地鐵直流牽引系統(tǒng)雜散電流防護(hù)問題的研究

羅 兵，王衛(wèi)東

0 引言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，國內(nèi)建成運(yùn)營的城市軌道交通線路越來越多，許多新興城市正在規(guī)劃和籌建城市軌道交通。目前國內(nèi)絕大多數(shù)城市軌道交通均采用正極接觸網(wǎng)或者接觸軌供電、負(fù)極通過鋼軌回流的方式，在國內(nèi)城市軌道交通建設(shè)中對直流系統(tǒng)、接地網(wǎng)和雜散電流的關(guān)系等問題缺乏系統(tǒng)性的研究，對雜散電流防護(hù)在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營上缺乏統(tǒng)籌考慮，認(rèn)識上也不統(tǒng)一。

國外在雜散電流方面的研究起步較早，如美國在1925年就開展了研究，取得了一些成果。國內(nèi)在雜散電流方面的研究起步相對較晚，且缺乏系統(tǒng)性的研究。國內(nèi)僅在上海地鐵1號線和廣州地鐵1號線全盤引進(jìn)了德國西門子的技術(shù)后，便開始了地鐵的大規(guī)模建設(shè)。但在雜散電流防護(hù)方面又沒有引進(jìn)國外雜散電流的防護(hù)理念，而是開始了自主設(shè)計(jì)。本文通過對國內(nèi)地鐵雜散電流防護(hù)上采取的措施和存在的問題進(jìn)行分析研究，指出目前國內(nèi)地鐵鋼軌回流方式雜散電流防護(hù)在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營中存在的問題，并提出了解決思路。

1 雜散電流產(chǎn)生的原因和危害

1.1 地鐵的接地問題

分析地鐵雜散電流產(chǎn)生的原因，需先了解地鐵接地問題，目前，地鐵接地形式主要有以下3種：

（1）車站綜合接地網(wǎng)。目前地鐵的設(shè)計(jì)和施工采用的是“外引接地，絕緣引入”，即在車站地下結(jié)構(gòu)外打接地網(wǎng)，與大地直接相通，作為車站和區(qū)間一切電氣設(shè)備的工作和保護(hù)接地。要求接地電阻值不大于0.5 Ω。

（2）地下結(jié)構(gòu)鋼筋。主要包括車站主體結(jié)構(gòu)鋼筋、區(qū)間整體道床和盾構(gòu)結(jié)構(gòu)鋼筋，它們構(gòu)成地鐵的法拉第籠屏蔽層，并按照雜散電流的防護(hù)要求進(jìn)行焊接。理論上，地下結(jié)構(gòu)通過防水層與大地隔離，干燥的混凝土電阻率很高，結(jié)構(gòu)鋼筋與大地不應(yīng)連通。實(shí)際上當(dāng)混凝土周圍的含水量超過4%時(shí)，混凝土的電阻率就和土壤相當(dāng)了。埋于地下的地鐵結(jié)構(gòu)周圍的含水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了該值，干燥混凝土和潮濕混凝土的電阻率相差520倍。地下結(jié)構(gòu)的防水不到位或施工中遭到破壞后，結(jié)構(gòu)鋼筋就與大地連通了。北京地鐵1號線、2號線的實(shí)際測試中地下結(jié)構(gòu)鋼筋的接地電阻可以達(dá)到0.5 Ω以下。

（3）將車站綜合接地網(wǎng)與地鐵結(jié)構(gòu)鋼筋連為一體。由于將雜散電流直接引入大地，不利于雜散電流防護(hù)，地鐵不采用該方式。

國內(nèi)地鐵設(shè)計(jì)上要求地鐵結(jié)構(gòu)鋼筋和車站綜合接地網(wǎng)不應(yīng)該連通，理論上也不會(huì)連通，但實(shí)際運(yùn)營情況表明它們是相通的，這是很嚴(yán)重的問題。

