城市軌道交通正線對車輛基地雜散電流影響研究

李敏鋒，靳佩躍，劉海鵬，張德勝

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進，城市軌道交通作為緩解交通擁堵的有效工具，在國內(nèi)得到大力發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，截至2020年12月，我國已有44個城市開通運營城市軌道交通線路，運營里程達7 545.5 km。城市軌道交通的特點從最初的點線連接，逐漸向網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)?；l(fā)展。

軌道交通給人們出行帶來便利的同時也帶來了一些問題，如雜散電流的問題。目前，我國城市軌道交通直流牽引供電電壓等級有DC 1 500 V和DC 750 V兩種，主要采用接觸網(wǎng)（軌）授流、走行軌回流的供電制式。直流電流通過走行軌回流的過程中，由于走行軌無法實現(xiàn)完全與大地電氣絕緣，部分電流會泄漏至大地，通過地鐵沿線的金屬設(shè)備、埋地管線等設(shè)施，最后再回流到牽引變電所，即形成雜散電流，如圖1所示。雜散電流會腐蝕其流經(jīng)的金屬設(shè)備、管線等，給設(shè)備運行造成安全隱患[1]。

圖1 雜散電流泄漏示意圖

在地鐵相關(guān)設(shè)計規(guī)范中，要求走行軌采用對地絕緣安裝，其過渡電阻值不小于15 Ω·km[2]。但是，隨著地鐵線路運營年限的增加，走行軌對地的絕緣電阻降低，泄漏的雜散電流也隨之增加，從而增加了地鐵對沿線金屬設(shè)備、埋地管線的腐蝕風(fēng)險[3]。

1 車輛基地雜散電流對埋地管線的影響

車輛基地（包括車輛段、停車場等）作為地鐵車輛停放、檢查、運用和維修的管理中心，對地鐵正常運營起著重要作用，其特點是占地面積大、股道密集、作業(yè)時間長（運營時段負責(zé)車輛調(diào)度，非運營時段負責(zé)車輛檢修）。車輛基地的道床主要分為兩種類型：庫內(nèi)采用整體道床（無砟道床），庫外咽喉區(qū)采用碎石道床（有砟道床）。庫內(nèi)受環(huán)境因素影響較小，其鋼軌的對地泄漏電阻能夠得到較好的保證，庫外碎石道床雖然本身由于碎石之間的間隙較多，絕緣程度較好，但受雨、雪及運營維護影響較大，導(dǎo)致鋼軌的對地泄漏電阻長期處于較低的水平。同時，由于車輛基地股道在小范圍內(nèi)大量集中，根據(jù)規(guī)模其單線長度可達5～15 km，多股道的并行造成車輛基地鋼軌整體對地等效電阻很小?；谝陨显?，車輛基地是軌道交通雜散電流防護的一個薄弱環(huán)節(jié)，對周圍管線的影響較大[4]。

圖2所示為滸墅關(guān)車輛段附近天然氣管道電位的監(jiān)測數(shù)據(jù)。可以看出，天然氣管道在關(guān)閉陰極保護裝置的情況下，管道電位的波動范圍為-0.5～-1.2 V，正向偏移為0.7 V，超過了GB 50991—2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護技術(shù)標準》中的直流干擾判別標準，其規(guī)定為“沒有實施陰極保護的管道，宜采用管地電位相對于自然電位的偏移值進行判斷。當任意點上的管地電位相對于自然電位正向偏移大于或等于100 mV時，應(yīng)及時采取干擾防護措施”。說明車輛基地附近存在較大的雜散電流。

圖2 滸墅關(guān)車輛段附近天然氣管道斷電電位監(jiān)測數(shù)據(jù)

2 車輛基地供電系統(tǒng)及雜散電流防護方案

正常工況下，車輛基地與正線的牽引供電系統(tǒng)是相互獨立的，在出入段線處通過接觸網(wǎng)的分段絕緣器及鋼軌的絕緣節(jié)分斷隔離。庫內(nèi)與庫外鋼軌之間設(shè)置絕緣節(jié)，庫前和出入段線絕緣節(jié)兩側(cè)鋼軌通過單向?qū)ㄑb置（以下簡稱單導(dǎo)）連接。車輛基地牽引供電系統(tǒng)示意如圖3所示。

