南京地鐵大勝關橋與國鐵交流系統(tǒng)共地方案分析

羅利平

（中鐵上海設計院集團有限公司，200070，上海∥高級工程師）

南京地鐵12號線經(jīng)由大勝關長江大橋過江，與國鐵京滬鐵路客運專線、滬漢蓉專線合建并共橋面運行。合建部分分為三段：北引橋，主橋，南引橋；長度分別為1.202 4 km、1.615 0 km、0.856 6 km，共計3.674 km。主橋為6線鋼結構橋梁，引橋區(qū)段為混凝土預制箱梁。京滬高速鐵路、滬漢蓉客運專線以及南京地鐵12號線均在橋上共橋面通過。地鐵進入配合時大橋主體已經(jīng)施工完畢。

就常規(guī)而言，國鐵交流系統(tǒng)的“地”和地鐵直流系統(tǒng)的“地”各行其道，互不相關，相互間也不會形成影響。但大勝關橋為國鐵和地鐵并行線路段，而且主橋區(qū)段已建成，因此，地鐵直流系統(tǒng)的“地”和國鐵交流系統(tǒng)的“地”通過此鋼結構橋形成了自然共地。國鐵與地鐵在同橋上并行在國內(nèi)尚屬首例，無經(jīng)驗可參考。本文主要探討國鐵交流系統(tǒng)的“地”和地鐵直流系統(tǒng)的“地”能否共地，共地后有何影響。

1 國鐵、地鐵供電系統(tǒng)與“地”的關系

使用架空接觸網(wǎng)供電，走行鋼軌作為回流回路是大勝關橋交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)的共同特點，但是，兩個系統(tǒng)的接地和連接方法卻有著本質(zhì)的不同。

國鐵采用交流27.5kV或2×27.5kV供電，直接牽引接地形式。交流系統(tǒng)的供電臂一般長達20km，其鋼軌電位比直流1 500V（其供電臂一般不超過4km）系統(tǒng)明顯要高很多，哪怕其運行電流很小。因此，為將鋼軌電位限制在可接受的范圍內(nèi)，必需將回流回路進行接地；加上感性耦合作用，大地與鋼軌一樣也作為交流系統(tǒng)的回流通路，大地回流電流最大可為牽引電流的1／3。

南京地鐵為直流系統(tǒng)，采用直流1 500V供電，開放式牽引接地形式。其鋼軌作為回流通路，通過短路裝置與大地連接。在直流牽引系統(tǒng)中，流經(jīng)大地的電流會產(chǎn)生危險的雜散電流腐蝕，所以必需減少這部分回流。因此，鋼軌必需與大地保證良好的絕緣，以盡可能避免雜散電流的產(chǎn)生。

2 絕緣地可行性分析

國鐵交流系統(tǒng)的“地”和地鐵直流系統(tǒng)的“地”實現(xiàn)相互絕緣，就是為了保證兩個系統(tǒng)的獨立運行，從而避免兩個系統(tǒng)間的相互干擾。在已經(jīng)完成土建實施的大勝關6線鋼結構橋共線路段，實現(xiàn)直流系統(tǒng)“地”和交流系統(tǒng)“地”的絕緣（以下簡稱絕緣地），形成各自獨立的供電系統(tǒng)措施如下。

2.1 完全絕緣

首先是從土建上來考慮形成完全絕緣方案。由于鋼橋已經(jīng)建成，沒有考慮任何隔離措施，因此要將國鐵的“地”和地鐵的“地”分開，必需在現(xiàn)有基礎上加一層絕緣材料。即在鋼結構橋橋面和與國鐵的分界側面分隔處敷設一層絕緣材料，然后將地鐵所有的設備和材料均安裝在此上面，讓直流地和交流地完全分隔開來。

2.2 局部絕緣

其次可考慮采取局部絕緣措施。即：凡跟直流地有關的設備材料考慮采用絕緣安裝。因此，如要實現(xiàn)絕緣地，首先必須保證接觸網(wǎng)支柱或支撐安裝裝置在鋼橋上絕緣安裝，因為接觸網(wǎng)支柱或支撐安裝裝置是與架空地線連在一起的；其次要保證電纜支架上全線貫通的接地扁鋼絕緣安裝，因為沿線所有設備材料的保護地均接在此直流地的接地扁鋼上。

模糊決策采用 Mamdani推理法進行，現(xiàn)以XOZ平面上的偏移量與偏移變化量為例進行介紹。基于上文制定好的模糊控制規(guī)則，令偏移εXOZ=Ai,偏移改變量ΔεXOZ=Bj，液壓缸壓力差ΔPXOZ1=Cij(其中， i、j=1、2、…、7，i、j分別為模糊控制規(guī)則的行、列數(shù))，則總的模糊關系R可由49個模糊關系按下式計算得到：

