城市軌道交通場段雜散電流防護實測分析與優化方案

陳 輝，黃國輝

0 引言

城市軌道交通供電系統中，列車通過受電弓從接觸網獲取電能，一般采用走行軌作為牽引電流的回流通道，牽引電流流經走行軌回到牽引變電所負極[1]。由于走行軌具有一定的縱向電阻，且無法實現與大地完全絕緣，使得走行軌與大地之間形成電位差，部分電流經走行軌泄漏至周邊介質產生雜散電流。在城市軌道交通系統中，不可避免地會存在雜散電流及鋼軌電位問題[2]。

為避免軌道交通線路正線雜散電流與場段（停車場、車輛段）之間互相影響，縮小雜散電流影響范圍，通常在正線與場段咽喉區設置絕緣接頭，將正線軌道與場段軌道進行物理隔離，并通過并聯單向導通裝置（以下簡稱“單導”），保證僅列車由場段駛向正線時，單導導通，鋼軌正常回流[3]。文獻[4]針對城軌車輛段上、下行單向導通裝置電流進行了測量，并根據結果分析了單導電流的兩個流向，指出了單導因觸發不同步造成環流的問題。文獻[5]中通過對場段進行多次現場試驗和監測數據分析對比，找出了單向導通裝置只防止正線鋼軌回流至場段而允許場段基地向正線方向鋼軌回流導通的設計缺陷。文獻[6]指出在地鐵運行過程中，通過投入單向導通裝置可以減少特殊區段的雜散電流，但在單向導通裝置運行時車輛段無論是否有車通過均存在雜散電流和鋼軌電位問題。當多列列車在車站內運行時，單向導通裝置的工作狀態會更加復雜，進而導致雜散電流的分布更加復雜和多樣。直流牽引系統中全線列車及牽引變電所并列運行時，多車多所之間普遍存在功率越區分配，直接影響回流系統參數的分布。文獻[7]建立了基于多列車多段運行的鋼軌電位動態模型，明確了實際線路中鋼軌電位的異常上升。文獻[8]針對正線牽引電流泄漏至場段導致鋼軌電位異常的問題，提出了一種定向導通回流裝置。文獻[9]在對單向導通裝置合理等效的基礎上，重新建立地鐵車站雜散電流評價模型，分析車站雜散電流與單向導通裝置工作狀態的規律。文獻[10]針對回流安全參數在主線與站的耦合效應，提出了主線與站的直流牽引供電系統仿真模型，提出改進單側連接裝置抑制雜散電流和鋼軌電位問題的方案。

城市軌道交通場段是整條線路的絕緣薄弱位置且雜散電流問題相對嚴重[11]。城軌供電系統通常采用的單向導通裝置結構如圖1 所示，主要由二極管、隔離開關和保護裝置等組成。其中，二極管的正極接場段鋼軌，負極接正線鋼軌，晶閘管回路與二極管回路反向并聯，僅單導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車輛段或停車場內。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車輛段、停車場供電的情況下，將絕緣節的兩端回流軌直接電氣連通[12]。

圖1 單向導通裝置結構原理

1 單向導通裝置存在的問題

成都地鐵直流供電系統運行至今，部分場段多次出現掛接地線打火、車輛作業人員搭接車體和檢修平臺金屬護欄發生觸電及鋼軌電位異常等問題，雜散電流影響較為突出。針對上述問題，對1 號線紅星路停車場咽喉區兩行單導電流進行了24 h 的連續同步監測。結果顯示，兩行單導同時運行時并不是完全同步導通，存在雜散電流經單導涌入停車場或返回正線的現象，存在“正線鋼軌—大地/接地扁鋼/架空地線—場段地網—場段軌電位限制裝置OVPD/地線—場段鋼軌—單導—正線鋼軌”的雜散電流泄漏回路[1]，如圖2 所示，單導為正線、場段雜散電流泄漏提供了通路。

