城市軌道交通場段雜散電流防護實測分析與優(yōu)化方案

陳 輝，黃國輝

0 引言

城市軌道交通供電系統(tǒng)中，列車通過受電弓從接觸網(wǎng)獲取電能，一般采用走行軌作為牽引電流的回流通道，牽引電流流經(jīng)走行軌回到牽引變電所負極[1]。由于走行軌具有一定的縱向電阻，且無法實現(xiàn)與大地完全絕緣，使得走行軌與大地之間形成電位差，部分電流經(jīng)走行軌泄漏至周邊介質(zhì)產(chǎn)生雜散電流。在城市軌道交通系統(tǒng)中，不可避免地會存在雜散電流及鋼軌電位問題[2]。

為避免軌道交通線路正線雜散電流與場段（停車場、車輛段）之間互相影響，縮小雜散電流影響范圍，通常在正線與場段咽喉區(qū)設(shè)置絕緣接頭，將正線軌道與場段軌道進行物理隔離，并通過并聯(lián)單向?qū)ㄑb置（以下簡稱“單導”），保證僅列車由場段駛向正線時，單導導通，鋼軌正?；亓鱗3]。文獻[4]針對城軌車輛段上、下行單向?qū)ㄑb置電流進行了測量，并根據(jù)結(jié)果分析了單導電流的兩個流向，指出了單導因觸發(fā)不同步造成環(huán)流的問題。文獻[5]中通過對場段進行多次現(xiàn)場試驗和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析對比，找出了單向?qū)ㄑb置只防止正線鋼軌回流至場段而允許場段基地向正線方向鋼軌回流導通的設(shè)計缺陷。文獻[6]指出在地鐵運行過程中，通過投入單向?qū)ㄑb置可以減少特殊區(qū)段的雜散電流，但在單向?qū)ㄑb置運行時車輛段無論是否有車通過均存在雜散電流和鋼軌電位問題。當多列列車在車站內(nèi)運行時，單向?qū)ㄑb置的工作狀態(tài)會更加復雜，進而導致雜散電流的分布更加復雜和多樣。直流牽引系統(tǒng)中全線列車及牽引變電所并列運行時，多車多所之間普遍存在功率越區(qū)分配，直接影響回流系統(tǒng)參數(shù)的分布。文獻[7]建立了基于多列車多段運行的鋼軌電位動態(tài)模型，明確了實際線路中鋼軌電位的異常上升。文獻[8]針對正線牽引電流泄漏至場段導致鋼軌電位異常的問題，提出了一種定向?qū)ɑ亓餮b置。文獻[9]在對單向?qū)ㄑb置合理等效的基礎(chǔ)上，重新建立地鐵車站雜散電流評價模型，分析車站雜散電流與單向?qū)ㄑb置工作狀態(tài)的規(guī)律。文獻[10]針對回流安全參數(shù)在主線與站的耦合效應(yīng)，提出了主線與站的直流牽引供電系統(tǒng)仿真模型，提出改進單側(cè)連接裝置抑制雜散電流和鋼軌電位問題的方案。

城市軌道交通場段是整條線路的絕緣薄弱位置且雜散電流問題相對嚴重[11]。城軌供電系統(tǒng)通常采用的單向?qū)ㄑb置結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由二極管、隔離開關(guān)和保護裝置等組成。其中，二極管的正極接場段鋼軌，負極接正線鋼軌，晶閘管回路與二極管回路反向并聯(lián)，僅單導二極管作用時鋼軌中電流只流向一個方向，保證列車在正線運行時列車電流不能回流至車輛段或停車場內(nèi)。反向并聯(lián)的晶閘管回路作為保護回路，當鋼軌電位過高時，實現(xiàn)電氣導通，限制絕緣節(jié)兩端放電，防止列車車輪踏過絕緣節(jié)時打火。隔離開關(guān)則用于在正線支援車輛段、停車場供電的情況下，將絕緣節(jié)的兩端回流軌直接電氣連通[12]。

圖1 單向?qū)ㄑb置結(jié)構(gòu)原理

1 單向?qū)ㄑb置存在的問題

成都地鐵直流供電系統(tǒng)運行至今，部分場段多次出現(xiàn)掛接地線打火、車輛作業(yè)人員搭接車體和檢修平臺金屬護欄發(fā)生觸電及鋼軌電位異常等問題，雜散電流影響較為突出。針對上述問題，對1 號線紅星路停車場咽喉區(qū)兩行單導電流進行了24 h 的連續(xù)同步監(jiān)測。結(jié)果顯示，兩行單導同時運行時并不是完全同步導通，存在雜散電流經(jīng)單導涌入停車場或返回正線的現(xiàn)象，存在“正線鋼軌—大地/接地扁鋼/架空地線—場段地網(wǎng)—場段軌電位限制裝置OVPD/地線—場段鋼軌—單導—正線鋼軌”的雜散電流泄漏回路[1]，如圖2 所示，單導為正線、場段雜散電流泄漏提供了通路。

