單向?qū)ㄑb置對(duì)雜散電流的影響分析

劉建華 沈松偉 周明平 王浩先

(1. 中國礦業(yè)大學(xué) 江蘇徐州 221008； 2. 徐州和緯信電科技有限公司 江蘇徐州 221100)

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單向?qū)ㄑb置對(duì)雜散電流的影響分析

劉建華1沈松偉1周明平1王浩先2

(1. 中國礦業(yè)大學(xué) 江蘇徐州 221008； 2. 徐州和緯信電科技有限公司 江蘇徐州 221100)

在地鐵運(yùn)行過程中，雜散電流對(duì)鋼軌和附近管道的影響很大,尤其是在車輛段、隧道等特殊區(qū)域，單向?qū)ㄑb置可以有效減少這些區(qū)域的雜散電流。介紹雜散電流和單向?qū)ㄑb置，分析單向?qū)ㄑb置的安裝原理，將數(shù)據(jù)記錄儀一端接鋼軌，另一端接大地，測試絕緣節(jié)附近的軌地電壓，采集單向?qū)ㄑb置電流并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在車輛段不管是否有車通過都有雜散電流和鋼軌電位的存在，這種現(xiàn)象表明在地鐵運(yùn)行中要注意這部分雜散電流和鋼軌電位，避開危險(xiǎn)電流、高鋼軌電壓，注意人身安全。

城市軌道交通；雜散電流；單向?qū)ㄑb置；鋼軌電壓；數(shù)據(jù)分析

隨著社會(huì)的發(fā)展，城市規(guī)模越來越大，城市人口也持續(xù)增多，為了緩解交通壓力，越來越多的城市選擇建造地鐵[1]，但是在地鐵的運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，地鐵結(jié)構(gòu)鋼筋和附近金屬管道經(jīng)常受到雜散電流的影響。雜散電流從走行軌漏出后，經(jīng)由地鐵的道床流入大地,再經(jīng)過大地流回到鋼軌回流點(diǎn)。若地鐵附近有導(dǎo)電性能較好的埋地金屬管線，一部分雜散電流會(huì)把電阻率比較低的埋地金屬管線作為流通路徑，在變電所附近從金屬管線中流出，然后再流回變電所，使金屬體遭受電化學(xué)腐蝕[2-3]。在車輛段、隧道等特殊地方雜散電流會(huì)更大，為了消除或者減少雜散電流的影響，在車輛段等地方安置了單向?qū)ㄑb置，用來減少被保護(hù)區(qū)段的雜散電流，從而減少其對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋及金屬管線的電腐蝕，以保證檢修人員的人身安全[4]。但是在單向?qū)ㄑb置投入運(yùn)行的過程中發(fā)現(xiàn)不管車輛段有沒有車輛通過，都會(huì)存在雜散電流，并可能產(chǎn)生危害人身安全的軌地電壓，筆者通過現(xiàn)場試驗(yàn)，采集數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1 雜散電流及其危害

在地鐵運(yùn)行中，地鐵鋼軌既要作為列車的導(dǎo)軌，也要作為將列車電流回流到牽引變電所負(fù)極的負(fù)回流軌[5]。負(fù)回流是沿著鋼軌傳輸?shù)模谄鋫鬏斶^程中，因?yàn)榇蟮嘏c鋼軌之間存在泄露電阻，會(huì)有一部分牽引負(fù)回流電流泄漏到地下。如果地鐵周圍埋有導(dǎo)電性能較好的金屬管線(天然氣管道、自來水管道等)，雜散電流會(huì)通過這些埋地金屬管線傳輸，在到達(dá)變電所附近時(shí)從金屬管線中流出，再回到變電所[6]。當(dāng)金屬體中有電流流過時(shí)，金屬體會(huì)發(fā)生電解，遭受電化學(xué)腐蝕。這種電化學(xué)反應(yīng)會(huì)使得地鐵主體的結(jié)構(gòu)鋼筋以及地鐵線路附近的埋地金屬管線發(fā)生腐蝕(見圖1)，導(dǎo)致埋地管線使用壽命減少，地鐵主體結(jié)構(gòu)耐久度和強(qiáng)度降低，有時(shí)甚至?xí)斐蓢?yán)重的安全事故[7]。雜散電流引起的腐蝕不同于鋼鐵在電解質(zhì)中發(fā)生的自然腐蝕，外部電源泄露出雜散電流而引起的雜散電流腐蝕在數(shù)值上要比自然腐蝕時(shí)自發(fā)產(chǎn)生的電流大幾十倍，甚至達(dá)到幾千倍。