2.3 絕緣地導致的問題

1）雜散電流問題。采用完全絕緣地方案，有利于雜散電流防護，只要絕緣材料足夠好，形成的電阻值足夠大，理論上地鐵的回流電流一旦從鋼軌泄漏至地，也不會穿透這層絕緣材料，雜散電流就不會迷散，當然也不會形成腐蝕。采用局部絕緣地方案與共地方案相同，由于運營環(huán)境及其它方面的限制，走行軌不可能完全絕緣于安裝的結構，因此牽引回流電流不可避免地經(jīng)走行軌向其它結構泄漏而產(chǎn)生雜散電流。相對共地方案來說，完全絕緣地方案的雜散電流泄漏量會減少很多。

2）人身安全問題。如采用完全絕緣，主鋼橋全長1.615km，全程敷設一層絕緣材料，不僅增加大量投資，而且絕緣材料老化后易形成擊穿。一旦交流系統(tǒng)短路，交流地和直流地之間電流至少高達幾千安培。如絕緣薄弱處被擊穿，或某處已形成通路，就可能在兩個系統(tǒng)間產(chǎn)生很高的可接近電壓，直接危及地鐵維修人員的生命安全。這與“安全為先”的設計理念是相矛盾的。

如采用局部絕緣，在鋼橋區(qū)段地鐵系統(tǒng)同時存在直流地和交流地，兩“地”間必然會存在電位差，一旦形成通路，超過可接觸電壓，會造成不良后果。

3）絕緣壽命及維護問題。根據(jù)目前市場調(diào)查，絕緣材料的壽命一般不會超過30年。因為絕緣材料的壽命不僅跟本身耐熱等級有關，更重要的是使用條件。而敷設在大勝關橋上，除遭受日曬雨淋外，還需承受劇烈的振動和國鐵高速帶來的疾風，因此其壽命更不可期；況且30年后在不影響運營的情況下又不易更換（因為所有設備材料包括鋼軌均安裝在絕緣材料上面）。因此，就算初近期做到了絕緣地，遠期也難以實現(xiàn)。這與大勝關橋百年大計相沖突。

相對完全絕緣，局部絕緣方案使用的絕緣材料少，也便于更換，有利于今后的維護運營，但如何保證大量的接觸網(wǎng)安裝裝置的絕緣安裝，與絕緣材料如何配何好，又成了一個新的問題。如果接觸網(wǎng)的安裝裝置不能實現(xiàn)與交流地的絕緣，那么局部絕緣就無法實現(xiàn)。

4）泄漏通道問題。接觸網(wǎng)在絕緣材料上進行絕緣安裝后，接觸網(wǎng)架空地線與接觸網(wǎng)支柱或其它接地端需連接，并間隔一段與直流地聯(lián)接。因此，如果考慮采取絕緣地，還必需在絕緣材料上面新建一個接地系統(tǒng)，或新增對交流地的瞬間等電位連接設備，否則主鋼橋上沒有了直流系統(tǒng)的大地回路，無法象常規(guī)一樣接地，架空地線只能每隔一定距離與直流系統(tǒng)全線貫通的接地線相連。這種情況下一旦遭受雷擊，泄漏通道非常長，不利于雷電保護。如新增瞬間等電位連接器，但在什么沖擊電壓下讓其連通、間隔多少米連通一次等問題，在國內(nèi)尚無實施案例，需有待研究和測試。

因此基于人身、設備安全考慮，已經(jīng)實施的大勝關橋不建議采用直流地與交流地絕緣的方案。

3 共地方案可行性分析

由前述可知，國鐵接地系統(tǒng)與地鐵接地系統(tǒng)的目的及要求不同，將兩者相連，形成共地，必須研究其對兩個系統(tǒng)的設備絕緣、軌電位以及雜散電流等方面的影響進行分析。

3.1 雜散電流問題

交、直流系統(tǒng)共地后，直流對交流系統(tǒng)的影響主要就是直流系統(tǒng)導致的雜散電流腐蝕的問題。眾所周知，直流系統(tǒng)的回流電流一旦泄漏到地上，就成為雜散電流；該電流流動方向總是相同的，很容易與電解質(zhì)相接觸的金屬物發(fā)生化學反應。當雜散電流進入金屬構件時，對其不產(chǎn)生腐蝕；而當雜散電流從金屬構件流出至非金屬介質(zhì)時，對其產(chǎn)生腐蝕。對于結構鋼筋，其腐蝕的原理就是鋼筋與其周圍的水泥硅酸鹽發(fā)生電化學反應，鋼筋釋放鐵離子與周圍電解質(zhì)反應生成其它化合物。

因此，為確保交流系統(tǒng)的土建結構安全，采用共地后，如何防止雜散電流的腐蝕就成為非常重要的一個問題。在回流回路中保持較低的縱向電壓降，以及鋼軌與大地的良好絕緣，可有效地限制雜散電流。

