鋼軌電位偏高的整治及測(cè)試驗(yàn)證分析

羅亞敏

（廣州地鐵總公司運(yùn)營(yíng)總部，510380，廣州∥工程師）

地鐵運(yùn)營(yíng)線路列車(chē)牽引采用直流1 500 V 供電系統(tǒng)，其負(fù)極回路通過(guò)鋼軌回流到電源負(fù)極。由于運(yùn)行電流和短路電流的存在，可能會(huì)引起負(fù)回流回路和大地間產(chǎn)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(shè)置的，當(dāng)鋼軌電位異常升高時(shí)，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(zhǎng)期頻繁動(dòng)作或合閘會(huì)給軌行區(qū)的設(shè)備帶來(lái)不好的影響，可能造成一定的電化學(xué)腐蝕，會(huì)銹蝕鋼筋等結(jié)構(gòu)，威脅地鐵的運(yùn)營(yíng)安全。為此，本文就如何有效地降低鋼軌電壓并驗(yàn)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(tǒng)與交流牽引系統(tǒng)的最大區(qū)別之一。直流牽引系統(tǒng)的回流子系統(tǒng)必須考慮雜散電流對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋及沿線金屬管線的電腐蝕。為此，直流牽引系統(tǒng)的鋼軌全部采用絕緣安裝方式。直流牽引系統(tǒng)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(wǎng)→列車(chē)→回流軌→負(fù)母線，少許泄漏電流通過(guò)大地回路回到直流電源負(fù)極。

圖1 直流牽引系統(tǒng)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(dāng)合理設(shè)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(dòng)作設(shè)定值。

由于回流通路中存在許多接續(xù)頭，例如，鋼軌?mèng)~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(fù)極柜的連接處等。當(dāng)接頭處采用螺栓連接時(shí)，接頭處的電阻很大程度上取決于緊固外力的大小；當(dāng)接頭處采用漲釘連接時(shí)，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(shí)，由于鋼軌與電纜端子頭并不能實(shí)現(xiàn)完全密貼安裝，盡管在初始安裝階段通過(guò)對(duì)接觸面的除銹處理可起到降低接觸電阻的作用，但隨著時(shí)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(yán)重時(shí)可以達(dá)到歐姆級(jí)，遠(yuǎn)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(diǎn)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(duì)鋼軌電位過(guò)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(fù)回流回路電阻方面進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)增加回流電纜、均流電纜及鋼軌接續(xù)電纜以達(dá)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(fù)回流子系統(tǒng)的回流電阻，增加各類(lèi)線纜通流能力

2）增加均流電纜：在降壓所車(chē)站兩端上下行之間的均流電纜，其數(shù)量、截面應(yīng)大于牽引所車(chē)站的設(shè)置。在長(zhǎng)大區(qū)段，須按規(guī)定的間隔距離設(shè)置上下行鋼軌間的均流電纜。在牽引所處，除負(fù)極電纜作為均流電纜外，車(chē)站兩端上下行間單獨(dú)設(shè)置均流電纜。

3）應(yīng)采取有效措施，例如，增加接續(xù)電纜數(shù)量、加增截面等以減少鋼軌接頭處的電阻，嚴(yán)格控制鋼軌單位長(zhǎng)度電阻值。

4）對(duì)目前電焊機(jī)的焊接方式，存在接觸電阻大、容易出現(xiàn)虛焊、焊接質(zhì)量差異大、不易檢測(cè)焊接質(zhì)量等問(wèn)題。可在鋼軌上預(yù)設(shè)電纜轉(zhuǎn)接銅母排，用于各類(lèi)回流子系統(tǒng)電纜的連接。

現(xiàn)選取廣州地鐵8號(hào)線琶洲—萬(wàn)勝?lài)鷧^(qū)段為試驗(yàn)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(xù)電纜，以加大通流截面積。

2）在道岔尖軌區(qū)段、岔心區(qū)段，采用2×150 mm2的跳線電纜。

3）在長(zhǎng)大線路區(qū)段或單連供電區(qū)段，另行敷設(shè)回流電纜與鋼軌并聯(lián)，以減少負(fù)回流回路電阻。

4）在每個(gè)車(chē)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(xù)電纜外，須設(shè)置獨(dú)立的上下行間直接相連的（不經(jīng)過(guò)變電所鋼軌電位、負(fù)極母排等設(shè)備）均流電纜。

3 整治效果的驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證整治后效果如何，在非運(yùn)營(yíng)期間，采用2列電客車(chē)在萬(wàn)勝?lài)弥迏^(qū)段上下行線同時(shí)以100%牽引力達(dá)到最大牽引取流，模擬該區(qū)段運(yùn)營(yíng)時(shí)最大供電負(fù)荷情景（見(jiàn)圖2）。

在采取整改措施前后，2列電客車(chē)在萬(wàn)勝?lài)弥迏^(qū)段上下行線同時(shí)以100%牽引力最大牽引取流在最短時(shí)間內(nèi)將運(yùn)行速度提升到80 km／h，并來(lái)回運(yùn)行各三次。對(duì)采取整改措施前后在變電所內(nèi)收集到的同一站點(diǎn)鋼軌電位進(jìn)行比對(duì)，以得出測(cè)試結(jié)果。

圖2 運(yùn)行線路圖

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

鋼軌電位測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 鋼軌電位測(cè)試數(shù)據(jù)表 V

直流饋線開(kāi)關(guān)電流電壓測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 整改措施實(shí)施前后琶洲變電所直流饋線開(kāi)關(guān)電流電壓測(cè)量結(jié)果表

如表1所示，琶洲站在整改措施實(shí)施前后鋼軌電位變化不明顯，最大值相差不超過(guò)5 V，平均值相差不超過(guò)1 V；萬(wàn)勝?lài)驹谡拇胧?shí)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(shí)在整改措施實(shí)施前、后通過(guò)示波器測(cè)量直流饋線開(kāi)關(guān)的電流電壓，2 列車(chē)后211、212直流饋線開(kāi)關(guān)取流情況無(wú)明顯差異，說(shuō)明整改措施實(shí)施前、后列車(chē)取流情況基本一致。

測(cè)試數(shù)據(jù)顯示：采用整改措施后萬(wàn)勝?lài)镜匿撥夒娢恢涤兴陆担撥夒娢黄骄涤忻黠@改善；對(duì)琶洲站的效果微弱。

4 結(jié)語(yǔ)

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(gè)技術(shù)難題，其成因相對(duì)比較復(fù)雜，涉及到列車(chē)牽引負(fù)荷電流、鋼軌電阻、鋼軌相關(guān)負(fù)回流設(shè)備絕緣等因素。從以上驗(yàn)證測(cè)試來(lái)看，采用整改措施后鋼軌電位有所降低，但還需作進(jìn)一步的改進(jìn)研究。

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