圖2 單導裝置下雜散電流流通路徑

場段和正線之間采用單向導通裝置時，若正線鋼軌電位為負，鋼軌電位傳入場段，是場段內OVPD 負電位頻繁動作的主要原因。場段OVPD頻繁動作，反過來又會惡化正線鋼軌電位和雜散電流。如果正線鋼軌過渡電阻局部不達標，會惡化其他區段的鋼軌電位，并傳遞至場段內，導致場段的OVPD 更加頻繁動作。

2 單向導通裝置優化方案

針對既有單導為正線雜散電流泄漏后流回場段再流回正線的路徑提供通路問題，提出響應式智能導通裝置方案，實現無列車通過時，場段與正線之間完全斷開，阻斷場段與正線雜散電流路徑，有列車通過時，短接絕緣分段避免列車通過時打火。

響應式智能導通裝置由主回路和主控單元組成。主回路由正向回路、反向回路、保護回路、隔離開關等組成，回路帶有電動隔離開關，主回路故障時通過閉合隔離開關保證出入線間的電氣連接；主控單元具有故障監測、控制和通信功能。響應式智能導通裝置系統主電路及控制流程如圖3 所示。

圖3 響應式智能導通裝置系統主電路及控制流程

正向回路和反向回路均由整流二極管與全控型門極可關斷晶閘管串聯構成。裝置并聯于鋼軌絕緣節處，按照一定的組合邏輯控制軌道電流通斷，保證短路電流正常通過。裝置回路處于關斷狀態時，切斷雜散電流異常回流路徑。嵌入式系統實時監測裝置運行情況，并通過遠程通信網絡將故障信息及時傳送到變電所監控機，維護人員可遠程遙控或現場手動合上隔離開關，不影響機車正常運行。

3 實測效果分析

按照本文提出的響應式智能導通裝置方案，于2022 年10 月中旬在成都地鐵1 號線紅星路停車場試點改造，改造現場如圖4 所示。改造后，分別于2022 年11 月14 日、7 日（同為周一，列車運行圖相同）采集咽喉區單導工況（以下簡稱“工況一”）、響應式智能導通裝置工況（以下簡稱“工況二”）下24 h 雜散電流相關數據。

圖4 響應式智能導通裝置

3.1 測試方案

工況一、工況二雜散電流測試數據如表1 所示。監測過程中，保證測量點的電壓、電流信號同步監測。監測時長不小于24 h。

表1 測試數據

咽喉區電壓、電流及停車場電位梯度測試點位布置分別如圖5、圖6 所示。

圖5 咽喉區電壓、電流測試點位布置

圖6 地電位梯度測試點位布置

3.2 測試結果分析

3.2.1 工況一咽喉區電流、電壓實測結果分析

停車場單導電流波形如圖7 所示，電流由停車場流向正線方向為正，由正線流向停車場為負。在11 月14 日0—24 時的測試時間段，上行電流最大值為505.7 A，最小值為-8.01 A，下行電流最大值為1 043 A，最小值為-483.2 A。咽喉區上行、下行正線及場段鋼軌電位波形如圖8、圖9 所示。

圖7 停車場單導電流

圖8 上行正線及場段鋼軌電位

圖9 下行正線及場段鋼軌電位

綜合統計鋼軌電位以及單導電流數據見表2。

表2 工況一 咽喉區鋼軌電位及單導電流數據

由圖7～圖9 以及表2 可以看出，即使沒有列車駛入或駛出停車場，單向導通裝置仍然會導通，導通時間較長。測試數據顯示，11 月14 日上行單導總導通時長為9 856.4 s（約2.74 h），下行單導總導通時長為2 0671.5 s（約5.74 h）。二極管支路導通次數多，最大通過電流約1 043 A，下行單導晶閘管支路也頻繁導通，最大通過電流約483 A。

上、下行正線及庫前鋼軌電位波形一致，其波動與電流波動時刻保持一致，證明單導導通時正線鋼軌電位通過單導侵入停車場。據運營人員統計，紅星路停車場OVPD 當天處于長時接地狀態。

3.2.2 工況二咽喉區電流、電壓實測結果分析

停車場單導電流波形如圖10 所示，其中由停車場流向正線為正，由正線流向停車場為負。在11 月07 日0—24 時的測試時間段，上行電流最大值為506.8 A，最小值為-653 A，下行電流最大值為455.6 A，最小值為-336.7 A。咽喉區上行、下行正線及場段鋼軌電位波形如圖11、圖12 所示。