圖3 車輛基地牽引供電系統(tǒng)示意圖

庫內(nèi)通常采用鋼軌電位限制裝置（OVPD）將鋼軌與大地連接，OVPD平時斷開，軌電位超標時短時閉合，保護人身安全，以此達到雜散電流防護和人身安全保護的平衡。

根據(jù)以往設(shè)計習(xí)慣，通常在有上蓋開發(fā)的車輛基地，采取設(shè)置整體道床收集網(wǎng)、排流柜、雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)等雜散電流防護措施。隨著《地鐵雜散電流腐蝕防護技術(shù)標準》（CJJ/T 49—2020）頒布，明確要求車輛基地雜散電流防護工程方案應(yīng)與正線防護工程方案一致，即車輛基地均需采取雜散電流防護措施[5]。

3 正線對車輛基地雜散電流影響研究

從圖2中可以看出，車輛基地附近管線電位的波動與地鐵正線運營時間較為吻合，在5—23時之間波動較大，地鐵收車后，管道電位趨于平穩(wěn)。而車輛基地內(nèi)除早晚高峰收發(fā)車時車輛調(diào)度較為頻繁外，其余時間的維護檢修工作相對穩(wěn)定。由此可以推測，車輛基地對周圍管線的雜散電流腐蝕可能來自兩部分，一部分是車輛基地自身的牽引供電系統(tǒng)引起，另一部分來自正線的牽引供電系統(tǒng)。

3.1 定性分析

車輛基地與正線的牽引供電系統(tǒng)基本相互獨立，有兩種情況可能使這兩個牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。第一種情況是列車進出車輛基地經(jīng)過接觸網(wǎng)分段絕緣器時，列車的前弓和后弓分別在正線側(cè)和基地側(cè)，兩個系統(tǒng)的正極通過列車的牽引系統(tǒng)連接，同時列車的輪對將正線側(cè)和基地側(cè)的鋼軌連接，該情況是短時的，列車通過后兩個系統(tǒng)的聯(lián)系即中斷，該情況集中發(fā)生在早晚高峰收發(fā)車時段。第二種情況是由于在出入段線的鋼軌絕緣節(jié)處設(shè)置了單導(dǎo)，導(dǎo)通方向為基地側(cè)指向正線側(cè)，該情況長期存在。

從圖2所示的管道電位曲線看，管道電位的波動在整個運營時段內(nèi)都存在，因此更多地考慮是單導(dǎo)的影響。對滸墅關(guān)車輛段出入段線單導(dǎo)主回路的電流進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

圖4 滸墅關(guān)車輛段出入段線單向?qū)ㄑb置電流監(jiān)測

由圖4看出，通過單導(dǎo)的電流峰值達到了近200 A，雜散電流泄漏量較大，其原因主要如下：

（1）基地回流電流通過單導(dǎo)流向正線，從正線鋼軌泄漏至大地后返回基地牽引所，如圖5（a）所示。

（2）正線回流電流從鋼軌泄漏至大地，返至基地的鋼軌，流經(jīng)單導(dǎo)后返回正線牽引所，如圖5（b）所示。

圖5 流經(jīng)單向?qū)ㄑb置雜散電流路徑示意圖

圖5所示的兩條雜散電流泄漏路徑分別來自正線和基地的牽引電流，雖然來源不同，但可以認為路徑是相同的，都經(jīng)過了基地鋼軌和泄漏電阻、單導(dǎo)裝置、正線鋼軌和泄漏電阻，從雜散電流路徑的“暢通性”或“阻力”上看，兩個牽引系統(tǒng)幾乎沒有差別[6]。

從圖4的監(jiān)測結(jié)果看，0時之后，正線列車已經(jīng)收車，車輛基地由于部分維護檢修作業(yè)仍需持續(xù)供電一段時間，因此0—1時單導(dǎo)電流主要由基地產(chǎn)生，但數(shù)值很小，約為20 A。運營時段單導(dǎo)電流基本持續(xù)在100 A以上，峰值達到200 A，說明正線泄漏的雜散電流是單導(dǎo)電流的主要來源。究其原因，正線運營期間，列車數(shù)量多、速度快、取流大，雜散電流泄漏量大；車輛基地列車數(shù)量少、速度低，牽引取流總量較正線小很多。

