地鐵鋼軌電位異常原因分析與治理

廣州地鐵設計研究院股份有限公司 田 彩

本文介紹了既有線路的鋼軌電位現狀，分析了鋼軌電位異常升高的原因，提出了針對既有線路以及新建線路鋼軌電位的建議措施，分析了沿著鋼軌縱向焊接電纜短接方案對于降低鋼軌電位的影響，相關結論可以為地鐵鋼軌電位的降低與控制提供建議和參考。

在城市軌道交通中，由牽引所輸出的電流路徑為牽引所-接觸網-受電弓-列車-鋼軌-牽引所，流入鋼軌的電流不能全部經由鋼軌流回至牽引所負極柜，其中一部分會泄漏到大地，由大地流回至牽引所，這部分電流就是雜散電流。雜散電流會導致部分設備損壞，引起附近建筑物的鋼筋以及金屬管線發生電化學腐蝕，破壞其結構強度，縮短使用壽命。為了減少雜散電流對地鐵車站結構、隧道結構及相關設備設施的危害，鋼軌通過絕緣安裝實現對地絕緣，站臺門設備也采用絕緣安裝。

由于軌道自身阻抗以及雜散電流的影響，當供電區段有運行的列車時軌道與地之間會產生電位差，電位差嚴重時會危害乘客人身安全。在目前的工程設計中，大多通過采用鋼軌電位限制裝置來避免鋼軌電壓過高造成的人身危害。鋼軌電位限制裝置的工作原理一般為：當軌電位大于90V時，接觸器在短接閉合3次后永久閉合；大于150V時，接觸器永久閉合；大于600V時，晶閘管快速接通，在接觸器閉合后斷開。

1 既有線路的鋼軌電位現狀

廣州城市軌道交通線路大多采用DC1500V接觸網（或接觸軌）供電、鋼軌回流系統，鋼軌采取絕緣安裝，鋼軌和地之間會產生電位差，嚴重時危及人身安全。鑒于車體與鋼軌電氣連通，為避免上下車過程中的跨步電壓對乘客造成傷害，在目前工程設計中，常用解決方案是采用站臺門絕緣安裝，利用電纜將鋼軌與站臺門連接以保證二者的等電位。在廣州地鐵既有線路的運營過程中發現，運營線路的部分車站均存在鋼軌電位偏高現象（目前主要采用軌電位限制裝置常閉來解決這一問題），站臺門外框結構等與相鄰金屬部件存在火花放電現象，當站臺門絕緣性能減弱時，鋼軌與站臺門連接電纜電流過大，嚴重時出現電纜燒斷等現象。

2 鋼軌電位異常原因分析

2.1 回流電阻過大

直流牽引供電系統的回流回路主要由鋼軌、均回流電纜等組成，若回流回路電阻過大，當有回流電流通過時，就產生較高的鋼軌電位，鋼軌的電阻越大，軌電位越高。同時隨著運營時間的增加，若鋼軌與均回流電纜的連接處、回流電纜與負極柜的連接處出現接觸不良現象，長期運行后鋼軌的腐蝕將逐漸嚴重，進而導致接觸電阻增加，從而使得軌電位進一步升高，導致雜散電流逐步增加，形成惡性循環。

2.2 回流系統絕緣性能不佳

鋼軌與大地間的過渡電阻與鋼軌絕緣墊、站臺門門框等設備的制作工藝以及安裝精度緊密相關，其絕緣性能直接影響回流系統的性能。目前鋼軌絕緣墊、站臺門等設備由于制造工藝以及現場安裝環境及精度的影響，導致其絕緣性能不佳，是造成站臺門附近位置軌電位高及出現打火現象的主要原因之一。為了避免跨步電壓的危害，車站位置采用鋼軌與站臺門短接方案，但如果站臺門絕緣性能薄弱，就相當于站臺門位置存在參考接地點，進而導致軌電位變高，出現打火現象。

2.3 電流不斷變化

列車運行時，電流由牽引所經隔離開關輸送至接觸網，通過受電弓給列車供電，最后通過回流系統回至牽引所。當供電區段有列車運行時，列車啟動和停車時會導致牽引電流的不斷變化，特別是行車密度大的時段，負荷量大，牽引電流也更大，進而引起鋼軌電位隨之升高。

3 鋼軌電位異常升高的解決建議

3.1 既有線路

對于既有線路，其行車組織、列車編組、機車功率、鋼軌縱向電阻、鋼軌泄漏阻抗、牽引所間距、整流機組內阻等參數已經固定，由于調整的成本過高，基本無法再進行修改，針對既有線路，主要原則就是增大回流系統導流能力，減少內阻，除了在鋼軌接頭處、道岔接頭處、魚尾板處等采用電纜短接外，還可以采用沿著鋼軌縱向，焊接電纜進行短接方案減小鋼軌的回流電流，從而降低軌電位、減少因鋼軌絕緣性能不佳引起的雜散電流，本方案目前只應用在鋼軌與油氣管道并行區域、河流附近等重點防護位置。

針對沿鋼軌縱向，焊接電纜進行短接方案的效果分析如下：

簡化后的電路圖如圖1所示，R1為鋼軌電阻，取37.32μΩ/m，R2為短接電纜的電阻，短接電纜采用150mm2電纜，取129μΩ/m。根據歐姆定律列方程計算電纜電流占比如式(1)所示。

圖1 簡化電路圖

根據深圳某線路的設計數據，油氣管道并行距離為26m，考慮電纜裕量，本文分析單根電纜長度取值30m。計算得到的電纜電流占總電流比例如表1所示。

表1 電纜電流相對總電流占比/%

由表1可知，短接4根150mm2電纜時電纜電流占比能達到53.6%。目前150mm2電纜價格約為170元/米，按照4根30m計算，則需40800元。由此可見，焊接電纜短接方案的投入成本很高，目前只應用在鋼軌與油氣管道并行區域、河流附近等重點防護位置，不適合全線路推廣使用。因此解決鋼軌電位異常問題需從設計階段開始進行分析和綜合考慮，才能更有效的解決問題，降低成本。

3.2 新建線路

對于新建線路，建議從牽引所間距、鋼軌縱向電阻、整流機組內阻、鋼軌對地絕緣性能、站臺門絕緣性能、排流柜布置等多因素綜合考慮，在滿足各方功能要求的前提下，選擇相對最優的鋼軌電位及雜散電流設計方案。確定設計方案后，要求供應商和施工單位嚴格按照設計要求進行供貨和施工，特別是鋼軌縱向電阻、現場安裝精度等關鍵因素，應嚴格按照設計規格書要求執行，嚴格控制施工誤差。這對于有效控制鋼軌電位、減少雜散電流具有重要作用。

3.3 注意事項

注意加強運維階段的檢測、檢修及養護，定期查看鋼軌電位限制裝置及排流柜的動作情況，檢測鋼軌對地絕緣性能，檢測站臺門的絕緣性能，提前發現問題，解決問題，盡可能減少雜散電流造成的危害。

鋼軌電位與雜散電流緊密相關，本文介紹了既有線路的鋼軌電位現狀，分析了鋼軌電位異常升高的原因，提出了針對既有線路以及新建線路鋼軌電位的建議措施，分析了沿著鋼軌縱向焊接電纜短接方案的效果和效益，相關結論可以為地鐵鋼軌電位的降低提供建議和參考。