1.2 雜散電流產(chǎn)生的原因

鋼軌回流方式直流牽引系統(tǒng)的正極接觸網(wǎng)通過支持絕緣子固定在隧道壁上，經(jīng)過電動(dòng)機(jī)車和回流鋼軌回到牽引變電所。雜散電流產(chǎn)生的原因來自直流牽引系統(tǒng)正極和負(fù)極對大地的泄漏，而且主要是來自負(fù)極回流鋼軌對大地的泄漏，其大小由2個(gè)條件決定：一是鋼軌對地電位；二是鋼軌對地的過渡電阻。如圖1所示，接觸網(wǎng)的架空地線和道床下的結(jié)構(gòu)鋼筋相當(dāng)于直流系統(tǒng)正、負(fù)極的屏蔽層，它們組成了直流系統(tǒng)雜散電流的第一道防線。

圖1 地鐵直流牽引系統(tǒng)地下雜散電流排放示意圖

雖然正極接觸網(wǎng)絕緣良好，但區(qū)間貫通的架空地線收集了區(qū)間正極的泄漏電流，并排入綜合接地網(wǎng)；牽引變電所內(nèi)直流開關(guān)柜絕緣安裝，柜內(nèi)的正極泄漏電流通過框架保護(hù)電流元件也排入了綜合接地網(wǎng)。

負(fù)極鋼軌雖然也是絕緣安裝，但由于受污染、滲水等惡劣環(huán)境及其他因素的綜合影響，鋼軌與整體道床的過渡電阻很低。泄漏的電流可以通過道床下的結(jié)構(gòu)鋼筋、盾構(gòu)結(jié)構(gòu)鋼筋、接地網(wǎng)3個(gè)渠道回到變電所負(fù)極，還有一部分通過大地流出了地鐵系統(tǒng)，成為真正的迷流。

按照《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》（CJJ49-92）第 4.2.1條規(guī)定：兼用作回流的地鐵走行軌與隧洞主體結(jié)構(gòu)（或大地）之間的過渡電阻值（按閉塞區(qū)間分段進(jìn)行測量并換算為1 km長度的電阻值），對于新建線路不應(yīng)小于15 Ω · km，對于運(yùn)行線路不應(yīng)小于3 Ω · km。實(shí)際工程中，測量鋼軌與地過渡電阻通常只有 1 Ω左右，差的會(huì)到0.5 Ω以下，鋼軌和大地實(shí)際上是連通的，這相當(dāng)于把鋼軌埋入了地下，危害之大可想而知，應(yīng)引起各方高度重視。

1.3 雜散電流帶來的危害

雜散電流的危害與雜散電流的強(qiáng)度成正比，電流強(qiáng)度越大，腐蝕就越嚴(yán)重。計(jì)算表明：1 A電流經(jīng)過一年就相當(dāng)于9 kg的鐵發(fā)生化學(xué)溶解而被腐蝕掉。雜散電流比較嚴(yán)重的區(qū)域，8～9 cm厚的鋼管，只要2～3個(gè)月就會(huì)腐蝕穿孔。雜散電流的危害主要分2個(gè)部分：

（1）對地鐵系統(tǒng)本身的危害。綜合接地網(wǎng)是所有電氣設(shè)備公共的接地，雜散電流流入接地網(wǎng)將引起接地電位的升高，使某些電氣設(shè)備無法正常運(yùn)行；腐蝕鋼軌影響行車安全；對地下綜合接地網(wǎng)、管線和電纜鎧裝的腐蝕影響系統(tǒng)運(yùn)行安全；對車站和隧道結(jié)構(gòu)鋼筋的腐蝕影響結(jié)構(gòu)安全，減少其使用壽命。

（2）對地鐵系統(tǒng)外的危害。腐蝕市政水管和天然氣等管道，引起安全事故，影響群眾生活；腐蝕地鐵外建筑結(jié)構(gòu)鋼筋，減少其使用壽命。

2 防護(hù)雜散電流措施和存在問題

地鐵雜散電流的防護(hù)分被動(dòng)型和主動(dòng)型2種，管道覆蓋絕緣層、采用絕緣法蘭等為被動(dòng)型防護(hù)，本文主要研究的是主動(dòng)型防護(hù)。通過上述的分析可以知道，地鐵雜散電流防護(hù)的根本問題是鋼軌的絕緣問題，只要鋼軌絕緣良好，就會(huì)減少很多問題。雜散電流的防護(hù)有3道防線：第1道也是最重要的防線是利用整體道床下結(jié)構(gòu)鋼筋作為雜散電流的主收集網(wǎng)；第2道防線是利用車站和隧道的結(jié)構(gòu)鋼筋作為輔收集網(wǎng)；第3道防線是綜合接地網(wǎng)（其實(shí)已經(jīng)到了地鐵系統(tǒng)之外了）。過了這3道防線就會(huì)威脅市政管線和其他建筑物的安全了。

