地鐵單向導通裝置運行實測與分析

胡 勇，楊 龍，張 麗，李思文，劉 煒

0 引言

隨著我國地鐵交通的大規模投運，地鐵（輕軌）軌道系統中雜散電流等問題逐漸涌現，地鐵結構鋼筋和附近金屬管線經常受到雜散電流的影響[1～3]，尤其在車輛段、停車場（以下簡稱“段場”）等特殊地段，由于鋼軌對地過渡電阻較小，產生的雜散電流較大[4]。為了盡量減小雜散電流并縮小雜散電流影響范圍，軌道上需要設置絕緣接頭，將正線軌道與段場軌道隔離。在采用絕緣接頭的鋼軌部位，需要采用單向導通裝置（以下簡稱“單導”）并接于地鐵軌道設置的絕緣節處，保證僅列車由段場駛向正線時單導導通，鋼軌能夠正常回流[5，6]。但在實際運營過程中，即使段場沒有列車通過，單導仍會導通，使段場鋼軌與正線鋼軌實現電氣連接。

文獻[7]通過對一行鋼軌的單導電流與鋼軌電位進行測試，測試結果顯示，單導正向導通時能夠為正線的雜散電流提供路徑，反向導通時可將正線的牽引回流引入段場，從而給段場帶來鋼軌電位和雜散電流問題。文獻[8]通過對段場單導電流、軌地電位、土壤電位梯度等相關參數進行現場測試，重點從鋼軌電位的角度分析了雜散電流產生原因和分布規律，設計了雜散電流監測系統。文獻[9]通過搭建城市軌道交通牽引供電系統仿真模型，分析了單導對城市軌道交通雜散電流防護的不利影響，但仿真模型中并未考慮上、下行聯絡線，忽略了兩行單導的相互影響。文獻[10]從直流牽引供電系統建模的角度出發，研究了單導和鋼軌電位限制裝置對正線鋼軌電位的影響規律，發現單導的導通會使正線和段場的鋼軌電位升高，鋼軌電位限制裝置的閉合則會抬高其他較遠處區間的鋼軌電位。

本文對實際運營的某地鐵線路正線與停車場間咽喉區兩行單導電流進行24 h 連續同步監測。測試結果顯示，兩行單導同時運行時并非完全同步導通，不僅存在電流經單導涌入停車場或返回正線的現象，還會在兩行單導之間通過咽喉區上、下行聯絡線出現環流的現象。

1 單導結構與測試方案

1.1 單導結構

城軌供電系統回流軌中采用的單導結構如圖1所示，主要由整流二極管回路、隔離開關和保護裝置等組成，通常并聯于段場咽喉區正線出入段的絕緣節兩端。其中，二極管的正極接段場鋼軌，負極接正線鋼軌，晶閘管回路與二極管回路反向并聯。僅二極管作用時，鋼軌中電流只流向一個方向，保證列車在正線運行時列車電流不能回流至段場或列車庫內。反向并聯的晶閘管回路作為保護回路，當鋼軌電位過高時，實現電氣導通，限制絕緣節兩端放電，防止列車車輪踏過絕緣節時打火。隔離開關則用于在正線支援供電車輛段、停車場的情況下，將絕緣節的兩端回流軌直接電氣連接。

圖1 單向導通裝置結構

1.2 測試方案

為了進一步了解實際運營中單導的導通、截止條件和規律，本次測試對某地鐵線路停車場咽喉區的上下行單導電流進行同步監測，測試周期為24 h。于夜間非運營時段進行測試設備安裝，安裝位置如圖2 所示。上、下行單導電流由外置霍爾電流傳感器測得，傳感器將電流轉換為正負10 V 的電壓信號，通過屏蔽電纜傳輸至NI 監測設備。

圖2 監測設備安裝位置

2 咽喉區單導運行實測數據分析

2.1 單導運行工作情況

圖3 所示為運營期間流經咽喉區單導的實際電流情況，規定以單導二極管正向導通電流為正，即從段場到正線為正。從圖3 可知，一行的單導流過的電流非負，說明僅有2 種工作情況，正向導通和不導通；另一行的單導既有正向的電流流過，又有反向的電流流過，存在3 種工作情況。

圖3 咽喉區兩行單導電流

實際上，通過分析數據發現，兩行單導的5 種狀態組合均存在，表1 為一天內單導各種狀態組合的時間占比分配。其中，兩行單導主要工作在3 種組合情形：情形5 兩行單導都不導通占比28.4%（情形5 集中在夜間停運，列車不取流時段，因此時間占比較高），情形1 兩行單導都正向導通占比19.3%，情形4 一行單導不導通，一行反向導通，占比32.1%。

表1 單導運行情況

2.2 單導運行實測數據分析

根據表1，對咽喉區單導運行情況的情形1—情形4 的單導電流進行分析。圖4 所示為情形1 兩行單導都正向導通時的單導電流，兩行單導電流大小幾乎相等，達到百安量級，同時由停車場流入正線。圖5 所示為情形2 單導電流，電流只通過一行單導流入正線，也達到百安量級。

