單向導通裝置對雜散電流的影響分析

劉建華 沈松偉 周明平 王浩先

(1. 中國礦業大學 江蘇徐州 221008； 2. 徐州和緯信電科技有限公司 江蘇徐州 221100)

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單向導通裝置對雜散電流的影響分析

劉建華1沈松偉1周明平1王浩先2

(1. 中國礦業大學 江蘇徐州 221008； 2. 徐州和緯信電科技有限公司 江蘇徐州 221100)

在地鐵運行過程中，雜散電流對鋼軌和附近管道的影響很大,尤其是在車輛段、隧道等特殊區域，單向導通裝置可以有效減少這些區域的雜散電流。介紹雜散電流和單向導通裝置，分析單向導通裝置的安裝原理，將數據記錄儀一端接鋼軌，另一端接大地，測試絕緣節附近的軌地電壓，采集單向導通裝置電流并對采集數據進行分析，發現在車輛段不管是否有車通過都有雜散電流和鋼軌電位的存在，這種現象表明在地鐵運行中要注意這部分雜散電流和鋼軌電位，避開危險電流、高鋼軌電壓，注意人身安全。

城市軌道交通；雜散電流；單向導通裝置；鋼軌電壓；數據分析

隨著社會的發展，城市規模越來越大，城市人口也持續增多，為了緩解交通壓力，越來越多的城市選擇建造地鐵[1]，但是在地鐵的運行中發現，地鐵結構鋼筋和附近金屬管道經常受到雜散電流的影響。雜散電流從走行軌漏出后，經由地鐵的道床流入大地,再經過大地流回到鋼軌回流點。若地鐵附近有導電性能較好的埋地金屬管線，一部分雜散電流會把電阻率比較低的埋地金屬管線作為流通路徑，在變電所附近從金屬管線中流出，然后再流回變電所，使金屬體遭受電化學腐蝕[2-3]。在車輛段、隧道等特殊地方雜散電流會更大，為了消除或者減少雜散電流的影響，在車輛段等地方安置了單向導通裝置，用來減少被保護區段的雜散電流，從而減少其對結構鋼筋及金屬管線的電腐蝕，以保證檢修人員的人身安全[4]。但是在單向導通裝置投入運行的過程中發現不管車輛段有沒有車輛通過，都會存在雜散電流，并可能產生危害人身安全的軌地電壓，筆者通過現場試驗，采集數據并對數據進行分析。

1 雜散電流及其危害

在地鐵運行中，地鐵鋼軌既要作為列車的導軌，也要作為將列車電流回流到牽引變電所負極的負回流軌[5]。負回流是沿著鋼軌傳輸的，在其傳輸過程中，因為大地與鋼軌之間存在泄露電阻，會有一部分牽引負回流電流泄漏到地下。如果地鐵周圍埋有導電性能較好的金屬管線(天然氣管道、自來水管道等)，雜散電流會通過這些埋地金屬管線傳輸，在到達變電所附近時從金屬管線中流出，再回到變電所[6]。當金屬體中有電流流過時，金屬體會發生電解，遭受電化學腐蝕。這種電化學反應會使得地鐵主體的結構鋼筋以及地鐵線路附近的埋地金屬管線發生腐蝕(見圖1)，導致埋地管線使用壽命減少，地鐵主體結構耐久度和強度降低，有時甚至會造成嚴重的安全事故[7]。雜散電流引起的腐蝕不同于鋼鐵在電解質中發生的自然腐蝕，外部電源泄露出雜散電流而引起的雜散電流腐蝕在數值上要比自然腐蝕時自發產生的電流大幾十倍，甚至達到幾千倍。

圖1 雜散電流腐蝕鋼軌和管道

雜散電流腐蝕具有如下特點：

1) 腐蝕強度大，危害大；

2) 范圍廣，隨機性強；

3) 腐蝕劇烈，腐蝕集中于局部位置，當有防腐層時，往往集中在防腐層的缺陷部位[8]。

在車輛段、隧道等特殊地方，由于對地過渡電阻較小，產生的雜散電流較大，為了減少雜散電流的影響，安裝了單向導通裝置[9]。

2 單向導通裝置

2.1 工作原理

如圖2所示，單向導通裝置由整流二極管、保護裝置、隔離開關及輔助監測單元等組成。主回路由5個二極管整流裝置并聯組成，每個二極管支路串聯一個帶輔助節點的快速熔斷器和一個電流傳感器組成信號采集，分析和輸出系統，給故障診斷裝置提供主回路的通斷情況。保護回路分為短路保護、逆電壓保護和過電壓保護，由快速熔斷器、電流傳感器、壓敏電阻和RC回路組成。

