地鐵車輛段軌電位問題分析與研究

摘要：在地鐵牽引供電系統(tǒng)中，鋼軌作為回流系統(tǒng)的一部分，當電客車運行時鋼軌和地之間會存在電位差，電位差過高時則會影響人身或設備安全。為此，通過分析牽引供電系統(tǒng)軌電位形成的原理，并進行現(xiàn)場測試與驗證，對軌電位產(chǎn)生的原因進行了剖析，提出了相應的防范措施。

關鍵詞：牽引供電系統(tǒng);軌電位;雜散電流

0 引言

廣州軌道交通21號線鎮(zhèn)龍車輛段近來發(fā)生多起設備打火事件，根據(jù)現(xiàn)場排查與分析，事件均與軌電位問題相關。車輛段內(nèi)部分股道鋼軌附近存在接地金屬體，如果短接鋼軌與接地金屬體，便可能出現(xiàn)打火現(xiàn)象。車輛段蓋下接觸網(wǎng)上方鋪設了大量風管、水管以及其他電力照明等接地設備，在接觸網(wǎng)已停電、掛地線的情況下，對設備進行維護時，這些設備上的金屬接地體與接觸網(wǎng)短接也會產(chǎn)生打火現(xiàn)象，影響人身與設備安全。

本文針對近期鎮(zhèn)龍車輛段發(fā)生的設備打火事件，對事件產(chǎn)生原理進行剖析，并提出防范建議，以免類似事件再次發(fā)生。

1 軌電位分析

牽引供電系統(tǒng)的組成示意圖如圖1所示。

牽引供電系統(tǒng)的通路可看作一個直流回路，其中變電所正極母排與負極母排可看作壓降為1 500 V的電源。正常情況下牽引供電系統(tǒng)的電流路徑是：變電所正極母排→饋線→接觸網(wǎng)或接觸軌→電客車→鋼軌→回流線→變電所負極母排。1.1? ? 軌電位高于地電位

鋼軌通過絕緣扣件的安裝，假設鋼軌縱向阻抗和鋼軌對地阻抗均勻分布，鋼軌（即回流軌）可等效為均勻傳輸線，鋼軌電位和鋼軌電流的表達式為：

式中，L為測量點距牽引變電所的距離（km）;I為流過鋼軌的電流（A）;α=為傳播常數(shù);Z0=為特征阻抗。

從式中可以看出，鋼軌阻抗、流過鋼軌的電流和測量點距牽引變電所的距離是影響軌電位的主要因素，它們呈線性正比例關系。

變電所負極母排被認為是零電位，在通過同等電流情況下，距離負極越遠，鋼軌縱向電阻越高，則測量點的軌電位越高，即鋼軌與地之間的壓差越高。

1.2? ? 軌電位低于地電位

對牽引供電系統(tǒng)而言，大地近似為導體，由于鋼軌與地之間不是絕對絕緣，少許泄漏電流通過大地回到負極，即形成雜散電流。

車輛段和停車場均位于地面，通過出入段線與正線連接。車輛段庫外線路采用碎石道床，全天候暴露于自然環(huán)境中，粉塵、雨雪對其軌地間的泄漏電阻影響很大，故碎石道床的絕緣往往難以達到理論值。此外，車輛段建筑與各類管線較多，所以車輛段和停車場是地鐵雜散電流防護的薄弱環(huán)節(jié)。

在車輛段無列車運行、正線運營過程中，在單向?qū)ㄑb置正常運行時，正線泄漏的雜散電流會從絕緣相對薄弱的車輛段四周流向車輛段，車輛段類似一個雜散電流吸收源，周圍雜散電流被吸收進入車輛段后，經(jīng)車輛段鋼軌通過出入段線位置單向?qū)ㄑb置流向正線，此時車輛段鋼軌電位低于地電位。

2 測試與驗證

為測試鎮(zhèn)龍車輛段在不同狀況下的軌地電位差的大小及方向，計劃在不同工況下對軌地電位及電流進行測試。需要測試的數(shù)據(jù)有鎮(zhèn)龍車輛軌電位裝置與臨近的鎮(zhèn)龍北站軌電位裝置在不同工作狀態(tài)下的軌地電位、軌地電流。