2.1 地鐵雜散電流防護(hù)采取的措施

（1）直流系統(tǒng)采取的措施：采用DC 1 500 V直流制式以提高牽引電壓，減小牽引電流；鋼軌分段處通過回流電纜連接，且優(yōu)先采用爆炸焊的方式或每隔一定的距離，2根鋼軌之間以及上下行鋼軌之間采用均流電纜連接，從而減小鋼軌的回流電阻；為回流通路提供連續(xù)的電氣通路，防止因均、回流電纜被盜而斷開；合理設(shè)置變電所，減小變電所之間的距離，獨(dú)立設(shè)置車輛段變電所。

（2）土建專業(yè)采取的措施：增大主體結(jié)構(gòu)的過渡電阻；增加泄漏路徑對地電阻。

（3）軌道專業(yè)采取的措施：采用點(diǎn)支撐、絕緣性能優(yōu)良的絕緣墊和扣件，增加軌道對地電阻；將短鋼軌焊成長鋼軌，減小鋼軌本身的電阻；增加回流軌的截面積；車輛段與正線鋼軌連接處設(shè)置絕緣分段。

（4）雜散電流專業(yè)采取的措施：將正線區(qū)間軌道和道床結(jié)構(gòu)鋼筋分成對應(yīng)的若干段，平時(shí)用電纜可靠連接，打開時(shí)可進(jìn)行雜散電流的測量，該方式國內(nèi)沒有采用；用直流電纜連接相鄰車站管片結(jié)構(gòu)鋼筋，起到隔離保護(hù)的作用；在正線每個(gè)牽引變電所設(shè)1臺排流柜，利用主、輔收集網(wǎng)進(jìn)行排流，排流回路分為上行道床結(jié)構(gòu)鋼筋、下行道床結(jié)構(gòu)鋼筋、上行隧道結(jié)構(gòu)鋼筋、下行隧道結(jié)構(gòu)鋼筋和接地網(wǎng) 5個(gè)排流支路，另外在車輛段設(shè)置單向?qū)ㄑb置；設(shè)置雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)，通過埋設(shè)在區(qū)間道床和車站隧道的參比電極監(jiān)測極化電位，判斷結(jié)構(gòu)鋼筋是否被腐蝕，同時(shí)測量排流電流、鋼軌對結(jié)構(gòu)鋼筋的電壓值，并通過軟件系統(tǒng)計(jì)算軌道對結(jié)構(gòu)鋼筋的過渡電阻、鋼軌縱向電阻等值，供運(yùn)營單位參考。

（5）運(yùn)營單位采取的措施：成立專門雜散電流維護(hù)小組，定期監(jiān)測、清掃；采用雙邊供電，盡量避免單邊供電；根據(jù)監(jiān)測情況適時(shí)投入、切除排流支路，確保排流柜等排流設(shè)施的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 目前國內(nèi)雜散電流防護(hù)存在的問題

2.2.1 設(shè)計(jì)方面的問題

（1）上下行鋼軌連接的問題。除了車輛段外全線上下行鋼軌通過均流電纜連成一體，主要目的是降低鋼軌回流電阻和鋼軌電位。這種做法本身并沒有錯(cuò)，但假如上下行鋼軌中有一個(gè)點(diǎn)絕緣降低或接地，相當(dāng)于全線的絕緣都降低或接地了，實(shí)際上增加了雜散電流泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，給查找和處理泄漏點(diǎn)帶來不便。

（2）鋼軌電位限制裝置。國內(nèi)地鐵最早引進(jìn)國外技術(shù)時(shí)，每個(gè)變電所設(shè)置2臺鋼軌電位限制裝置，即上下行分開?，F(xiàn)在把上下行鋼軌連在一起，每個(gè)變電所只設(shè)置1臺鋼軌電位限制裝置，這種做法一方面不利于區(qū)分哪條鋼軌電位升高，不利于排查，另一方面鋼軌電位限制裝置的投入又讓雜散電流泛濫成災(zāi)。

