鋼軌電位偏高的整治及測試驗證分析

羅亞敏

（廣州地鐵總公司運營總部，510380，廣州∥工程師）

地鐵運營線路列車牽引采用直流1 500 V 供電系統，其負極回路通過鋼軌回流到電源負極。由于運行電流和短路電流的存在，可能會引起負回流回路和大地間產生超出安全許可的接觸電壓。軌電位限制裝置是為了保證檢修人員的人身安全而設置的，當鋼軌電位異常升高時，軌電位限制裝置合閘，以降低鋼軌電位。但是鋼軌電位限制裝置長期頻繁動作或合閘會給軌行區的設備帶來不好的影響，可能造成一定的電化學腐蝕，會銹蝕鋼筋等結構，威脅地鐵的運營安全。為此，本文就如何有效地降低鋼軌電壓并驗證其整治效果作一探討。

1 鋼軌電位偏高的原因分析

電流通路是直流牽引系統與交流牽引系統的最大區別之一。直流牽引系統的回流子系統必須考慮雜散電流對結構鋼筋及沿線金屬管線的電腐蝕。為此，直流牽引系統的鋼軌全部采用絕緣安裝方式。直流牽引系統的理想電流通路如圖1所示。從圖1可知，在正常情況下的電流通路如下：直流正母線→接觸網→列車→回流軌→負母線，少許泄漏電流通過大地回路回到直流電源負極。

圖1 直流牽引系統電流通路示意圖

走行軌作為回流通路的主干線，正線單根鋼軌的電阻值約為30 mΩ／km，當合理設置均流電纜后，此電阻值將減小，一般小于20 mΩ／km。若忽略其他因素，則3 000 A 的電流引起的鋼軌壓降也僅有60 V／km，這一電壓水平小于軌電位限制裝置的動作設定值。

由于回流通路中存在許多接續頭，例如，鋼軌魚尾板跳線連接處、道岔的回流跳線連接處、回流電纜與鋼軌的連接處、回流電纜與回流箱母排及負極柜的連接處等。當接頭處采用螺栓連接時，接頭處的電阻很大程度上取決于緊固外力的大小；當接頭處采用漲釘連接時，接頭處的電阻又取決于漲釘與鋼軌的密貼程度。因此，采用上述連接方案其可靠程度并不可控，特別是電纜與鋼軌的連接處，若采用漲釘連接或螺栓連接時，由于鋼軌與電纜端子頭并不能實現完全密貼安裝，盡管在初始安裝階段通過對接觸面的除銹處理可起到降低接觸電阻的作用，但隨著時間的推移，接觸面處鋼軌銹蝕程度逐步加重，該處的接觸電阻也將逐步增加，嚴重時可以達到歐姆級，遠大于回流鋼軌電阻。而直流牽引回路的電流一般均在1 000 A 以上，因此，在接觸電阻較大的點處，其電壓極為可觀，這是引起鋼軌電位升高的主要原因。

2 整改措施

本文對鋼軌電位過高的整治主要是在既有線路絕緣性能一定的情況下，從降低負回流回路電阻方面進行改進，通過增加回流電纜、均流電纜及鋼軌接續電纜以達到增大通流能力、降低回路電阻，從而降低軌電位的目的。其整改措施如下：

1）減少負回流子系統的回流電阻，增加各類線纜通流能力

2）增加均流電纜：在降壓所車站兩端上下行之間的均流電纜，其數量、截面應大于牽引所車站的設置。在長大區段，須按規定的間隔距離設置上下行鋼軌間的均流電纜。在牽引所處，除負極電纜作為均流電纜外，車站兩端上下行間單獨設置均流電纜。

3）應采取有效措施，例如，增加接續電纜數量、加增截面等以減少鋼軌接頭處的電阻，嚴格控制鋼軌單位長度電阻值。

4）對目前電焊機的焊接方式，存在接觸電阻大、容易出現虛焊、焊接質量差異大、不易檢測焊接質量等問題。可在鋼軌上預設電纜轉接銅母排，用于各類回流子系統電纜的連接。

現選取廣州地鐵8號線琶洲—萬勝圍區段為試驗段，并采取了以下整改措施：

1）在鋼軌接頭處，增加2×150 mm2接續電纜，以加大通流截面積。

2）在道岔尖軌區段、岔心區段，采用2×150 mm2的跳線電纜。

3）在長大線路區段或單連供電區段，另行敷設回流電纜與鋼軌并聯，以減少負回流回路電阻。

4）在每個車站兩端的上下行線路間，除鋼軌電位裝置連接電纜、道岔接續電纜外，須設置獨立的上下行間直接相連的（不經過變電所鋼軌電位、負極母排等設備）均流電纜。

3 整治效果的驗證

3.1 試驗方案

為驗證整治后效果如何，在非運營期間，采用2列電客車在萬勝圍—琶洲區段上下行線同時以100%牽引力達到最大牽引取流，模擬該區段運營時最大供電負荷情景（見圖2）。

在采取整改措施前后，2列電客車在萬勝圍—琶洲區段上下行線同時以100%牽引力最大牽引取流在最短時間內將運行速度提升到80 km／h，并來回運行各三次。對采取整改措施前后在變電所內收集到的同一站點鋼軌電位進行比對，以得出測試結果。

圖2 運行線路圖

3.2 測試結果分析

鋼軌電位測試數據如表1所示。

表1 鋼軌電位測試數據表 V

直流饋線開關電流電壓測量結果如表2所示。

表2 整改措施實施前后琶洲變電所直流饋線開關電流電壓測量結果表

如表1所示，琶洲站在整改措施實施前后鋼軌電位變化不明顯，最大值相差不超過5 V，平均值相差不超過1 V；萬勝圍站在整改措施實施后鋼軌電位最大值下降約6 V，平均值下降較明顯，約為20 V 左右。同時在整改措施實施前、后通過示波器測量直流饋線開關的電流電壓，2 列車后211、212直流饋線開關取流情況無明顯差異，說明整改措施實施前、后列車取流情況基本一致。

測試數據顯示：采用整改措施后萬勝圍站的鋼軌電位值有所下降，但鋼軌電位平均值有明顯改善；對琶洲站的效果微弱。

4 結語

鋼軌電位限制裝置電壓偏高屬于軌道交通直流牽引的一個技術難題，其成因相對比較復雜，涉及到列車牽引負荷電流、鋼軌電阻、鋼軌相關負回流設備絕緣等因素。從以上驗證測試來看，采用整改措施后鋼軌電位有所降低，但還需作進一步的改進研究。

［1］董文敏，何文繼.城市軌道交通鋼軌電阻測量及電耗研究［J］.城市軌道交通研究，2002（2）：47.