高導電率地質區(qū)間地鐵雜散電流控制技術研究

摘要：國內城市軌道交通大多采用直流系統(tǒng)供電，機車運行時會產生雜散電流。鋼軌電位和雜散電流問題已然成為城市軌道交通的頑疾和通病，尤其是在高導電率地質和地下管線分布復雜的區(qū)間，雜散電流更加彌散，當有強電極作用時，該區(qū)域的雜散電流會呈現(xiàn)有規(guī)律的流動，將對輸油管線、燃氣管線、自來水管線、國網(wǎng)變電站等造成不良沖擊影響。鑒于此，通過分析國內某地鐵線路高導電率地質和復雜管線區(qū)間軌道電阻和雜散電流收集效果，來控制過多的雜散電流對該區(qū)域附近交流供電系統(tǒng)的影響。

關鍵詞：雜散電流;均回流;高導電率

中圖分類號：U223.8? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）11-0085-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.11.022

0? ? 引言

雜散電流的產生源于鋼軌自身固有的阻抗特性，且無法從材料和工藝解決鋼軌與大地的完全絕緣問題，因此，雜散電流大量泄漏至大地[1]。本文通過分析國內某地鐵線路高導電率地質和復雜管線區(qū)間軌道電阻和雜散電流收集效果，來控制過多的雜散電流對該區(qū)域附近交流供電系統(tǒng)的影響。

1? ? 高導電率地質區(qū)間對附近交流供電系統(tǒng)的影響

該地鐵線路自開通運營初期起，在某一個區(qū)間軌電位值一直偏高，保護裝置頻繁動作，向大地散去的雜散電流泄漏值偏大。與此同時，該區(qū)間附近的一座國網(wǎng)220 kV變電站工作人員經(jīng)觀測發(fā)現(xiàn)，自線路運行以來，主變偏磁一直超標，尤其是在列車開行經(jīng)過該區(qū)段的時候偏高數(shù)倍。經(jīng)分析原因是泄漏的雜散電流通過特殊路徑竄入國網(wǎng)220 kV變電站接地中性點，直流分量超標，導致變電站主變壓器偏磁超標。

如圖1所示，對該區(qū)間周圍地質條件進行調查發(fā)現(xiàn)，該區(qū)間線路縱向有兩條支干河流包圍，土質富水且松軟，地下有多條燃氣管道、給水管道橫穿，區(qū)間地鐵隧道設計埋深為地下9 m，而國網(wǎng)變電站位于支干河流交叉位置。

以上調查情況表明，在高導電率地質和復雜管線區(qū)間的地鐵雜散電流采用一般的防護措施作用不明顯。為解決此問題，下文主要從區(qū)間軌道電阻和雜散電流收集效果來分析如何加強雜散電流控制[2]。

2? ? 區(qū)間鋼軌縱向電阻和過渡電阻的測試分析

過往研究表明，過渡電阻是影響雜散電流泄漏程度的最關鍵因素，是考察軌道絕緣的重要參數(shù)。CJJ 49—1992《地鐵雜散電流腐蝕防護技術規(guī)程》規(guī)定：“走行軌與隧道主體結構鋼之間的過渡電阻，新建地鐵不應小于15 Ω·km，已運營地鐵不應小于3 Ω·km?！币话阏J為，在過渡電阻大于15 Ω·km時，雜散電流分布曲線幾乎沒什么變化;在過渡電阻大于3 Ω·km時，雜散電流分布曲線近似于直線，增幅較小;當過渡電阻小于3 Ω·km時，雜散電流分布曲線變化劇烈;當過渡電阻小于0.5 Ω·km后，雜散電流將泄漏嚴重，必須采取有效措施進行處理[3]。