（3）接觸網(wǎng)架空地線的問題。架空地線的作用主要是發(fā)生區(qū)間接觸網(wǎng)對地短路時(shí)提高保護(hù)裝置的靈敏性和可靠性，但也帶來2個(gè)方面的問題：一是增加了正極對大地的泄漏電流；二是架空地線的存在本身就增加了正極對地短路的風(fēng)險(xiǎn)。接觸網(wǎng)支持絕緣子采用絕緣安裝可以解決雜散電流的問題。設(shè)置架空地線本身并沒有錯(cuò)，但當(dāng)架空地線與隧道結(jié)構(gòu)鋼筋連通時(shí)就出現(xiàn)了問題，這時(shí)將架空地線直接連接到道床結(jié)構(gòu)鋼筋（即雜散電流主收集網(wǎng)），既不影響其功能，又不至于將雜散電流引向地鐵系統(tǒng)之外。

（4）直流屏蔽電纜的問題。國內(nèi)有些城市采用了帶有屏蔽層的直流電纜，目的是為了防鼠和直流泄漏試驗(yàn)，這帶來2個(gè)方面的問題：一是增加了泄漏電流流入大地的幾率；二是假如屏蔽層兩端接地，由于霍爾效應(yīng)產(chǎn)生渦流很容易燒毀。即使屏蔽層單邊接地，由于不足以承受短路電流，直流電纜發(fā)生對地短路時(shí)會(huì)燒毀電纜，由于一般有多根電纜并排連接，一燒即是一排電纜。防鼠的方法很多，屏蔽層不是唯一選項(xiàng)。直流電纜的電壓只有 DC 1 500 V，絕緣性能靠產(chǎn)品工藝完全能保證，沒必要進(jìn)行直流泄漏試驗(yàn)，國家標(biāo)準(zhǔn)也沒有該要求。

（5）整體道床下雜散電流主收集網(wǎng)的問題。在潮濕的環(huán)境下，整個(gè)道床的電阻率很低，此時(shí)發(fā)生鋼軌對地絕緣不良，鋼軌與道床下的鋼筋就會(huì)連通，產(chǎn)生大量泄漏電流，鋼軌的絕緣安裝就失去了意義。此時(shí)，排流柜道床結(jié)構(gòu)鋼筋支路投入，會(huì)嚴(yán)重腐蝕道床結(jié)構(gòu)鋼筋，不投入又將使泄漏電流在地下肆意穿行，帶來的危害更大。同時(shí)，鋼軌下面的大量結(jié)構(gòu)鋼筋由于霍爾效應(yīng)會(huì)引起鋼軌電位的波動(dòng)，一方面引起鋼軌電位限制裝置頻繁動(dòng)作，讓值班員不勝其煩。另一方面鋼軌電位限制裝置的投入帶來了雜散電流的泛濫，由于鋼軌與屏蔽門等電位連接，不投入又會(huì)給乘客的人身安全帶來隱患。

2.2.2 施工方面的問題

主要是鋼軌均、回流電纜和整體道床下雜散電流主收集網(wǎng)測防端子連接問題，隧道打眼問題。

鋼軌均、回流電纜的連接方式有焊接和栓接2種，通常采用爆炸焊的方式，這是特殊焊接工藝，除了對焊接溫度、焊藥、焊接位置、焊點(diǎn)間距等有特殊要求外，專業(yè)廠家應(yīng)對施工人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，持證上崗，同時(shí)施工單位應(yīng)做好焊接記錄，并可追溯。同時(shí)由于在同一點(diǎn)不能反復(fù)焊接，應(yīng)做好防盜工作。爆炸焊在北京地鐵出現(xiàn)過很多問題，因此建議北方地區(qū)采用栓接方式，只要選擇質(zhì)量好的銷釘即可。

道床下結(jié)構(gòu)鋼筋預(yù)留測防端子有虛接情況，施工時(shí)一定要保證測防端子與結(jié)構(gòu)鋼筋可靠連接，同時(shí)兩邊端子用電纜可靠連接，最好使用可以防盜的測防端子。

