地鐵雜散電流防護分析研究

上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司 申平軍

地鐵供電系統主要采用的直流1500V和750V供電，利用走行軌回流。從理論上說直流回路是閉合的，從牽引變電所取得的直流電流應通過走行軌全部回到牽引變電所。實際上由于走行軌無法做到絕對的對地絕緣，少量電流將不沿回流鋼軌回到牽引變電所的負極，而是經過大地回到牽引變電所，這些經過大地回到牽引變電所的電流稱之為迷流或雜散電流。因此，在確保地鐵建設、地鐵運營能否正常運行時，如何防護雜散電流就是有待研究的關鍵技術問題。由于雜散電流具有諸多不容易防護的特點，比如雜散電流樣式繁多、分散性強、防護困難，難以預測等。

1 地鐵雜散電流防護方案分析

地鐵雜散電流腐蝕防護工程方案宜按整體防護類型與回流網的設計進行劃分，其中回流網可分為由專用導體(軌)及其連接件組成的絕緣回流系統和由走行軌及其連接件組成的軌道回流方案。根據《CJJ/T 49-2020地鐵雜散電流腐蝕防護技術標準》表4.2.3目前地鐵雜散電流防護可分為三種：

方案一采用專用軌回流方案，回流軌的絕緣水平要求需和接觸網保持一致。地鐵一般在工程可行性研究階段或初步設計階段已完成對雜散電流腐蝕防護工程設計方案的選擇。對于國內地鐵通常采用圓形隧道、礦山法（馬蹄型）隧道和明挖法（矩形）隧道，以及高架橋梁和地面線路，在后期調整雜散電流防護方案有可能對其限界空間產生影響，以及對土建工程有可能產生實質影響。采用方案一同時會增大工程投資，且目前國內建成并運營的地鐵（不含跨坐式單軌）僅有2020年12月開通的寧波地鐵4號線采用專用軌回流，防護效果好壞并不明朗。專用軌回流方案建設和運營經驗欠缺，缺少案例和數據分析，本文不開展過多分析。

方案二采用走行軌回流方案，做到加強絕緣和監測。根據《CJJ/T 49-2020地鐵雜散電流腐蝕防護技術標準》4.2.5條規定：采用方案二走行軌對地、走行軌對結構鋼筋應絕緣，其過渡電阻值不應小于150Ω/km。由于雜散電流對鋼筋和金屬管道腐蝕是一個緩慢的的過程。在地鐵線路剛開通時，走行軌周圍無灰塵、鐵屑、油污等含鹽沉積物，此時走行軌的絕緣水平較高，雜散電流也相對較少。隨著地鐵開通年限的增長，由于列車和走行軌磨耗增加，道床周圍粉塵、油污、臟污、砂土的累積，以及道床積水等原因，將會降低鋼軌對地過渡電阻值，導致雜散電流增多。此時應需相應的排流措施。由于方案二無排流裝置措施，地鐵運營到后期過渡電阻不可避免的要減少，無法滿足當初設計和運營要求，因此在國內地鐵中應用的較少。

方案三采用走行軌回流方案，做到絕緣、監測和排流。根據《CJJ/T49-2020地鐵雜散電流腐蝕防護技術標準》4.2.6條規定：采用方案三走行軌對地、走行軌對結構鋼筋應絕緣，其過渡電阻值不應小于15Ω/km。該方案設計主要按照“以堵為主，加強監測，應急排流”的原則進行。包括“堵、測、排”三方面內容，具體來說以堵為主首要目的：堵。運用各種措施隔離、控制所有雜散電流可能會泄漏的途徑，最大化降低回流系統的阻抗，最大化提高回流軌對地過渡電阻，抑制回流軌對地電流漏泄值；測。應設置完備的雜散電流監測系統，對雜散電流漏泄量進行實時監測，為軌道交通的正常運營、維護提供參考數據；排。設置有效的雜散電流排流網。雜散電流排流網是雜散電流泄漏后能遇到的阻抗較小的回流通路，將雜散電流限制在地鐵內部，阻止其繼續向地鐵系統以外的地方泄漏。

方案三在兼顧了地鐵雜散的泄漏特點，國內建設和運營經驗豐富，同時工程投資沒有方案一高，可靠性及可實施性比方案二好，本文推薦采用方案三進行地鐵雜散電流防護設計。

2 具體工程實施方案

某西南城市軌道交通3號線一期工程全長43.086km，其中地下段42.031km，高架段0.713km，敞開過渡段0.342km。地下段采取的施工方法有盾構法、礦山法、暗挖法、明挖法。全線設置19座牽引降壓混合變電所，其中車站17座，車輛段1座，停車場1座。正線平均2.5km左右設置一座牽引降壓混合變電所，有效抑制雜散電流的產生。本工程采用方案三進行雜散電流防護設計。

2.1 防護方案

明挖法（或暗挖法）區間隧道：明挖法（或暗挖法）區間采用整體道床，采用絕緣法安裝走行軌。應保證隧道與整體道床內的鋼筋無任何電氣上連通。同時走行軌底部與整體道床面之間的間隙不小于70mm。隧道內完善通風和排水的措施，保持干爽的環境。