圖2 單導裝置下雜散電流流通路徑

場段和正線之間采用單向?qū)ㄑb置時，若正線鋼軌電位為負，鋼軌電位傳入場段，是場段內(nèi)OVPD 負電位頻繁動作的主要原因。場段OVPD頻繁動作，反過來又會惡化正線鋼軌電位和雜散電流。如果正線鋼軌過渡電阻局部不達標，會惡化其他區(qū)段的鋼軌電位，并傳遞至場段內(nèi)，導致場段的OVPD 更加頻繁動作。

2 單向?qū)ㄑb置優(yōu)化方案

針對既有單導為正線雜散電流泄漏后流回場段再流回正線的路徑提供通路問題，提出響應(yīng)式智能導通裝置方案，實現(xiàn)無列車通過時，場段與正線之間完全斷開，阻斷場段與正線雜散電流路徑，有列車通過時，短接絕緣分段避免列車通過時打火。

響應(yīng)式智能導通裝置由主回路和主控單元組成。主回路由正向回路、反向回路、保護回路、隔離開關(guān)等組成，回路帶有電動隔離開關(guān)，主回路故障時通過閉合隔離開關(guān)保證出入線間的電氣連接；主控單元具有故障監(jiān)測、控制和通信功能。響應(yīng)式智能導通裝置系統(tǒng)主電路及控制流程如圖3 所示。

圖3 響應(yīng)式智能導通裝置系統(tǒng)主電路及控制流程

正向回路和反向回路均由整流二極管與全控型門極可關(guān)斷晶閘管串聯(lián)構(gòu)成。裝置并聯(lián)于鋼軌絕緣節(jié)處，按照一定的組合邏輯控制軌道電流通斷，保證短路電流正常通過。裝置回路處于關(guān)斷狀態(tài)時，切斷雜散電流異?；亓髀窂?。嵌入式系統(tǒng)實時監(jiān)測裝置運行情況，并通過遠程通信網(wǎng)絡(luò)將故障信息及時傳送到變電所監(jiān)控機，維護人員可遠程遙控或現(xiàn)場手動合上隔離開關(guān)，不影響機車正常運行。

3 實測效果分析

按照本文提出的響應(yīng)式智能導通裝置方案，于2022 年10 月中旬在成都地鐵1 號線紅星路停車場試點改造，改造現(xiàn)場如圖4 所示。改造后，分別于2022 年11 月14 日、7 日（同為周一，列車運行圖相同）采集咽喉區(qū)單導工況（以下簡稱“工況一”）、響應(yīng)式智能導通裝置工況（以下簡稱“工況二”）下24 h 雜散電流相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖4 響應(yīng)式智能導通裝置

3.1 測試方案

工況一、工況二雜散電流測試數(shù)據(jù)如表1 所示。監(jiān)測過程中，保證測量點的電壓、電流信號同步監(jiān)測。監(jiān)測時長不小于24 h。

表1 測試數(shù)據(jù)

咽喉區(qū)電壓、電流及停車場電位梯度測試點位布置分別如圖5、圖6 所示。

圖5 咽喉區(qū)電壓、電流測試點位布置

圖6 地電位梯度測試點位布置

3.2 測試結(jié)果分析

3.2.1 工況一咽喉區(qū)電流、電壓實測結(jié)果分析

停車場單導電流波形如圖7 所示，電流由停車場流向正線方向為正，由正線流向停車場為負。在11 月14 日0—24 時的測試時間段，上行電流最大值為505.7 A，最小值為-8.01 A，下行電流最大值為1 043 A，最小值為-483.2 A。咽喉區(qū)上行、下行正線及場段鋼軌電位波形如圖8、圖9 所示。

圖7 停車場單導電流

圖8 上行正線及場段鋼軌電位

圖9 下行正線及場段鋼軌電位

綜合統(tǒng)計鋼軌電位以及單導電流數(shù)據(jù)見表2。

表2 工況一 咽喉區(qū)鋼軌電位及單導電流數(shù)據(jù)

由圖7～圖9 以及表2 可以看出，即使沒有列車駛?cè)牖蝰偝鐾＼噲?，單向?qū)ㄑb置仍然會導通，導通時間較長。測試數(shù)據(jù)顯示，11 月14 日上行單導總導通時長為9 856.4 s（約2.74 h），下行單導總導通時長為2 0671.5 s（約5.74 h）。二極管支路導通次數(shù)多，最大通過電流約1 043 A，下行單導晶閘管支路也頻繁導通，最大通過電流約483 A。

上、下行正線及庫前鋼軌電位波形一致，其波動與電流波動時刻保持一致，證明單導導通時正線鋼軌電位通過單導侵入停車場。據(jù)運營人員統(tǒng)計，紅星路停車場OVPD 當天處于長時接地狀態(tài)。

