地鐵單向?qū)ㄑb置運(yùn)行實(shí)測(cè)與分析

胡 勇，楊 龍，張 麗，李思文，劉 煒

0 引言

隨著我國(guó)地鐵交通的大規(guī)模投運(yùn)，地鐵（輕軌）軌道系統(tǒng)中雜散電流等問(wèn)題逐漸涌現(xiàn)，地鐵結(jié)構(gòu)鋼筋和附近金屬管線經(jīng)常受到雜散電流的影響[1～3]，尤其在車輛段、停車場(chǎng)（以下簡(jiǎn)稱“段場(chǎng)”）等特殊地段，由于鋼軌對(duì)地過(guò)渡電阻較小，產(chǎn)生的雜散電流較大[4]。為了盡量減小雜散電流并縮小雜散電流影響范圍，軌道上需要設(shè)置絕緣接頭，將正線軌道與段場(chǎng)軌道隔離。在采用絕緣接頭的鋼軌部位，需要采用單向?qū)ㄑb置（以下簡(jiǎn)稱“單導(dǎo)”）并接于地鐵軌道設(shè)置的絕緣節(jié)處，保證僅列車由段場(chǎng)駛向正線時(shí)單導(dǎo)導(dǎo)通，鋼軌能夠正常回流[5，6]。但在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，即使段場(chǎng)沒(méi)有列車通過(guò)，單導(dǎo)仍會(huì)導(dǎo)通，使段場(chǎng)鋼軌與正線鋼軌實(shí)現(xiàn)電氣連接。

文獻(xiàn)[7]通過(guò)對(duì)一行鋼軌的單導(dǎo)電流與鋼軌電位進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，單導(dǎo)正向?qū)〞r(shí)能夠?yàn)檎€的雜散電流提供路徑，反向?qū)〞r(shí)可將正線的牽引回流引入段場(chǎng)，從而給段場(chǎng)帶來(lái)鋼軌電位和雜散電流問(wèn)題。文獻(xiàn)[8]通過(guò)對(duì)段場(chǎng)單導(dǎo)電流、軌地電位、土壤電位梯度等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，重點(diǎn)從鋼軌電位的角度分析了雜散電流產(chǎn)生原因和分布規(guī)律，設(shè)計(jì)了雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[9]通過(guò)搭建城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)仿真模型，分析了單導(dǎo)對(duì)城市軌道交通雜散電流防護(hù)的不利影響，但仿真模型中并未考慮上、下行聯(lián)絡(luò)線，忽略了兩行單導(dǎo)的相互影響。文獻(xiàn)[10]從直流牽引供電系統(tǒng)建模的角度出發(fā)，研究了單導(dǎo)和鋼軌電位限制裝置對(duì)正線鋼軌電位的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)單導(dǎo)的導(dǎo)通會(huì)使正線和段場(chǎng)的鋼軌電位升高，鋼軌電位限制裝置的閉合則會(huì)抬高其他較遠(yuǎn)處區(qū)間的鋼軌電位。

本文對(duì)實(shí)際運(yùn)營(yíng)的某地鐵線路正線與停車場(chǎng)間咽喉區(qū)兩行單導(dǎo)電流進(jìn)行24 h 連續(xù)同步監(jiān)測(cè)。測(cè)試結(jié)果顯示，兩行單導(dǎo)同時(shí)運(yùn)行時(shí)并非完全同步導(dǎo)通，不僅存在電流經(jīng)單導(dǎo)涌入停車場(chǎng)或返回正線的現(xiàn)象，還會(huì)在兩行單導(dǎo)之間通過(guò)咽喉區(qū)上、下行聯(lián)絡(luò)線出現(xiàn)環(huán)流的現(xiàn)象。

1 單導(dǎo)結(jié)構(gòu)與測(cè)試方案

1.1 單導(dǎo)結(jié)構(gòu)

城軌供電系統(tǒng)回流軌中采用的單導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由整流二極管回路、隔離開(kāi)關(guān)和保護(hù)裝置等組成，通常并聯(lián)于段場(chǎng)咽喉區(qū)正線出入段的絕緣節(jié)兩端。其中，二極管的正極接段場(chǎng)鋼軌，負(fù)極接正線鋼軌，晶閘管回路與二極管回路反向并聯(lián)。僅二極管作用時(shí)，鋼軌中電流只流向一個(gè)方向，保證列車在正線運(yùn)行時(shí)列車電流不能回流至段場(chǎng)或列車庫(kù)內(nèi)。反向并聯(lián)的晶閘管回路作為保護(hù)回路，當(dāng)鋼軌電位過(guò)高時(shí)，實(shí)現(xiàn)電氣導(dǎo)通，限制絕緣節(jié)兩端放電，防止列車車輪踏過(guò)絕緣節(jié)時(shí)打火。隔離開(kāi)關(guān)則用于在正線支援供電車輛段、停車場(chǎng)的情況下，將絕緣節(jié)的兩端回流軌直接電氣連接。

圖1 單向?qū)ㄑb置結(jié)構(gòu)