盾構法區間：盾構法區間隧道內采用整體道床，采用絕緣法安裝走行軌。隧道內結構采用隔離法防護。隧道內完善通風和排水的措施，保持干爽的環境。

跨越南明河高架橋段：本工程在師范學院站～東風鎮站區間（360m）、東風鎮～洛灣站（285m）區間采用高架橋的形式2次跨越南明河，為減小高架橋段的雜散電流泄露，采用走行軌并聯電纜的措施，每根鋼軌并聯1根WDZA-EPR-1.8kV-1x400截面的電纜，連續并聯此兩個涉及到的供電分區，可使走行軌中流過的電流減半、走行軌的縱向壓降相應的減半，對于鋼軌電位也起到了一定的作用。南明河高架橋段道床采用整體道床，采用絕緣法安裝走行軌。為有效控制雜散電流，南明河高架橋段軌道下方采用橡膠隔振墊道床，使鋼軌與基礎結構絕緣隔離，盡量提高鋼軌對地過渡電阻，抑制鋼軌對地電流漏泄值，減少雜散電流對橋梁的影響。須隔離橋梁主體鋼筋與道床結構鋼筋，做到不得相碰。若橋梁表面有伸出鋼筋，則鋼筋應采取絕緣措施，例如加裝絕緣套管。

沿線平行高壓燃氣管線段的處理措施：本工程在花溪公園站、民族大學站均存在高壓燃氣管線平行通過，為減弱雜散電流外泄對于外部管線的影響，采取嚴格的雜散電流控制方案，采用走行軌并聯電纜的措施。每根鋼軌并聯1根WDZA-EPR-1.8kV-1x400截面的電纜，連續并聯此兩個涉及到的供電分區，可以使走行軌中流過的電流減半、走行軌的縱向壓降相應的減半，對于鋼軌電位也起到了一定的作用。同時，也有效降低了雜散電流的泄露。同時采用雙層物理絕緣結構+系統自排污扣件減少雜散電流的泄漏。

明挖（或暗挖）車站：車站兩側的道床采用整體道床，采用絕緣法安裝走行軌。車站范圍內，兩側線路的結構底板鋼筋與整體道床內鋼筋應無任何電氣上連通。同時走行軌底部與整體道床面之間的間隙不小于70mm。車站范圍內的隧道內完善通風和排水的措施，保持干爽的環境。

2.2 雜散電流排流方案

隨著地鐵開通年限的增加，走行軌對地絕緣水平的降低，雜散電流泄漏性有可能會超標，影響運營的安全，所以需設置相應的排流措施，以便在必要時通過相應的排流措施將雜散電流收集回牽引變電所的負極。

2.2.1 排流網的設置

根據地鐵運行高峰小時的車流密度、牽引供電電流及線路特征參數綜合計算，計算結果并符合排流網極化最高電位低于《CJJ/T 49-2020地鐵雜散電流腐蝕防護技術標準》的規定要求，得出最終雜散電流排流網的截面。按照最新規范走行軌對地絕緣電阻值不小于15Ω/km進行計算，為使全線軌道鋼筋極化電位不大于0.5V，全線各區間的排流網截面如表1。

表1 全線各區間排流網截面

為便于工程實施，該工程雜散電流排流網截面統一為2種規格：桐木嶺站～花溪南站、花溪南站～農學院站、太慈橋站～花果園東站、黔靈山公園站～貴醫站、茶店站～順海站、順海站～溫泉路站、溫泉路站～師范學院站、師范學院站～東風鎮站、東風鎮站～洛灣站的排流網截面為3500mm2，其余為5000mm2。本工程在正線道床均采用整體道床型式，在整體道床內設置排流網。

2.2.2 排流柜

排流柜的設置方案一般為在正線的每座牽引變電所內均設置，通過排流柜使牽引變電所負極柜的負母排和雜散電流排流網的排流端子相連。在開通初期，由于絕緣水平較好、雜散電流泄漏量較低，排流柜一般不投入運行。只有當監測到道床排流網鋼筋極化電位值超過設定數值時排流柜才投入運行，道床排流網啟動排流。排流柜應具有如下功能：單向極性排流；自動調節排流電流值，大電流限度排流；自動監測記錄排流網的排流電流值；具有與電力監控的數據通訊功能。

2.2.3 單向導通裝置

單向導通裝置一般設置在車輛段、停車場出入段線與正線之間，以及在車輛段（或停車場）的電氣化庫庫內和庫外的位置。單向導通裝置通過電纜與絕緣結兩端回流軌相連，使回流軌中電流僅單方向流通，以利于雜散電流防護和減少雜散電流影響。單向導通裝置通過轉接箱利用電纜與鋼軌焊接形成回路。裝置選用戶外型，主要技術參數如下：額定電壓DC1500V、最高工作電壓1800V、額定電流3000A、額定短路電流100kA(200ms)。

