地鐵停車場軌電位異常升高的原因分析及解決措施

謝育國

中國鐵建電氣化局集團有限公司 北京 100043

一、鋼軌電位異常升高的現象

地鐵線路開通運營后，電力監控后臺檢測到停車場鋼軌電位異常升高，導致鋼軌電位限制裝置接地保護合閘，合閘次數超過3次后，形成接地閉鎖，將停車場鋼軌永久接地，需要檢修人員現場復位。

（一）鋼軌電位異常升高導致接地閉鎖

通過電力監控后臺發現，停車場鋼軌電位超限報警，并且頻繁合閘接地，形成接地閉鎖，需要檢修人員現場復位，同時觀察鋼軌電位限制裝置顯示面板，檢測到鋼軌上的瞬時電位高達99V，遠遠超過設置的60V安全電壓。

圖一：檢測到鋼軌電位99v

（二） 鋼軌電位異常升高導致變電所負極柜無法檢修

停車場變電所負極柜檢修過程中發現，在整流機組停電的情況下，負極柜母排對地持續放電，地線與母排搭接位置被電流灼傷。考慮到負極柜母排與鋼軌連接，對鋼軌進行了接地測試，將接地線一端接鋼軌，一端接地，也發生持續放電現場，并且地線灼傷嚴重，危及檢修作業安全。

圖二：對鋼軌進行接地測試

從以上現象可以得出，鋼軌電位異常升高不僅會導致鋼軌電位限制裝置接地故障頻發，也會導致鋼軌對地放電，嚴重危及檢修人員的安全，需要盡快查明原因，及時解決。

二、 鋼軌電位異常升高的原因分析

（一）鋼軌電流來源的分析

在直流DC1500V牽引供電系統中，變電所整流出來的直流電輸送至接觸網上，然后給機車供電，最后通過回流系統流入變電所負極柜。回流系統主要就包括鋼軌、回流電纜、均流電纜，鋼軌上的電壓就是回流電流流過時產生的，為了判斷鋼軌電流的來源，進行如下測試：

測試一：白天正線跑車時，停車場整流機組停電，檢查鋼軌電位情況。結果：鋼軌電位異常升高，鋼軌對地有放電現象；測試二：晚上正線停止跑車后，停車場整流機組停電，檢查鋼軌電位情況。結果：鋼軌電位為0V，鋼軌對地無放電現象；測試三：晚上正線停止跑車后，停車場整流機組恢復送電，檢查鋼軌電位情況。結果：鋼軌電位為0V～35V漂移，未超過60V的安全電壓。

通過上述的測試結果可以得出，鋼軌電位的異常升高主要是正線變電所的電流流入停車場導致的，故鋼軌電流的來源為正線變電所，而正線變電所電流流入停車場的路徑需要我們進一步分析。

（二） 電流流入停車場路徑分析

在停車場與正線分界處，通過設置絕緣節及單向導通裝置，將正線鋼軌與停車場鋼軌隔開，保證停車場電流可以流入正線，而正線電流無法流入停車場。在工程中，地鐵停車場鋼軌電位的異常升高就是正線電流流入停車場導致的，如需解決這個問題，必須找出電流流入停車場路徑，分析流入路徑上的絕緣薄弱環節。根據停車場的供電系統特點，我們重點對絕緣節、單向導通裝置、鋼軌對地過渡電阻進行測試。

測試一：用2500V絕緣搖表，對鋼軌絕緣節進行絕緣測試。結果：鋼軌與絕緣節之間的絕緣電阻無窮大，排除絕緣節安裝質量問題。測試二：用萬用表對單向導通裝置的二極管極性進行測試。結果：單向導通裝置正向測量壓降260mv，反向測量無窮大，極性正確，排除單向導通裝置施工安裝錯誤及二極管被擊穿的質量問題。測試三：用500V絕緣搖表測量鋼軌對地電阻。結果：鋼軌對地絕緣電阻為0歐姆。

通過上述測試可以分析，鋼軌對地的過渡電阻較小，沒有做到與大地的絕緣安裝，可以初步得出電流回流路徑為：正線變電所—正線鋼軌—大地—停車場鋼軌—單向導通裝置的正向導通—正線鋼軌—變電所負極，正線變電所電流就是通鋼軌與大地的絕緣薄弱環節泄入大地，再通過大地流入停車場鋼軌內，但電流路徑無法直接觀察，需要進一步驗證電流回流方向。

（三）電流回流方向的分析

為了進一步驗證電流回流方向，需要將初步得出的回流路徑切斷，觀察停車場鋼軌電位的變化情況，由于整個回流路徑中，大地及鋼軌泄露點無法切斷，只能將單向導通裝置拆除，并進行測試。