3.2.2 工況二咽喉區(qū)電流、電壓實測結(jié)果分析

停車場單導電流波形如圖10 所示，其中由停車場流向正線為正，由正線流向停車場為負。在11 月07 日0—24 時的測試時間段，上行電流最大值為506.8 A，最小值為-653 A，下行電流最大值為455.6 A，最小值為-336.7 A。咽喉區(qū)上行、下行正線及場段鋼軌電位波形如圖11、圖12 所示。

圖10 停車場單導電流

圖11 上行正線和場段鋼軌電位

圖12 咽喉區(qū)下行正線和場段鋼軌電位

綜合統(tǒng)計鋼軌電位以及單導電流數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 工況二 咽喉區(qū)鋼軌電位以及單導電流數(shù)據(jù)

由圖10～圖12 以及表3 可以看出，響應(yīng)式智能導通裝置僅在列車通過時導通，導通時長大幅減小。測試數(shù)據(jù)顯示：11 月7 日上行單導總導通時長為247.2 s，下行單導總導通時長為395.2 s，上下行咽喉區(qū)導通平均時長較工況一下降97.8%；咽喉區(qū)電流通過量大幅減小，導通最大電流幅值為653 A，小于工況一單導最大導通電流1 043 A，咽喉區(qū)流過電流幅值較工況一也明顯減小。

上、下行正線及場段鋼軌電位波形不一致，場段鋼軌電位平均值明顯低于正線鋼軌電位平均值，響應(yīng)式智能導通裝置阻斷了正線鋼軌電位侵入場段路徑，據(jù)運營統(tǒng)計數(shù)據(jù)，響應(yīng)式智能導通裝置工況下（11 月7—13 日），OVPD 未發(fā)生動作，場段鋼軌電位問題顯著改善。

3.2.3 地電位梯度實測結(jié)果分析

紅星路停車場場內(nèi)1 號監(jiān)測點（圖6）工況一（11 月14 日）、工況二（11 月7 日）24 h 地電位梯度監(jiān)測情況如圖13 所示。

圖13 1 號監(jiān)測點地電位梯度波形

工況一 東西、南北方向地電位梯度均在23：00—次日1：00、9：30—14：30、15：30—16：30 出現(xiàn)峰值，由于既有單向?qū)ㄑb置電流在這3個時間段出現(xiàn)峰值（圖7），證明單向?qū)ㄑb置中的導通電流是導致停車場附近地電位梯度升高的主要原因。

工況二 東西、南北方向在23：00—次日1：00 出現(xiàn)峰值，應(yīng)是車輛駛?cè)胪＼噲鰞?nèi)，造成該時段地電位梯度出現(xiàn)峰值，在其余時段，通過響應(yīng)式導通裝置電流大幅減小，地電位梯度均小于2.5 mV/m。證明響應(yīng)式智能導通裝置能夠改善停車場附近地電位梯度，但是地電位梯度仍受周圍地鐵線路正線泄漏的雜散電流影響。

按照場內(nèi)1 號監(jiān)測點方法，完成工況一、工況二場外2、3 號監(jiān)測點（圖6）東西、南北方向地電位梯度測試，取早高峰、平峰、晚高峰、低峰的平均值得出地電位梯度模值及方向如表4 所示。

表4 地電位梯度值匯總 mV/m

由表4 可知，單向?qū)ㄑb置工況下3 個檢測點位地電位梯度分別為4.38、4.60、5.04 mV/m，響應(yīng)式智能導通裝置工況下3 個檢測點位地電位梯度分別為1.69、3.27、3.01 mV/m，3 個點位平均地電位梯度下降約43%，雜散電流影響程度一般。

4 結(jié)語

針對既有單向?qū)ㄑb置為正線雜散電流泄漏后流回場段再流回正線提供通路問題，采用響應(yīng)式智能導通裝置方案對成都地鐵紅星路停車場進行試點改造，實現(xiàn)無列車通過時場段與正線之間完全斷開，阻斷場段與正線雜散電流路徑。本次雜散電流防護試點改造主要結(jié)論如下：

（1）相比采用傳統(tǒng)單向?qū)ㄑb置，采用響應(yīng)式智能導通裝置后，正線與停車場導通次數(shù)與導通時間顯著下降，有效降低停車場雜散電流泄漏；

（2）單向?qū)ㄑb置流過的電流和停車場地電位梯度之間峰值出現(xiàn)時間同步，存在較強的相關(guān)性。響應(yīng)式智能導通裝置除出現(xiàn)個別電流峰值外基本沒有導通，地電位梯度同步減小，響應(yīng)式智能導通裝置通過電流已不是影響場段地電位梯度的主要因素；

（3）采用響應(yīng)式智能導通裝置顯著改善了場段鋼軌電位異常問題及雜散電流泄漏水平，改造后，紅星路停車場地電位梯度分布仍受1 號線正線及鄰近線路雜散電流干擾。

（4）改善城市軌道交通線路直流干擾情況應(yīng)從場段咽喉區(qū)單相導通裝置的改造和正線鋼軌對地絕緣的提高兩方面著手。