3.2 定量研究

為了進一步研究正線對車輛基地雜散電流的影響，選取蘇州某軌道交通線路進行仿真研究。該線路全長約35 km，線路末端設(shè)置車輛段，接入正線末端車站，車輛段內(nèi)鋼軌單線長約8 km。正線行車密度按照30對/h單一交路考慮，出入段線長1.5 km，車輛段內(nèi)無列車作業(yè)，流過單導(dǎo)裝置的電流均為由正線泄漏、通過大地回路返至車輛段鋼軌的雜散電流。當正線和車輛段鋼軌的對地泄漏電阻均為設(shè)計要求的15 Ω·km時，流過單導(dǎo)的電流曲線如圖6所示。

圖6 單向?qū)ㄑb置電流仿真曲線

當分別調(diào)整正線和車輛段的對地泄漏電阻時，得到單導(dǎo)電流和車輛段鋼軌電位的仿真結(jié)果如表1和表2所示。

表1 不同泄漏電阻值下單導(dǎo)電流仿真結(jié)果

表2 不同泄漏電阻值下車輛段鋼軌電位仿真結(jié)果

該仿真是假設(shè)正線和車輛段鋼軌的泄漏電阻為均勻分布，但在實際工程中，由于土壤環(huán)境、軌行區(qū)積水、鋼軌油污積聚、油氣管線分布等因素影響，泄漏電阻呈非均勻分布且具有一定的隨機性[7]。

3.3 數(shù)據(jù)分析

3.3.1 雜散電流的影響

由表1可以看出，若正線和車輛段鋼軌的泄漏電阻均能達到規(guī)范要求的15 Ω·km，流過單導(dǎo)的正線雜散電流很小，正線對車輛段雜散電流的影響很小。隨著正線或車輛段泄漏電阻的降低，流過單導(dǎo)的雜散電流呈明顯的增長趨勢，如當正線和車輛段對地泄漏電阻均降至1 Ω·km時，單導(dǎo)的峰值電流可達150.48 A。

需要指出的是，本模型的仿真中均未考慮OVPD合閘的情況，在實際運營中，無論是正線車站還是車輛段，當軌電位瞬時超標時，會引起OVPD的合閘，這時鋼軌與大地相當于短接，會引起更多的正線雜散電流流向車輛段。

3.3.2 鋼軌電位的影響

根據(jù)表2可以看出，當正線鋼軌的泄漏電阻不變時，隨著車輛段鋼軌泄漏電阻的降低，雖然正線雜散電流泄漏量增加，但是車輛段的軌電位呈下降趨勢，可以認為車輛段的軌電位受車輛段鋼軌泄漏電阻影響較大，泄漏電阻越低，鋼軌電位越趨近于大地電位。當車輛段鋼軌的泄漏電阻不變時，隨著正線鋼軌泄漏電阻的降低，車輛段的軌電位呈上升趨勢，這是由于正線雜散電流泄漏量增加所致。

4 結(jié)語

本文結(jié)合蘇州軌道交通雜散電流相關(guān)的測試結(jié)果，研究了正線對車輛基地雜散電流的影響，通過建立仿真模型，對不同泄漏電阻下正線流向車輛基地的雜散電流泄漏量以及對車輛基地軌電位的影響進行了模擬。通過模擬結(jié)果及實際的測試結(jié)果可以看出，在地鐵運營期間，正線向車輛基地泄漏的雜散電流通過出入段線的單向?qū)ㄑb置返回正線牽引所，會加劇對車輛基地周圍管線的腐蝕風(fēng)險，加之車輛基地本就是雜散電流防護的薄弱區(qū)，因此更應(yīng)重視車輛基地的雜散電流防護工作。

目前，采用專用軌回流的供電制式是很好的雜散電流解決方案，從根本上減少了雜散電流的泄漏，是新建線路的一個選擇方向。 隨著《地鐵雜散電流腐蝕防護技術(shù)標準》（CJJ/T 49—2020）的頒布，對車輛基地的雜散電流防護要求更加嚴格，需要設(shè)置雜散電流收集網(wǎng)、排流柜等防護措施，有助于減少車輛基地雜散電流對周圍管線的影響。