由二極管的單向導通性可知，正線泄漏到大地的雜散電流經單導返回正線。正線泄漏的雜散電流達到數百安量級的主要原因：（1）正線鋼軌過渡電阻較低，存在鋼軌泄漏電流；（2）由于正線軌電位較高，該線路多處鋼軌電位限制裝置長期閉合。對比情形1，情形2 的情況，當兩行單導二極管同時導通時，由停車場返回正線的雜散電流更多。

圖6 與圖7 所示分別為情形1 和情形2 其中一行單導導通時的電流路徑，情形2 中的另一電流路徑與圖7 類似，電流通過另一行的單導二極管返回正線。結合表1，兩行單導裝置都正向導通的比例占到了19.3%，說明正線泄漏至停車場的雜散電流總體上是由兩行單導的二極管回路同時返回正線。

圖4 情形1 單導電流情況

圖5 情形2 單導電流情況

圖6 情形1 單導電流路徑

圖7 情形2 單導電流路徑

圖8 所示為一行單導正向導通，一行單導反向導通的單導電流情況，兩行單導電流大小相等，方向相反。圖9 所示為一行單導不導通，一行單導反向導通的電流情況。圖8 與圖9 中都有一行單導反向導通，分析可能是由于正線存在大量列車往返或列車制動，使得正線鋼軌電位偏高，而停車場存在永久接地點的股道，晶閘管承受的正向電壓大于整定值，單導反向導通。然而兩行晶閘管觸發并不是同步的，且總是有一行單導晶閘管先觸發，晶閘管導通后，使得停車場鋼軌與正線鋼軌實現電氣連接，鋼軌等電位，在兩行均流線作用下，另一行晶閘管的正負極幾乎等電勢，承受電壓小于導通整定值，從而不能夠導通。

圖8 情形3 單導電流情況

圖9 情形4 單導電流情況

當一行單導的二極管與另一行單導晶閘管同步導通時，出現情形3，此時電流會通過咽喉區上下行聯絡線、二極管和晶閘管，形成停車場內環流，其電流路徑如圖10 所示。

圖10 情形3 單導電流路徑

當一行單導晶閘管觸發與另一行單導二極管導通不同步時，出現情形4。當一行晶閘管導通后，使得另一行單導的二極管承受的正向偏置電壓小于0.7 V 時，從而不能導通，正線電流經晶閘管回路直接涌入停車場，其電流路徑如圖11 所示。

圖11 情形4 單導電流路徑

3 鋼軌回流系統的改進

通過以上分析可以看出，單導投入運行后，仍然存在大量的雜散電流經單導的二極管回路流回正線，當鋼軌電位過高時，單導反向導通，正線雜散電流亦會涌入車輛段和停車場。而在《地鐵設計規范》中，單導也并非是地鐵供電系統所必須安裝的設備，基于此，正線與出入段之間咽喉區的回流軌可以采用隔離開關作為連接裝置，并對回流系統進行改進，如圖12 所示。

其中，JJ1 為正線與段場之間設置的絕緣節，J1 為正線鋼軌與絕緣節JJ1 之間的位置傳感器，J2為段場鋼軌與絕緣節之間的位置傳感器。晶閘管V的控制采用聯絡開關和位置傳感器的狀態信號共同控制。

圖12 鋼軌回流系統改進方法

正常情況下，隔離開關斷開，可以長時、有效地阻隔正線和段場的鋼軌，防止正線雜散電流進入車輛段和停車場。當有列車由段場駛向正線時，隔離開關閉合，RC 支路用于開關閉合時的過電壓吸收，保證回流電流正常流動。當有列車由正線返回段場至絕緣節附近時，晶閘管支路導通，避免因絕緣節兩側鋼軌電壓差過大出現打火現象。

4 結語

根據該線路咽喉區單導的全天工作情況統計結果發現，單導運行情況主要是一行不導通，另一行反向導通，兩行都正向導通以及一行正向導通和另一行反向導通，這3 種運行情況分別占全天時間比例為32.1%、19.3%和10.1%。結合運行時的電流情況，可以得出以下結論與建議：

（1）單導投入運行后，仍然存在大量的雜散電流經單導二極管回路流回正線。當兩行單導的二極管導通同步時，雜散電流經兩行單導二極管流回正線；當二極管導通不同步時，雜散電流只經過一行鋼軌流回正線。為減少正線雜散電流泄漏，應盡量提高正線鋼軌對地過渡電阻，避免正線鋼軌電位限制裝置長期接地運行。

（2）正常運營時，正線鋼軌電位偏高，導致單導反向導通頻次較高，而兩行單導的晶閘管觸發不同步，易形成環流。建議正線與出入段場之間咽喉區的回流軌采用隔離開關作為連接，同時增加過電壓吸收支路和列車到來時的消弧支路。