圖2 單向導通裝置原理

單向導通裝置中除了含有二極管支路，還含有隔離開關和消弧裝置。隔離開關在特殊運營方式下作用，將絕緣節兩端回流軌直接與電氣相連；在列車再生制動時，單向導通裝置附近回流軌電壓會升高，這時消弧裝置啟動，消弧裝置電氣導通，走行軌電位降低，能夠限制絕緣節兩端放電，從而保證絕緣節兩端人員安全[10]。

2.2 安裝原理

如圖3所示，在一般隧道處，單向導通裝置的正極接車輛段地上鋼軌，負極接地下正線鋼軌。當列車在地下正線運行時，不允許列車電流回流至車輛段或列車庫內。

圖3 一般隧道單向導通裝置安裝

如圖4所示，在江河之下的隧道沉管區段，單向導通裝置的正極接隧道沉管區段地下鋼軌，負極接沉管區段以外鋼軌。當列車在隧道沉管區段運行時，列車電流通過單向導通裝置回流至牽引所；當列車在隧道沉管以外運行時，列車電流通過與鋼軌平行的回流電纜回流至牽引所，減少沉管區段鋼軌泄漏的雜散電流，從而減少對該區段鋼軌與隧道鋼筋的腐蝕。

圖4 隧道沉管單向導通裝置安裝

3 單向導通裝置投入現場數據及其分析

3.1 接線原理

如圖5所示，將數據記錄儀一端接鋼軌，另一端接大地，便于測試絕緣節附近的軌地電壓。當車輛段有車輛啟動或者正線段有車輛制動時，單向導通裝置會有電流流過，通過電流鉗形表可以讀出流過單向導通裝置的電流，然后將該電流上傳給數據記錄儀。

圖5 車輛段單向導通裝置測試接線

3.2 投入時現場數據

由圖6測試結果可知，由于單向導通裝置的存在，正線軌道的電流不會流向車輛段軌道，但在白天正線機車運營時，一直會有電流從車輛段軌道通過單向導通裝置流向正線，該電流的幅值最大可達1 000 A，并且在車輛段內無機車時一直存在該電流。此時，由于出入段線軌道與正線軌道直接連接，正線連接車輛段軌道的出入段線位置存在鋼軌電位，幅值最大可達20 V。

圖6 單向導通裝置電流及軌地電位

3.3 數據分析

針對單向導通裝置電流及對應時刻的正線鋼軌對地電位變化關系進行分析，取一段時間內單向導通裝置電流及軌地電位，測量其電流與出入段線鋼軌電位對應變化曲線(見圖7)，表明當單向導通裝置中有電流流過時，對應的出入段線鋼軌電位為負，且出入段線軌地電位越小，單向導通裝置中流過的電流就越大。

圖7 單向導通裝置電流及軌地電位

單向導通裝置連接出入段線軌道與車輛段軌道(見圖8)，由于裝置的單向導電性，車輛段至出入段線軌道方向是電氣連通的，只存在單向導通裝置自身的壓降，為0.7 V，而出入段線軌道對車輛段軌道是電氣隔斷的，因此，絕緣節兩端車輛段對出入段線電壓最大為0.7 V，而出入段線軌道對車輛段軌道的電壓可以很大。

圖8 測試位置示意

由于出入段線軌道與正線軌道直接連接，正線機車運行時產生正負變化的鋼軌電位在出入段線位置同樣存在。分析正線機車處于不同運行狀態時該絕緣節位置的鋼軌電位與單向導通裝置電流，可對測試結果進行解釋。

圖9所示為正線機車加速啟動時，絕緣節位置鋼軌電位與電流情況。

圖9 正線機車加速情況

當正線機車加速啟動時，機車向走行軌注入電流，此時，機車位置鋼軌對地電位為正，由于出入段線與正線軌道直接連接，此時出入段線軌道對地電位U1也為正，由于絕緣節和單向導通裝置的存在，出入段線軌道的電流不能流入車輛段軌道內，此時，單向導通裝置的電流為0，出入段線軌道對地電位為正。