圖1 雜散電流腐蝕鋼軌和管道

雜散電流腐蝕具有如下特點(diǎn)：

1) 腐蝕強(qiáng)度大，危害大；

2) 范圍廣，隨機(jī)性強(qiáng)；

3) 腐蝕劇烈，腐蝕集中于局部位置，當(dāng)有防腐層時(shí)，往往集中在防腐層的缺陷部位[8]。

在車輛段、隧道等特殊地方，由于對(duì)地過渡電阻較小，產(chǎn)生的雜散電流較大，為了減少雜散電流的影響，安裝了單向?qū)ㄑb置[9]。

2 單向?qū)ㄑb置

2.1 工作原理

如圖2所示，單向?qū)ㄑb置由整流二極管、保護(hù)裝置、隔離開關(guān)及輔助監(jiān)測單元等組成。主回路由5個(gè)二極管整流裝置并聯(lián)組成，每個(gè)二極管支路串聯(lián)一個(gè)帶輔助節(jié)點(diǎn)的快速熔斷器和一個(gè)電流傳感器組成信號(hào)采集，分析和輸出系統(tǒng)，給故障診斷裝置提供主回路的通斷情況。保護(hù)回路分為短路保護(hù)、逆電壓保護(hù)和過電壓保護(hù)，由快速熔斷器、電流傳感器、壓敏電阻和RC回路組成。

圖2 單向?qū)ㄑb置原理

單向?qū)ㄑb置中除了含有二極管支路，還含有隔離開關(guān)和消弧裝置。隔離開關(guān)在特殊運(yùn)營方式下作用，將絕緣節(jié)兩端回流軌直接與電氣相連；在列車再生制動(dòng)時(shí)，單向?qū)ㄑb置附近回流軌電壓會(huì)升高，這時(shí)消弧裝置啟動(dòng)，消弧裝置電氣導(dǎo)通，走行軌電位降低，能夠限制絕緣節(jié)兩端放電，從而保證絕緣節(jié)兩端人員安全[10]。

2.2 安裝原理

如圖3所示，在一般隧道處，單向?qū)ㄑb置的正極接車輛段地上鋼軌，負(fù)極接地下正線鋼軌。當(dāng)列車在地下正線運(yùn)行時(shí)，不允許列車電流回流至車輛段或列車庫內(nèi)。

圖3 一般隧道單向?qū)ㄑb置安裝

如圖4所示，在江河之下的隧道沉管區(qū)段，單向?qū)ㄑb置的正極接隧道沉管區(qū)段地下鋼軌，負(fù)極接沉管區(qū)段以外鋼軌。當(dāng)列車在隧道沉管區(qū)段運(yùn)行時(shí)，列車電流通過單向?qū)ㄑb置回流至牽引所；當(dāng)列車在隧道沉管以外運(yùn)行時(shí)，列車電流通過與鋼軌平行的回流電纜回流至牽引所，減少沉管區(qū)段鋼軌泄漏的雜散電流，從而減少對(duì)該區(qū)段鋼軌與隧道鋼筋的腐蝕。