2.2.4 埋入型連接端子

目前國內的道床伸縮縫兩側的連接端子基本采用3種方案，分別采用扁銅、鍍鋅扁鋼、埋入型連接端子。采用鍍鋅扁鋼或扁銅時連接端子均伸出道床面一定高度，一般是在100mm左右，且在施工單位實施時連接端子伸出的高度很高，維修人員巡視時很容易被絆倒。埋入型連接端子安裝簡單，且安裝完成后與水泥地面基本持平，維修人員行走時不易被絆倒、更加安全，且在疏散情況下更能保證乘客的安全。由于埋入式雜散端子澆筑在水泥中銅材質的端子外露部分較少，基本不超過5mm，所以丟失銅端子的幾率接近于零。經過以上分析比較，推薦本工程排流網連接端子采用埋入型連接端子。

2.3 雜散電流監測系統方案

本工程采用集中式雜散電流監測系統。可以實時監測雜散電流泄漏情況，并及時做出判斷，采取針對性處理措施。地鐵運營管理及維護比較方便。雜散電流的監測系統由兩部分組成：雜散電流監測裝置與雜散電流監測網。雜散電流監測裝置通過監測網來采集結構鋼筋的雜散電流監測數據。

2.3.1 監測系統的構成及監測網

雜散電流監測系統由參比電極、道床鋼筋測試引出端點、結構鋼筋測試引出端點、傳感器、信號轉接器、監測裝置等組成。監測系統的數據可實時上傳給綜合監控系統。在車站的適當位置設置雜散電流信號轉接器，信號轉接器通過傳感器經電纜分別與結構鋼筋監測端子、道床鋼筋監測端子和參比電極連接。

監測網：為保證行車安全，減少雜散電流對走行軌固定金屬部件的腐蝕及避免雜散電流對結構鋼筋及結構外金屬管線的腐蝕，采用將隧道結構鋼筋網（或橋梁鋼筋）、道床鋼筋網作為雜散電流監測網的方法對雜散電流泄漏進行監測。結構鋼筋（或橋梁鋼筋）雜散電流監測網由建筑結構內部的結構鋼筋以及道床鋼筋構成。當監測到鋼筋網的極化電位超過規程的要求時，說明走行軌對地絕緣已不符合雜散電流防護的要求。此時需對軌道加強檢查、清掃、維護及修復工作，恢復軌道與道床間良好的絕緣狀態，限制并降低雜散電流向地鐵外部的泄漏。

2.3.2 監測點的設置

本工程正線有地下線路和高架線路，共設有29座車站。本工程地下段采用的施工方法有盾構法、明挖法、蓋挖法和暗挖法施工。

正線明挖法、蓋挖法和暗挖法地下區段及高架段：每座車站上、下行線結構鋼筋監測網共設8個測試點，其中上、下行線測試點各設置4個：進站處結構兩側壁各1個、出站處結構兩側壁各1個、車站距離區間200m處隧道側壁或橋梁處各1個。在監測點處隧道或橋梁結構鋼筋引出測試端子。上行、下行道床鋼筋監測網的監測點共設置8個，其里程點與隧道或橋梁結構鋼筋監測點的里程相同。在測試端子1m范圍內設置參比電極，且參比電極距離測試端子盡量近，參比電極安裝時不能破壞結構防水層。

正線盾構區段：本文推薦采用隔離法進行雜散電流防護，即相鄰盾構管片鋼筋不進行電氣連接，盾構管片間進行絕緣處理；出段線和入段線區段：在出段線和入段線進入隧道的洞口處，在隧道的側壁上兩側各設置1個監測點。監測點處雜散電流傳感器電源引自相鄰動力照明區間檢修箱。在測試端子1m范圍內設置參比電極，且參比電極距離測試端子盡量近，參比電極安裝時不能破壞結構防水層；車輛段（或停車場）：其檢修庫、運用庫等單體建筑的1.8m及以下的鋼筋進行焊接，每個單體建筑設置2處監測點，在測試點引出連接端子，采用移動式監測裝置定期進行測量。

3 結語

地鐵雜散電流防護通過“堵、測、排”等措施來控制雜散電流對外界的影響。以貴州大學站～民族大學站為本工程牽引變電所間距為例，該區間排流網長度為3.03km；高峰小時最大牽引電流為862A；軌道與排流網間的絕緣電阻為15Ω/km；排流網單位電阻0.071Ω/km；走行軌采用60kg/m，4根單軌并聯單位電阻為0.009Ω/km，鋼軌電位34V。雜散電流收集網總橫截面選擇單線5000mm2（雙線10000mm2），此時理論極化電位僅為0.18V，滿足《地鐵雜散電流腐蝕防護技術標準》（CJJ49-2020）要求的小于0.5V。目前雜散電流防護設計滿足規范要求，雜散電流非常小，即便有部分雜散電流泄露也采取了收集措施，主要影響雜散電流防護系統自身的排流網鋼筋，對自身鋼筋和外界管線影響可忽略不計。