nèi)鋼筋結(jié)構(gòu)及埋地管線造成腐蝕。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，智能導(dǎo)通裝置在城市軌道交通車輛基地的應(yīng)用，對(duì)減小車輛基地雜散電流影響具有重大意義。目前，智能導(dǎo)通裝置可直接替換原單向?qū)ㄑb置，已在上海、寧波等地的城市軌道交通中得到應(yīng)用，抑制雜散電流擴(kuò)散效果顯著。