圖4 隧道沉管單向?qū)ㄑb置安裝

3 單向?qū)ㄑb置投入現(xiàn)場數(shù)據(jù)及其分析

3.1 接線原理

如圖5所示，將數(shù)據(jù)記錄儀一端接鋼軌，另一端接大地，便于測試絕緣節(jié)附近的軌地電壓。當(dāng)車輛段有車輛啟動(dòng)或者正線段有車輛制動(dòng)時(shí)，單向?qū)ㄑb置會(huì)有電流流過，通過電流鉗形表可以讀出流過單向?qū)ㄑb置的電流，然后將該電流上傳給數(shù)據(jù)記錄儀。

圖5 車輛段單向?qū)ㄑb置測試接線

3.2 投入時(shí)現(xiàn)場數(shù)據(jù)

由圖6測試結(jié)果可知，由于單向?qū)ㄑb置的存在，正線軌道的電流不會(huì)流向車輛段軌道，但在白天正線機(jī)車運(yùn)營時(shí)，一直會(huì)有電流從車輛段軌道通過單向?qū)ㄑb置流向正線，該電流的幅值最大可達(dá)1 000 A，并且在車輛段內(nèi)無機(jī)車時(shí)一直存在該電流。此時(shí)，由于出入段線軌道與正線軌道直接連接，正線連接車輛段軌道的出入段線位置存在鋼軌電位，幅值最大可達(dá)20 V。

圖6 單向?qū)ㄑb置電流及軌地電位

3.3 數(shù)據(jù)分析

針對(duì)單向?qū)ㄑb置電流及對(duì)應(yīng)時(shí)刻的正線鋼軌對(duì)地電位變化關(guān)系進(jìn)行分析，取一段時(shí)間內(nèi)單向?qū)ㄑb置電流及軌地電位，測量其電流與出入段線鋼軌電位對(duì)應(yīng)變化曲線(見圖7)，表明當(dāng)單向?qū)ㄑb置中有電流流過時(shí)，對(duì)應(yīng)的出入段線鋼軌電位為負(fù)，且出入段線軌地電位越小，單向?qū)ㄑb置中流過的電流就越大。

圖7 單向?qū)ㄑb置電流及軌地電位

單向?qū)ㄑb置連接出入段線軌道與車輛段軌道(見圖8)，由于裝置的單向?qū)щ娦?，車輛段至出入段線軌道方向是電氣連通的，只存在單向?qū)ㄑb置自身的壓降，為0.7 V，而出入段線軌道對(duì)車輛段軌道是電氣隔斷的，因此，絕緣節(jié)兩端車輛段對(duì)出入段線電壓最大為0.7 V，而出入段線軌道對(duì)車輛段軌道的電壓可以很大。

圖8 測試位置示意

由于出入段線軌道與正線軌道直接連接，正線機(jī)車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生正負(fù)變化的鋼軌電位在出入段線位置同樣存在。分析正線機(jī)車處于不同運(yùn)行狀態(tài)時(shí)該絕緣節(jié)位置的鋼軌電位與單向?qū)ㄑb置電流，可對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行解釋。

圖9所示為正線機(jī)車加速啟動(dòng)時(shí)，絕緣節(jié)位置鋼軌電位與電流情況。

圖9 正線機(jī)車加速情況

當(dāng)正線機(jī)車加速啟動(dòng)時(shí)，機(jī)車向走行軌注入電流，此時(shí)，機(jī)車位置鋼軌對(duì)地電位為正，由于出入段線與正線軌道直接連接，此時(shí)出入段線軌道對(duì)地電位U1也為正，由于絕緣節(jié)和單向?qū)ㄑb置的存在，出入段線軌道的電流不能流入車輛段軌道內(nèi)，此時(shí)，單向?qū)ㄑb置的電流為0，出入段線軌道對(duì)地電位為正。