鋼軌的電阻直接影響鋼軌電位的高低和雜散電流的泄漏程度，而鋼軌縱向電阻測試是過渡電阻測試的基礎[4]，因此首先對該區(qū)間鋼軌縱向電阻進行測試。線路軌道為60 kg規(guī)格的鋼軌，Rc=29.11×10-3 Ω/km。由于鋼軌無縫焊接工藝等的影響，實際通過焊接連接后的鋼軌縱向直流電阻均大于這一數(shù)值，一般在 37×10-3 Ω/km左右，由于均回流電纜等因素的影響和條件限制，直接進行軌道電阻測量比較困難，一般是采用伏安法進行測試[5]。

R10m=（1）

式中：R10m為單位長度10 m的軌道A段的縱向電阻，軌道B段類似;I為測試流入的電流;Uon、Uoff為軌道A/B段有無電流時的壓降。

采用此方法對該區(qū)間橫跨的高導電率地質和復雜管線區(qū)段1 060 m進行了測試，選擇相鄰的兩條10 m無縫鋼軌連續(xù)測量，以此測量計算數(shù)據(jù)平均值近似表示整個區(qū)段的鋼軌縱向電阻。

表1顯示，在橫跨高導電率地質區(qū)的區(qū)間內，相鄰兩條鋼軌正極性測試的縱向電阻為28.514×10-3 Ω/km和28.402×10-3 Ω/km，負極性測試的結果為28.667×10-3 Ω/km和28.475×10-3 Ω/km，測量得到的鋼軌縱向電阻平均值為28.515×10-3 Ω/km。從測試結果可以發(fā)現(xiàn)，鋼軌縱向平均值略低于標準鋼軌電阻值。

進一步地，根據(jù)已測得的區(qū)段鋼軌縱向電阻值，采用圖2、圖3所示過渡電阻接線原理和接線方法[6]，測量計算區(qū)段過渡電阻。準備直流電源HLY-200C智能回路電阻測試儀1臺;毫伏電壓表3塊，串接在鋼軌和直流電源之間，分別選在測試區(qū)段首尾各1 m位置和區(qū)段中點位置;電流表1塊，檢測直流電源輸出電流。

測試區(qū)間過渡電阻RL計算公式為：

RL=（2）

式中：I為測試流入的電流;IA、IB分別為流進A和B端的電流;L為測量部分的長度;ΔUT為進入軌道時軌道與隧道間的電壓;ΔUTA、ΔUTB分別為A端和B端軌道與隧道間的電壓。

表2所述電流為接觸電阻測試儀上的輸出電流，U1A和U2A分別是測量區(qū)段首尾兩段1 m長位置電壓水平，毫伏表測試的是過渡電壓值。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算，測試區(qū)間的軌道—主排流網(wǎng)的過渡電阻約為22.862 5 Ω·km。從測試結果可以發(fā)現(xiàn)，該區(qū)段過渡電阻大于新建線路15 Ω·km的標準。

從上述兩項測試結果來看，該高導電率地質和復雜管線地鐵區(qū)間與普通區(qū)段的數(shù)值相差不大，證明常規(guī)的阻值標準無法滿足該區(qū)段雜散電流的控制，下一步須采取相應措施提升區(qū)段鋼軌過渡電阻水平，加強雜散電流收集水平。

3? ? 提升鋼軌過渡電阻和雜散電流收集水平

對于提升鋼軌過渡電阻，在該區(qū)段1.06 km范圍內采取了優(yōu)化采用硅基絕緣納米復合絕緣墊片替換現(xiàn)有普通墊片、軌枕絕緣處理、絕緣墊塊外延尺寸不小于20 mm、設置絕緣套靴、道床下面鋪設耐久性絕緣層或素混凝土、鋼軌底面離道床面不小于30 mm等措施[7]。

對于雜散電流收集水平的提升，關鍵點在于如何使直流電機產生的經(jīng)過鋼軌流出的雜散電流更多地通過電阻最小的路徑匯流到兩端車站變電所內排流設備內。一般而言，在車站區(qū)間兩端的排流端子與鋼筋結構網(wǎng)相連接，鋼軌的雜散電流在車站端收集。現(xiàn)將整區(qū)段的鋼軌以每300 m疏散通道為分隔，用2×150 mm2的低壓電纜連續(xù)串聯(lián)連接，以保證絕大部分直流電車通過時產生的雜散電流由鋼軌流通轉變?yōu)橥ㄟ^電纜流通，提升雜散電流的收集水平。具體實施方法如圖4所示。