2.1? ? 車輛段有電客車運行

某日早上電客車出廠時，正線暫未開始運營，記錄此時鎮(zhèn)龍車輛段軌電位裝置監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)最高達31 V，軌電位高于地電位。

2.2? ? 車輛段無電客車運行

同日下午，鎮(zhèn)龍車輛段所有供電區(qū)均停電，此時車輛段無電客車運行，正線正常運營。選取了鎮(zhèn)龍車輛段位于L-12道的OV3限制裝置進行測試與驗證。

當鎮(zhèn)龍車輛段、臨近的正線鎮(zhèn)龍北站軌電位裝置全部斷開時，車輛段OV3處軌地電位最高可達148 V，地電位高于軌電位，單向?qū)ㄑb置存在由庫內(nèi)流向庫外的電流;當鎮(zhèn)龍北站軌電位裝置閉合時，車輛段OV3處軌地電位下降至0 V。當鎮(zhèn)龍車輛段軌電位裝置閉合、鎮(zhèn)龍北站軌電位裝置斷開時，車輛段軌地電位裝置OV3最大電流達38 A，方向為地流向軌，單向?qū)ㄑb置存在由庫內(nèi)流向庫外的電流;當鎮(zhèn)龍車輛段軌電位裝置、鎮(zhèn)龍北站軌電位裝置全部閉合時，流經(jīng)軌電位裝置、單向?qū)ㄑb置的電流都為0 A。

當鎮(zhèn)龍車輛段軌電位裝置斷開、鎮(zhèn)龍北站軌電位裝置閉合時，流經(jīng)鎮(zhèn)龍北站軌電位裝置電流極值為603 A，方向為軌流向地;當鎮(zhèn)龍車輛段軌電位裝置閉合、鎮(zhèn)龍北站軌電位裝置閉合時，流經(jīng)鎮(zhèn)龍北站軌電位裝置的電流極值為668 A，方向為軌流向地?，F(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，鎮(zhèn)龍北站軌電位裝置電壓、電流存在較大波動，呈現(xiàn)潮汐特性，判斷與正線行車情況存在關聯(lián)。

當拆除單向?qū)ㄑb置電纜時，車輛段軌地電位裝置OV3電壓穩(wěn)定在0 V。

2.3? ? 測試結論

測試結果數(shù)據(jù)有如下結論：

正線無電客車運行而車輛段有電客車運行時，車輛段軌電位高于地電位。

車輛段無電客車運行而正線有電客車運行時，正線雜散電流會通過大地流向車輛段鋼軌并最終流回正線，導致鎮(zhèn)龍車輛段軌地間存在電位差，且地電位高于軌電位;閉合鎮(zhèn)龍車輛段或正線相鄰站點軌電位裝置，會降低鋼軌對地之間的電位差。而拆除單向?qū)ㄑb置電纜，切斷雜散電流通向正線的路徑后，也會降低鋼軌對地之間的電位差。

3 案例分析

某日，鎮(zhèn)龍車輛段接觸網(wǎng)全區(qū)停電掛地線，車輛段內(nèi)無列車升弓取流。施工人員在鎮(zhèn)龍車輛段蓋下進行管道整改作業(yè)時，吸氣式管道向下彎曲，與管道綁扎一起的鋼絲在隨管道向下彎曲過程中與接觸網(wǎng)斜拉線發(fā)生觸碰，觸碰后產(chǎn)生火星，后續(xù)導致該鋼絲斷裂。

根據(jù)牽引供電回流系統(tǒng)特性及雜散電流形成原理，結合L-10道現(xiàn)場勘測情況判斷，事件為接觸網(wǎng)（通過接地線連接鋼軌）與地之間形成負回流通路所導致的打火現(xiàn)象。在事件發(fā)生時，鋼絲索與接觸網(wǎng)接觸，大地、鋼絲索、接觸網(wǎng)、地線、鋼軌形成回路，正線雜散電流通過鋼絲索上網(wǎng)后再經(jīng)地線上軌回流至正線牽引所，由于鋼絲索與接觸吊索間接觸電阻較大，導致鋼絲索與接觸網(wǎng)拉線兩者接觸部分發(fā)熱并產(chǎn)生打火現(xiàn)象，最終導致鋼絲索熔斷。