測試一：白天正線跑車，停車場整流機組停電，將單向導通裝置與鋼軌連接的電纜拆除，切斷電流通過單向導通裝置正向導通功能回流的路徑。結果：拆除前，停車場鋼軌升高，拆除后，停車場鋼軌電位為0V，并且無變化。測試二：拆除單向導通裝置后，將停車場鋼軌及正線鋼軌分別接地，觀察放電現象。結果：停車場鋼軌對地無放電現象，正線鋼軌對地放電。測試三：拆除單向導通裝置后，用萬用表測量正線鋼軌與停車場鋼軌的壓差。結果：測量絕緣節兩端鋼軌的壓差瞬時值-101.3V，電壓漂移，停車場鋼軌電位高于正線鋼軌，電流從停車場流向正線。

綜上所述可以分析，停車場鋼軌電位異常升高，主要原因就是鋼軌對地的過渡電阻較低，正線鋼軌中的電流，通過大地流入停車場造成的，而這些泄漏到大地中的電流就稱為雜散電流。雜散電流不僅會抬高停車場的鋼軌電位，影響檢修安全，同時也會對道床的結構鋼筋及周圍金屬管線造成腐蝕，雜散電流的防治也是直流牽引供電系統疑難問題，需要多方面綜合治理。

三、地鐵線路已采取的措施

解決停車場鋼軌電位升高問題，就需要綜合治理雜散電流，減小雜散電流的泄露，盡量保證走行軌對地絕緣，從根源上控制和減少雜散電流的泄漏，并提出了以下建議措施：

（一）清理鋼軌扣件及碎石道床的雜物

對停車場碎石道床區段鋼軌和扣件進行污穢清理，清篩砟石，使鋼軌脫離軌枕包覆，要求滿足《地鐵設計規范》(GB50157-2013)“7.4.2 條：道砟頂面應與混凝土軌枕中部頂面平齊”的要求。目的是提高鋼軌對地的絕緣性能，從源頭上減小雜散電流的泄漏，但由于鋼軌已安裝完成，雜散電流泄漏點難以排查，同時清理工作量大，清理效果難以評估，鋼軌電位下降并不明顯。

（二） 通過并聯電纜改善回路電阻，增大回流通流能力

回流通路不暢導致電阻增大，也會抬高鋼軌的電位。回流不暢主要是鋼軌接頭處、道岔接頭處接續電纜、魚尾板等導流不暢所致，通過對停車場軌縫連接、道岔處的連接檢查，確保鋼軌回流通路暢通；同時采用150mm2的電纜，在鋼軌絕緣節處兩側，增加橫向均流，整治后經過測試，鋼軌電位限制裝置動作次數下降并不明顯。

（三）將正線變電所排流柜短時投入

將緊鄰停車場的正線變電所的排流柜短時(兩個運行日)投入運行，并查驗排流柜電流，同時觀察停車場鋼軌電位裝置的電壓和動作狀態。目的是通過正線雜散電流的排流網，主動將正線鋼軌泄漏的的雜散電流回收，從而不流入停車場，但通過測試，鋼軌電位下降并不明顯。

通過實際整改驗證，以上3種措施均未能有效的減小雜散電流的泄露，鋼軌電位升高問題未能得到有效解決。

四、建議措施

采用新型的鋼軌分段綜合控制裝置：雜散電流的治理難點就是無法有效的提高鋼軌對地的過渡電阻，特別是對于已施工完成的鋼軌，查找絕緣薄弱環節非常困難。考慮停車場雜散電流通過單向導通裝置的正向導通功能流回正線，在拆除單向導通裝置后，停車場鋼軌電位明顯降低，但如果沒有單向導通裝置，機車在通過鋼軌絕緣節時，就會因為電壓差燒毀絕緣節。如何能解決這種矛盾，使其具備在沒有機車通過的情況下，絕緣節兩端的鋼軌斷開，當機車通過絕緣節時，單向導通再將鋼軌導通消弧，新型的鋼軌分段綜合控制裝置就可以有效的解決這個問題。

傳統單向導通采用消弧支路為可控硅元件，利用機車車輪到達絕緣節時的電壓實時監測，從而驅動可控硅導通來消弧，而新型鋼軌分段綜合控制裝置平常處于長開狀態，將絕緣節兩端鋼軌分段，機車通過時，根據位置傳感器提前判斷機車車身的位置，在機車車輪經過絕緣節前驅動直流接觸器閉鎖，從而實現絕緣節兩端鋼軌完成電氣連接，消除絕緣節處的打火、起弧等安全隱患。

五、結束語

軌電位高低與雜散電流息息相關，從源頭入手盡量減少雜散電流泄漏，合理設置牽引系統，加強鋼軌對地絕緣，同時加強結構鋼筋等設備的腐蝕防護，才能從根本上降低軌電位。對于雜散電流的防治，一直是直流牽引供電系統的疑難問題，需要我們不停去探索研究，攻克這一難題，保障城市軌道交通安全可靠運行。