如圖5所示，區(qū)間增設雜散均流電纜，實際現(xiàn)場與實施對策保持一致，即在單邊釬焊一塊4孔母線排，另一邊釬焊一塊2孔母線排，兩根2×150 mm2的低壓電纜將左右兩軌串接，在4孔母線排連接兩根300 mm2的低壓電纜與變電所內軌電位柜相連。

上述鋼軌過渡電阻提升和雜散電流收集措施實施后，再一次對該高導電率地質和復雜管線地鐵區(qū)間進行了測試，結果如表3所示。

根據(jù)測量試驗數(shù)據(jù)計算，測試區(qū)間的軌道—主排流網(wǎng)的過渡電阻約為36.559 Ω·km，較之前有較大的提升。

經(jīng)附近國網(wǎng)變電站監(jiān)測人員監(jiān)控變壓器偏磁狀態(tài)，雜散電流泄漏排查及治理取得了階段性成果，對國網(wǎng)變電所的電流干擾已控制在標準范圍內，取得了國網(wǎng)相關部門認可。

4? ? 高導電率地質和復雜管線位置雜散電流加強控制建議

1）研發(fā)出軌道交通用軌道絕緣技術。地鐵牽引一般以直流方式供電，現(xiàn)有設計中雖然對支撐鋼軌的扣件系統(tǒng)進行了絕緣處理，但對地仍然無法做到完全絕緣，尤其是扣件在臟污、潮濕狀態(tài)下絕緣性能將受到影響。當牽引電流流經(jīng)鋼軌時會在其與大地之間形成電位差，導致部分牽引電流進入大地，進而對軌道周圍的部分金屬構件產生電化學腐蝕。鑒于此，有必要研究提高軌道絕緣性能的技術措施，以增大鋼軌對地電阻[8]。

2）研究第四軌回流技術在線網(wǎng)的適用性。采用專用回流通路，不利用走行軌回流，可以從根本上解決走行軌回流所產生的雜散電流及其危害，并可以不再限制走行軌電位，采用專用回流軌將不用考慮雜散電流腐蝕影響[9]。

3）研制雜散電流便攜式檢測系統(tǒng)。研制城市軌道交通雜散電流便攜式檢測系統(tǒng)，通過實時檢測金屬極化電位、鋼軌電位和過渡電阻等指標，從數(shù)據(jù)關聯(lián)的角度實現(xiàn)雜散電流異常狀態(tài)的判定和報警，有利于維護地鐵運行及線路周圍建筑的安全。

4）提出城市軌道交通回流系統(tǒng)廣域安全監(jiān)測系統(tǒng)理念。對線路運營時，全線廣域范圍內軌道泄漏電流、絕緣電阻進行連續(xù)在線監(jiān)測，可為回流系統(tǒng)運營安全狀態(tài)判斷提供直接數(shù)據(jù)支撐，監(jiān)測供電區(qū)間不同監(jiān)測區(qū)段的泄漏電流、電流泄漏比例、過渡電阻、鋼軌電位等回流安全直接相關的參數(shù)，能夠反映系統(tǒng)供電安全情況[10]。

5? ? 結束語

根據(jù)對高導電率地質和復雜管線位置地鐵區(qū)間雜散電流對外部交流供電系統(tǒng)的影響測試，結合本文研究，采取提升區(qū)段鋼軌過渡電阻水平和加強雜散電流收集水平措施，解決了該區(qū)段的問題。根據(jù)雜散電流加強控制建議開展下一步研究，可以從地鐵內部解決當前城軌供電系統(tǒng)鋼軌電位與雜散電流控制的難題。

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收稿日期：2024-02-27

作者簡介：曹原（1996—），男，江西贛州人，工程師，項目總工程師/中交協(xié)青年科技創(chuàng)新成員，從事軌道交通牽引供電系統(tǒng)的研究工作。