1.2 測(cè)試方案

為了進(jìn)一步了解實(shí)際運(yùn)營(yíng)中單導(dǎo)的導(dǎo)通、截止條件和規(guī)律，本次測(cè)試對(duì)某地鐵線路停車場(chǎng)咽喉區(qū)的上下行單導(dǎo)電流進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)，測(cè)試周期為24 h。于夜間非運(yùn)營(yíng)時(shí)段進(jìn)行測(cè)試設(shè)備安裝，安裝位置如圖2 所示。上、下行單導(dǎo)電流由外置霍爾電流傳感器測(cè)得，傳感器將電流轉(zhuǎn)換為正負(fù)10 V 的電壓信號(hào)，通過(guò)屏蔽電纜傳輸至NI 監(jiān)測(cè)設(shè)備。

圖2 監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝位置

2 咽喉區(qū)單導(dǎo)運(yùn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 單導(dǎo)運(yùn)行工作情況

圖3 所示為運(yùn)營(yíng)期間流經(jīng)咽喉區(qū)單導(dǎo)的實(shí)際電流情況，規(guī)定以單導(dǎo)二極管正向?qū)娏鳛檎?，即從段?chǎng)到正線為正。從圖3 可知，一行的單導(dǎo)流過(guò)的電流非負(fù)，說(shuō)明僅有2 種工作情況，正向?qū)ê筒粚?dǎo)通；另一行的單導(dǎo)既有正向的電流流過(guò)，又有反向的電流流過(guò)，存在3 種工作情況。

圖3 咽喉區(qū)兩行單導(dǎo)電流

實(shí)際上，通過(guò)分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，兩行單導(dǎo)的5 種狀態(tài)組合均存在，表1 為一天內(nèi)單導(dǎo)各種狀態(tài)組合的時(shí)間占比分配。其中，兩行單導(dǎo)主要工作在3 種組合情形：情形5 兩行單導(dǎo)都不導(dǎo)通占比28.4%（情形5 集中在夜間停運(yùn)，列車不取流時(shí)段，因此時(shí)間占比較高），情形1 兩行單導(dǎo)都正向?qū)ㄕ急?9.3%，情形4 一行單導(dǎo)不導(dǎo)通，一行反向?qū)?，占?2.1%。

表1 單導(dǎo)運(yùn)行情況

2.2 單導(dǎo)運(yùn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表1，對(duì)咽喉區(qū)單導(dǎo)運(yùn)行情況的情形1—情形4 的單導(dǎo)電流進(jìn)行分析。圖4 所示為情形1 兩行單導(dǎo)都正向?qū)〞r(shí)的單導(dǎo)電流，兩行單導(dǎo)電流大小幾乎相等，達(dá)到百安量級(jí)，同時(shí)由停車場(chǎng)流入正線。圖5 所示為情形2 單導(dǎo)電流，電流只通過(guò)一行單導(dǎo)流入正線，也達(dá)到百安量級(jí)。

由二極管的單向?qū)ㄐ钥芍€泄漏到大地的雜散電流經(jīng)單導(dǎo)返回正線。正線泄漏的雜散電流達(dá)到數(shù)百安量級(jí)的主要原因：（1）正線鋼軌過(guò)渡電阻較低，存在鋼軌泄漏電流；（2）由于正線軌電位較高，該線路多處鋼軌電位限制裝置長(zhǎng)期閉合。對(duì)比情形1，情形2 的情況，當(dāng)兩行單導(dǎo)二極管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，由停車場(chǎng)返回正線的雜散電流更多。

圖6 與圖7 所示分別為情形1 和情形2 其中一行單導(dǎo)導(dǎo)通時(shí)的電流路徑，情形2 中的另一電流路徑與圖7 類似，電流通過(guò)另一行的單導(dǎo)二極管返回正線。結(jié)合表1，兩行單導(dǎo)裝置都正向?qū)ǖ谋壤嫉搅?9.3%，說(shuō)明正線泄漏至停車場(chǎng)的雜散電流總體上是由兩行單導(dǎo)的二極管回路同時(shí)返回正線。

圖4 情形1 單導(dǎo)電流情況

圖5 情形2 單導(dǎo)電流情況

圖6 情形1 單導(dǎo)電流路徑

圖7 情形2 單導(dǎo)電流路徑

圖8 所示為一行單導(dǎo)正向?qū)?，一行單?dǎo)反向?qū)ǖ膯螌?dǎo)電流情況，兩行單導(dǎo)電流大小相等，方向相反。圖9 所示為一行單導(dǎo)不導(dǎo)通，一行單導(dǎo)反向?qū)ǖ碾娏髑闆r。圖8 與圖9 中都有一行單導(dǎo)反向?qū)?，分析可能是由于正線存在大量列車往返或列車制動(dòng)，使得正線鋼軌電位偏高，而停車場(chǎng)存在永久接地點(diǎn)的股道，晶閘管承受的正向電壓大于整定值，單導(dǎo)反向?qū)?。然而兩行晶閘管觸發(fā)并不是同步的，且總是有一行單導(dǎo)晶閘管先觸發(fā)，晶閘管導(dǎo)通后，使得停車場(chǎng)鋼軌與正線鋼軌實(shí)現(xiàn)電氣連接，鋼軌等電位，在兩行均流線作用下，另一行晶閘管的正負(fù)極幾乎等電勢(shì)，承受電壓小于導(dǎo)通整定值，從而不能夠?qū)ā?/p>