另外，在接觸網(wǎng)和電纜支架的施工過程中，打眼時(shí)會(huì)經(jīng)常打到結(jié)構(gòu)鋼筋，這時(shí)必須換位重打。若支架和地網(wǎng)連通，相當(dāng)于地鐵的結(jié)構(gòu)鋼筋與綜合接地網(wǎng)連在了一起，加之鋼軌與整體道床下的結(jié)構(gòu)鋼筋間電阻本身就很低，雜散電流防護(hù)的前兩道防線就完全失去了作用，這是非常嚴(yán)重的問題。

2.2.3 運(yùn)營方面的問題

主要是指導(dǎo)思想上的問題，為了害怕腐蝕雜散電流主收集網(wǎng)、隧道結(jié)構(gòu)鋼筋、接地網(wǎng)而不敢投入排流柜。目前正式運(yùn)營中的地鐵線路由于疏于清潔、滲水等多種原因，鋼軌與地的過渡電阻非常低，個(gè)別運(yùn)營線路過渡電阻僅有0.5 Ω，鋼軌與雜散電流主收集網(wǎng)基本連通，大量電流泄入地下。據(jù)深圳地鐵1號線和北京地鐵2號線的實(shí)際測量，車輛啟動(dòng)時(shí)僅主收集網(wǎng)電流就高達(dá) 100～200 A。沒有雜散電流，投入排流柜不會(huì)產(chǎn)生任何影響，但明知泄漏電流存在而不投入排流柜的危害是非常大的，而且會(huì)向地鐵系統(tǒng)之外擴(kuò)散，是不負(fù)責(zé)任的行為。

3 結(jié)語

國內(nèi)地鐵雜散電流防護(hù)主要采用的是排流法，該方法在國外運(yùn)用比較成功，但在國內(nèi)地鐵建設(shè)過程中一直存有爭議，從實(shí)際情況來看排流法在國內(nèi)運(yùn)用并不是很成功。如道床下結(jié)構(gòu)鋼筋是否有必要布置那么密集？如何才能減少其對鋼軌電位的影響等問題沒有得到很好解決。采用排流法有2個(gè)前提條件：一是鋼軌與地絕緣良好，二是主收集網(wǎng)、輔收集網(wǎng)、綜合接地網(wǎng)是相互隔離不連通。分析表明，由于國內(nèi)地鐵在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營方面存在諸多問題，上述2個(gè)條件都很難達(dá)到。最明顯的是國內(nèi)運(yùn)營的地鐵線路鋼軌電位普遍升高，鋼軌電位限制裝置失去了其應(yīng)有的作用，它的長期投入又使雜散電流泛濫成災(zāi)。

為了從根本上解決問題，筆者建議國內(nèi)地鐵盡早采用第四軌回流的方式，重慶跨座式單軌直流牽引系統(tǒng)就不存在上述問題，同時(shí)國外也有許多成功的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。具體建議如下，供參考：

（1）地鐵運(yùn)營單位成立專門的雜散電流防護(hù)小組，確保鋼軌絕緣良好，同時(shí)將運(yùn)營線路排流柜主收集網(wǎng)支路立即投入，根據(jù)排流效果決定其他支路是否投入。

（2）改變接觸網(wǎng)架空地線和框架電流保護(hù)的接線方式，即將架空地線按供電區(qū)間斷開，單端與雜散電流主收集網(wǎng)連接。同時(shí)將框架電流保護(hù)接綜合接地網(wǎng)一端改接到雜散電流主收集網(wǎng)上。這樣直接排回負(fù)極，消除正極對地的泄漏電流。

（3）直流回路選用不帶屏蔽的直流電纜，減少正、負(fù)極回路對地的泄漏電流。

（4）將道床下結(jié)構(gòu)鋼筋按供電區(qū)間斷開，按供電區(qū)間分段治理。施工驗(yàn)收時(shí)，應(yīng)測試鋼軌對地過渡電阻，各專業(yè)應(yīng)確保道床結(jié)構(gòu)鋼筋、隧道結(jié)構(gòu)鋼筋（包括高架橋墩結(jié)構(gòu)鋼筋）和綜合接地網(wǎng)是相互隔離不連通的。

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