圖10所示為正線機車再生制動時，絕緣節位置的鋼軌電位與電流情況。

圖10 正線機車再生制動情況

當靠近車輛段的正線附近存在機車再生制動時，機車向接觸網反饋電流，該電流從軌道吸收，此時機車位置軌道對地的電位為負值，因此，出入段線軌道對地電位也為負值。車輛段軌道電位大于出入段線軌道電位，電流可以通過單向導通裝置流入正線。由于出入段線軌道電位為負，車輛段與出入段線為電氣連通，因此車輛段軌道電位也呈現負值。由于車輛段軌道對地絕緣較差，會有大量大地中的雜散電流通過車輛段軌道匯集，并通過單向導通裝置流向正線再生制動的機車，此時，機車相當于一個大的電流吸收源，雜散電流會被絕緣較薄弱軌道吸收，當測試結果中出現鋼軌對地電位為負時，單向導通裝置就會有大量電流流向正線。

圖11～13為在500～650 s、3 500～3 700 s期間以及5 500～5 800 s期間，流過單向導通裝置的電流波形與軌地電壓波形。

圖11 500～650 s單向導通裝置電流及軌地電位

圖12 3 500～3 700 s單向導通裝置電流及軌地電位

圖13 5 500～5 800 s單向導通裝置電流及軌地電位

由圖11～13可以看出其他時間段，單向導通裝置電流與鋼軌電位也呈現上述變化規律。

4 結語

雜散電流對地鐵鋼軌和附近管道的影響特別大，尤其是在車輛段、隧道等對地過渡電阻相對較低的地方。通過投入單向導通裝置可以減少特殊區域的雜散電流，但在單向導通裝置運行時發現，在車輛段不管有無列車運行都存在雜散電流和鋼軌電位，有時還很大，因此列車在運行中要注意這部分雜散電流和鋼軌電位，避開危險高電流和高鋼軌電壓，注意人身安全。

[1] 顧岷.我國城市軌道交通發展現狀與展望[J].中國鐵路,2011(10)：53-56.

[2] 岳雷.城市軌道交通中雜散電流的危害及防護措施研究[J].科技通報，2012(6)：130-132.

[3] 孟祥印,郝峰.城軌交通隧道過江段雜散電流防護方案探討[J].現代城市軌道交通,2014(4)：62-64.

[4] 李國欣.直流牽引回流系統分析及軌電位相關問題研究[D].徐州：中國礦業大學，2012:14-16.

[5] 秦峰，朱祥連，奚杰，等.城市軌道交通設施雜散電流的防護[J].機電工程，2013，30(1)：102-107.

[6] 羅兵，王衛東.地鐵直流牽引系統雜散電流防護問題的研究[J].電氣化鐵道，2012(5)：39-42.

[7] 趙英新，單魯文.埋地燃氣管道地鐵雜散電流腐蝕的防護[J].煤氣與熱力，2014，34(1)：5-9.

[8] 汪園園.雜散電流分區域防護問題的研究[J].鐵道標準設計，2002(6)：84-85.

[9] 黃玉蘋.城市軌道交通雜散電流防護系統[J].城市軌道交通研究，2012(12)：117-119.

[10] 中國北車集團永濟電機廠.深圳地鐵單向導通裝置使

用、安裝、維護說明[R].深圳，2012.

(編輯：王艷菊)

Analysis of Stray Current under the Influence of Unidirectional Conduction Device

Liu Jianhua1Shen Songwei1Zhou Mingping1Wang Haoxian2

(1. China University of Mining and Electrical Engineering,Xuzhou, Jiangsu 221008；2.Xuzhou Information and Electrical Technology Co., Ltd.,Xuzhou, Jiangsu 221100)

During the operation of the subway, the stray current has great influence on the rail and the nearby pipe, especially in some special area, such as the metro depot, tunnel section and so on. Using the unidirectional conduction device can reduce stray current in these special areas.The stray current and the unidirectional conduction devices are introduced and the installation principle of the unidirectional conduction device is analyzed. The rails are connected and the tester is put between the rail and the earth to measure the voltage of the derailment and the current of the unidirectional conduction device; after analyzing the collected data, it is found that the stray current and rail potential in Metro depot always existed no matter whether there is a vehicle or not. In view of this phenomenon, we should pay attention to the stray current and the rail potential, try to avoid dangerous voltage and high current rail, and take care of personal safety.

urban rail transit; stray current; unidirectional conduction device; rail voltage; data analysis

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.04.026

2015-10-31

2015-11-27

劉建華，男，副教授，從事智能電網的研究。

沈松偉，男，在讀研究生，從事直流牽引供電安全研究，947869829@qq.com

科技型企業技術創新資金(BG2015067)

U231.8

A

1672-6073(2016)04-0116-05