圖10 停車場單導電流

圖11 上行正線和場段鋼軌電位

圖12 咽喉區下行正線和場段鋼軌電位

綜合統計鋼軌電位以及單導電流數據如表3所示。

表3 工況二 咽喉區鋼軌電位以及單導電流數據

由圖10～圖12 以及表3 可以看出，響應式智能導通裝置僅在列車通過時導通，導通時長大幅減小。測試數據顯示：11 月7 日上行單導總導通時長為247.2 s，下行單導總導通時長為395.2 s，上下行咽喉區導通平均時長較工況一下降97.8%；咽喉區電流通過量大幅減小，導通最大電流幅值為653 A，小于工況一單導最大導通電流1 043 A，咽喉區流過電流幅值較工況一也明顯減小。

上、下行正線及場段鋼軌電位波形不一致，場段鋼軌電位平均值明顯低于正線鋼軌電位平均值，響應式智能導通裝置阻斷了正線鋼軌電位侵入場段路徑，據運營統計數據，響應式智能導通裝置工況下（11 月7—13 日），OVPD 未發生動作，場段鋼軌電位問題顯著改善。

3.2.3 地電位梯度實測結果分析

紅星路停車場場內1 號監測點（圖6）工況一（11 月14 日）、工況二（11 月7 日）24 h 地電位梯度監測情況如圖13 所示。

圖13 1 號監測點地電位梯度波形

工況一 東西、南北方向地電位梯度均在23：00—次日1：00、9：30—14：30、15：30—16：30 出現峰值，由于既有單向導通裝置電流在這3個時間段出現峰值（圖7），證明單向導通裝置中的導通電流是導致停車場附近地電位梯度升高的主要原因。

工況二 東西、南北方向在23：00—次日1：00 出現峰值，應是車輛駛入停車場內，造成該時段地電位梯度出現峰值，在其余時段，通過響應式導通裝置電流大幅減小，地電位梯度均小于2.5 mV/m。證明響應式智能導通裝置能夠改善停車場附近地電位梯度，但是地電位梯度仍受周圍地鐵線路正線泄漏的雜散電流影響。

按照場內1 號監測點方法，完成工況一、工況二場外2、3 號監測點（圖6）東西、南北方向地電位梯度測試，取早高峰、平峰、晚高峰、低峰的平均值得出地電位梯度模值及方向如表4 所示。

表4 地電位梯度值匯總 mV/m

由表4 可知，單向導通裝置工況下3 個檢測點位地電位梯度分別為4.38、4.60、5.04 mV/m，響應式智能導通裝置工況下3 個檢測點位地電位梯度分別為1.69、3.27、3.01 mV/m，3 個點位平均地電位梯度下降約43%，雜散電流影響程度一般。

4 結語

針對既有單向導通裝置為正線雜散電流泄漏后流回場段再流回正線提供通路問題，采用響應式智能導通裝置方案對成都地鐵紅星路停車場進行試點改造，實現無列車通過時場段與正線之間完全斷開，阻斷場段與正線雜散電流路徑。本次雜散電流防護試點改造主要結論如下：

（1）相比采用傳統單向導通裝置，采用響應式智能導通裝置后，正線與停車場導通次數與導通時間顯著下降，有效降低停車場雜散電流泄漏；

（2）單向導通裝置流過的電流和停車場地電位梯度之間峰值出現時間同步，存在較強的相關性。響應式智能導通裝置除出現個別電流峰值外基本沒有導通，地電位梯度同步減小，響應式智能導通裝置通過電流已不是影響場段地電位梯度的主要因素；

（3）采用響應式智能導通裝置顯著改善了場段鋼軌電位異常問題及雜散電流泄漏水平，改造后，紅星路停車場地電位梯度分布仍受1 號線正線及鄰近線路雜散電流干擾。

（4）改善城市軌道交通線路直流干擾情況應從場段咽喉區單相導通裝置的改造和正線鋼軌對地絕緣的提高兩方面著手。