對于大勝關橋，在交、直流系統(tǒng)共地后，采取以下措施來防護雜散電流：

首先，采取的就是“堵流”的措施，以從源頭上控制和減小雜散電流泄漏量。即采用合成軌枕、絕緣安裝、加絕緣墊板、涂絕緣漆并設絕緣結等措施。

其次，采取的是加強回流通路，減少鋼梁主橋的雜散電流水平。如主橋絕緣結間加一根并聯(lián)的回流電纜，上下行或同方向鋼軌間增加均流線等，以保持暢通的回流通路。

最后還設置收集網(wǎng)，一旦雜散電流泄漏，通過收集網(wǎng)收集，可基本保證大部分雜散電流的回收。

3.2 軌電位的影響

根據(jù)歐標EN 50122－1，國鐵交流系統(tǒng)的長期安全可按觸電壓為60V，0.1s要允許的短時最大接觸電壓為842V；地鐵直流系統(tǒng)長期安全可按觸電壓為120V，短時最大接觸電壓為660V。

為確保人身安全，地鐵設置軌電位限制裝置。一旦鋼軌電位超過歐標允許長期可接觸電壓120 V，軌電位限制裝置動作，將鋼軌和大地短接起來。國鐵采取等電位聯(lián)接，即根據(jù)60V的安全電壓進行計算，隔一段距離將鋼軌與地進行連接，確保軌電位在可受的范圍內(nèi)。

正常運行時，不考慮電磁感應的影響，各軌電位均滿足設計安全電壓值的要求。一旦國鐵或地鐵發(fā)生短路，可能引起共地的地電位升高，但不一定引起軌電位升高。

大勝關橋合建段長3.674km，而該區(qū)間則長達11.28km，大勝關橋段基本位于區(qū)間中段。在正常運行時，地鐵系統(tǒng)不會有人到大勝關橋段作業(yè)，或運行期間限制人員上橋作業(yè)。因此筆者認為，該區(qū)間軌電位值可適當放寬。如果地鐵系統(tǒng)出現(xiàn)故障，必需上橋作業(yè)，此時此段地鐵系統(tǒng)已經(jīng)停運，需結合國鐵對本線的電磁感應，并考慮國鐵運行期間可能發(fā)生短路，通過計算，將地鐵鋼軌跟接觸網(wǎng)一樣按一定間距掛地線，以確保人身安全。

3.3 絕緣配合的問題

地鐵采用直流1 500V供電，國鐵采用交流27.5kV供電。因此，一旦國鐵某條線路短路，形成大電流高電壓沖擊直流系統(tǒng)時，會造成直流系統(tǒng)的絕緣是否會被擊穿的問題。首先，地鐵供電系統(tǒng)沿線路上敷設安裝的主要設備（接觸網(wǎng)及其安裝的相關零配件和支撐結構等，還有電纜支架）中，除接觸網(wǎng)外，其它的設備均與地是等電位；因此如要考慮絕緣擊穿，首先面臨沖擊的是直流1 500V系統(tǒng)接觸網(wǎng)支撐采用的絕緣子能否耐受27.5kV國鐵系統(tǒng)的短路沖擊。

根據(jù)常規(guī)設計，直流1 500V系統(tǒng)接觸網(wǎng)采用的絕緣子一般設計的干閃電壓是60kV、1min，濕閃是30kV、1min。

假設國鐵27.5kV某條線路短路，形成大電流高電壓沖擊直流系統(tǒng)時，其短路電流（Id）假設為20 kA，綜合接地電阻（R）假設為0.5Ω，入地短路電流分流系數(shù)（K）為0.5，則造成的沖擊電壓U＝K·Id·R＝5kV。就算分流系數(shù)為1，這樣的反沖擊電壓是不會造成地鐵直流系統(tǒng)的絕緣破壞的，因此也不會影響直流系統(tǒng)接觸網(wǎng)的正常運行。

當然，如果國鐵27.5kV長期短路不跳，其自身的設備和系統(tǒng)都會出現(xiàn)問題，何況地鐵。這時地鐵系統(tǒng)可考慮通過軌電位等來設置閉鎖或跳閘。

4 結語

大勝關橋共建段的接地方案對于供電系統(tǒng)及橋梁結構的安全穩(wěn)定運行至關重要，采用共地方案還是絕緣地方案直接影響到所有需在橋上安裝的供電設備材料，處理好“地”的問題才能有助于保證人身設備的安全。

國鐵與地鐵在同橋上并行在國內(nèi)尚屬首例，無經(jīng)驗可參考。筆者只根據(jù)相關理論進行了初步分析，認為在采取相應的防護措施后，共地方案是可行的，而且比絕緣地方案對人身、設備影響更小。目前共地方案已經(jīng)獲得采納并正在實施中。希望通過后續(xù)的檢測對本文的理論作進一步的證明，也希望本文對同類方案分析起到一定的借鑒意義。

[1]KieBling，Puschmann，Schmieder，et al.電氣化鐵道接觸網(wǎng)[M].北京：中國電力出版社，2004.