圖10所示為正線機(jī)車再生制動(dòng)時(shí)，絕緣節(jié)位置的鋼軌電位與電流情況。

圖10 正線機(jī)車再生制動(dòng)情況

當(dāng)靠近車輛段的正線附近存在機(jī)車再生制動(dòng)時(shí)，機(jī)車向接觸網(wǎng)反饋電流，該電流從軌道吸收，此時(shí)機(jī)車位置軌道對(duì)地的電位為負(fù)值，因此，出入段線軌道對(duì)地電位也為負(fù)值。車輛段軌道電位大于出入段線軌道電位，電流可以通過單向?qū)ㄑb置流入正線。由于出入段線軌道電位為負(fù)，車輛段與出入段線為電氣連通，因此車輛段軌道電位也呈現(xiàn)負(fù)值。由于車輛段軌道對(duì)地絕緣較差，會(huì)有大量大地中的雜散電流通過車輛段軌道匯集，并通過單向?qū)ㄑb置流向正線再生制動(dòng)的機(jī)車，此時(shí)，機(jī)車相當(dāng)于一個(gè)大的電流吸收源，雜散電流會(huì)被絕緣較薄弱軌道吸收，當(dāng)測試結(jié)果中出現(xiàn)鋼軌對(duì)地電位為負(fù)時(shí)，單向?qū)ㄑb置就會(huì)有大量電流流向正線。

圖11～13為在500～650 s、3 500～3 700 s期間以及5 500～5 800 s期間，流過單向?qū)ㄑb置的電流波形與軌地電壓波形。

圖11 500～650 s單向?qū)ㄑb置電流及軌地電位

圖12 3 500～3 700 s單向?qū)ㄑb置電流及軌地電位

圖13 5 500～5 800 s單向?qū)ㄑb置電流及軌地電位

由圖11～13可以看出其他時(shí)間段，單向?qū)ㄑb置電流與鋼軌電位也呈現(xiàn)上述變化規(guī)律。

4 結(jié)語

雜散電流對(duì)地鐵鋼軌和附近管道的影響特別大，尤其是在車輛段、隧道等對(duì)地過渡電阻相對(duì)較低的地方。通過投入單向?qū)ㄑb置可以減少特殊區(qū)域的雜散電流，但在單向?qū)ㄑb置運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)，在車輛段不管有無列車運(yùn)行都存在雜散電流和鋼軌電位，有時(shí)還很大，因此列車在運(yùn)行中要注意這部分雜散電流和鋼軌電位，避開危險(xiǎn)高電流和高鋼軌電壓，注意人身安全。

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用、安裝、維護(hù)說明[R].深圳，2012.

(編輯：王艷菊)

Analysis of Stray Current under the Influence of Unidirectional Conduction Device

Liu Jianhua1Shen Songwei1Zhou Mingping1Wang Haoxian2

(1. China University of Mining and Electrical Engineering,Xuzhou, Jiangsu 221008；2.Xuzhou Information and Electrical Technology Co., Ltd.,Xuzhou, Jiangsu 221100)

During the operation of the subway, the stray current has great influence on the rail and the nearby pipe, especially in some special area, such as the metro depot, tunnel section and so on. Using the unidirectional conduction device can reduce stray current in these special areas.The stray current and the unidirectional conduction devices are introduced and the installation principle of the unidirectional conduction device is analyzed. The rails are connected and the tester is put between the rail and the earth to measure the voltage of the derailment and the current of the unidirectional conduction device; after analyzing the collected data, it is found that the stray current and rail potential in Metro depot always existed no matter whether there is a vehicle or not. In view of this phenomenon, we should pay attention to the stray current and the rail potential, try to avoid dangerous voltage and high current rail, and take care of personal safety.

urban rail transit; stray current; unidirectional conduction device; rail voltage; data analysis

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.04.026

2015-10-31

2015-11-27

劉建華，男，副教授，從事智能電網(wǎng)的研究。

沈松偉，男，在讀研究生，從事直流牽引供電安全研究，947869829@qq.com

科技型企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新資金(BG2015067)

U231.8

A

1672-6073(2016)04-0116-05