圖8 情形3 單導(dǎo)電流情況

圖9 情形4 單導(dǎo)電流情況

當(dāng)一行單導(dǎo)的二極管與另一行單導(dǎo)晶閘管同步導(dǎo)通時(shí)，出現(xiàn)情形3，此時(shí)電流會(huì)通過(guò)咽喉區(qū)上下行聯(lián)絡(luò)線、二極管和晶閘管，形成停車場(chǎng)內(nèi)環(huán)流，其電流路徑如圖10 所示。

圖10 情形3 單導(dǎo)電流路徑

當(dāng)一行單導(dǎo)晶閘管觸發(fā)與另一行單導(dǎo)二極管導(dǎo)通不同步時(shí)，出現(xiàn)情形4。當(dāng)一行晶閘管導(dǎo)通后，使得另一行單導(dǎo)的二極管承受的正向偏置電壓小于0.7 V 時(shí)，從而不能導(dǎo)通，正線電流經(jīng)晶閘管回路直接涌入停車場(chǎng)，其電流路徑如圖11 所示。

圖11 情形4 單導(dǎo)電流路徑

3 鋼軌回流系統(tǒng)的改進(jìn)

通過(guò)以上分析可以看出，單導(dǎo)投入運(yùn)行后，仍然存在大量的雜散電流經(jīng)單導(dǎo)的二極管回路流回正線，當(dāng)鋼軌電位過(guò)高時(shí)，單導(dǎo)反向?qū)?，正線雜散電流亦會(huì)涌入車輛段和停車場(chǎng)。而在《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中，單導(dǎo)也并非是地鐵供電系統(tǒng)所必須安裝的設(shè)備，基于此，正線與出入段之間咽喉區(qū)的回流軌可以采用隔離開(kāi)關(guān)作為連接裝置，并對(duì)回流系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，如圖12 所示。

其中，JJ1 為正線與段場(chǎng)之間設(shè)置的絕緣節(jié)，J1 為正線鋼軌與絕緣節(jié)JJ1 之間的位置傳感器，J2為段場(chǎng)鋼軌與絕緣節(jié)之間的位置傳感器。晶閘管V的控制采用聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)和位置傳感器的狀態(tài)信號(hào)共同控制。

圖12 鋼軌回流系統(tǒng)改進(jìn)方法

正常情況下，隔離開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，可以長(zhǎng)時(shí)、有效地阻隔正線和段場(chǎng)的鋼軌，防止正線雜散電流進(jìn)入車輛段和停車場(chǎng)。當(dāng)有列車由段場(chǎng)駛向正線時(shí)，隔離開(kāi)關(guān)閉合，RC 支路用于開(kāi)關(guān)閉合時(shí)的過(guò)電壓吸收，保證回流電流正常流動(dòng)。當(dāng)有列車由正線返回段場(chǎng)至絕緣節(jié)附近時(shí)，晶閘管支路導(dǎo)通，避免因絕緣節(jié)兩側(cè)鋼軌電壓差過(guò)大出現(xiàn)打火現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)該線路咽喉區(qū)單導(dǎo)的全天工作情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單導(dǎo)運(yùn)行情況主要是一行不導(dǎo)通，另一行反向?qū)?，兩行都正向?qū)ㄒ约耙恍姓驅(qū)ê土硪恍蟹聪驅(qū)?，這3 種運(yùn)行情況分別占全天時(shí)間比例為32.1%、19.3%和10.1%。結(jié)合運(yùn)行時(shí)的電流情況，可以得出以下結(jié)論與建議：

（1）單導(dǎo)投入運(yùn)行后，仍然存在大量的雜散電流經(jīng)單導(dǎo)二極管回路流回正線。當(dāng)兩行單導(dǎo)的二極管導(dǎo)通同步時(shí)，雜散電流經(jīng)兩行單導(dǎo)二極管流回正線；當(dāng)二極管導(dǎo)通不同步時(shí)，雜散電流只經(jīng)過(guò)一行鋼軌流回正線。為減少正線雜散電流泄漏，應(yīng)盡量提高正線鋼軌對(duì)地過(guò)渡電阻，避免正線鋼軌電位限制裝置長(zhǎng)期接地運(yùn)行。

（2）正常運(yùn)營(yíng)時(shí)，正線鋼軌電位偏高，導(dǎo)致單導(dǎo)反向?qū)l次較高，而兩行單導(dǎo)的晶閘管觸發(fā)不同步，易形成環(huán)流。建議正線與出入段場(chǎng)之間咽喉區(qū)的回流軌采用隔離開(kāi)關(guān)作為連接，同時(shí)增加過(guò)電壓吸收支路和列車到來(lái)時(shí)的消弧支路。