4 風險與防范措施

4.1? ? 存在風險

針對鎮(zhèn)龍車輛段臨近接觸網(wǎng)作業(yè)時，在接觸網(wǎng)/軌設備停電掛地線情況下，仍可能存在的風險進行了排查，主要存在的風險如下：

（1）鎮(zhèn)龍車輛段內(nèi)部分股道鋼軌附近存在接地金屬體，由于軌電位的存在，如果短接鋼軌與接地金屬體，可能出現(xiàn)打火現(xiàn)象。

（2）鎮(zhèn)龍車輛段蓋下接觸網(wǎng)上方鋪設了大量的風管、水管以及其他電力照明等接地設備，在接觸網(wǎng)已停電掛地線情況下，對設備進行維護時，這些設備上的金屬接地體與接觸網(wǎng)或鋼軌短接也可能出現(xiàn)打火現(xiàn)象。

4.2? ? 防范措施

地鐵車輛段內(nèi)施工一般在干燥且勞保齊備情況下開展時，人身安全直流電壓可達140 V。而在軌電位限制裝置的保護下，鎮(zhèn)龍車輛段內(nèi)軌地電位差超過50 V便合閘接地，能夠滿足作業(yè)人員人身安全需求。為進一步確保人身與設備安全，在鎮(zhèn)龍車輛段開展作業(yè)的各專業(yè)人員，需遵守安全規(guī)章制度，穿戴好勞保用品，采取必要的安全防護措施，避免使用接地線或金屬管線將接觸網(wǎng)/軌設備或鋼軌與接地金屬體接觸?？裳a充開展以下措施：

4.2.1? ? 加強雜散電流監(jiān)測，防范過渡電阻異常

繼續(xù)把雜散電流監(jiān)測與防控作為一項長期的工作常抓不懈，加強雜散電流監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集與分析，及時發(fā)現(xiàn)雜散電流的異常情況。同時定期利用沖洗軌道等手段，清除附著在鋼軌絕緣墊等對鋼軌對地阻值有巨大影響的金屬粉塵，提高鋼軌對地過渡電阻，減少雜散電流的產(chǎn)生。

4.2.2? ? 對單向?qū)ㄑb置進行改造優(yōu)化

單向?qū)ㄑb置類似一個排流柜，將車輛段內(nèi)雜散電流通過出入段線鋼軌及單向?qū)ㄑb置匯集到鄰近牽引變電所?？蓪蜗?qū)ㄑb置進行優(yōu)化，在有車輛通過時將其導通，無車輛通過時將其斷開。這樣相當于切斷了車輛段雜散電流流入正線牽引所的通路，使雜散電流盡量流回就近的牽引變電所。此外，當車輛段雜散電流無通路后，正線雜散電流流向車輛段的流通量也會相應降低，這樣也會減輕對車輛段建筑結構的影響。

5 結語

本文對鎮(zhèn)龍車輛段軌電位相關問題進行了分析，得出以下結論：

車輛段有電客車運行時，由于鋼軌電阻的存在，作為回流軌時，將會產(chǎn)生軌地電位差，且軌電位高于地電位。車輛段無電客車運行，而正線有電客車運行時，正線雜散電流會通過大地流向車輛段鋼軌并最終流回正線，軌地間存在電位差，且地電位高于軌電位。

在軌電位限制裝置的保護下，鎮(zhèn)龍車輛段內(nèi)軌地電位差超過50 V便合閘接地，能夠滿足保護作業(yè)人員人身安全的需求。為進一步確保人身與設備安全，建議各專業(yè)施工人員避免將接觸網(wǎng)/軌設備或鋼軌與接地金屬體接觸。

此外，利用雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)加強監(jiān)測電流雜散情況變化，評估相關措施造成的影響，并根據(jù)監(jiān)測情況適當調(diào)整措施，進一步對單向?qū)ㄑb置進行改造優(yōu)化，避免出現(xiàn)雜散電流經(jīng)車輛段鋼軌進入正線的情況。

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收稿日期：2020-03-05

作者簡介：熊青松（1993—），男，河南信陽人，助理工程師，研究方向：城市軌道交通供電。