廖鈞劉煒許伶俐王沛沛鄭杰吳畏

地鐵停車場和車輛段雜散電流實(shí)測與分析

廖鈞1劉煒1許伶俐1王沛沛1鄭杰2吳畏2

（1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，610031，成都；2.成都地鐵運(yùn)營有限公司，610031,成都//第一作者，碩士研究生）

正線鋼軌泄漏的雜散電流所造成的車輛段和停車場內(nèi)設(shè)備燒損和掛地線打火等問題在城市軌道交通中日益凸顯。為此，以某地鐵停車場和車輛段線路的實(shí)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，評(píng)估雜散電流的嚴(yán)重程度，分析雜散電流的流通路徑，并針對該地鐵線路雜散電流現(xiàn)狀提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

地鐵；停車場；車輛段；雜散電流

First-author's addressSchool of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，610031，Chengdu，China

城市軌道交通供電系統(tǒng)中，列車通過受電弓（或受電靴）從接觸網(wǎng)（或接觸軌)取流，經(jīng)鋼軌回流至牽引變電所負(fù)極的電流被稱為牽引回流，不按鋼軌路徑流通的電流被定義為雜散電流，直流牽引供電系統(tǒng)與大地間有電流流入或流出的區(qū)域被定義為雜散電流區(qū)［1-2］。

隨著我國地鐵大規(guī)模的投運(yùn)，地鐵供電系統(tǒng)中諸如雜散電流等問題逐漸涌現(xiàn)。在雜散電流流經(jīng)區(qū)域，埋設(shè)的金屬管道和混凝土主體結(jié)構(gòu)中的鋼筋易遭到腐蝕［3］；在停車場和車輛段內(nèi)，較大的雜散電流經(jīng)接地極流入庫內(nèi)，庫內(nèi)的設(shè)備易出現(xiàn)外殼打火、掛地線打火等問題，甚至危害人身安全［4］。因此，很多學(xué)者對雜散電流的分布規(guī)律進(jìn)行了理論研究［5-7］，但這些理論研究只停留在定性的分析上，尚無明確的數(shù)據(jù)支撐，雜散電流量化程度尚不清楚。

1 雜散電流引發(fā)故障案例

2015年，某地鐵列車在停車場股道停車時(shí)，發(fā)生列車車體上防脫鋼繩熔斷案例。當(dāng)時(shí)，列車停放于入庫信號(hào)機(jī)位置時(shí)，轉(zhuǎn)向架二位側(cè)高度閥桿防脫鋼繩周期性出現(xiàn)冒煙、發(fā)熱燒紅現(xiàn)象。面對此種狀況，工作人員對列車進(jìn)行降弓、斷開蓄電池主電路大空開關(guān)等操作，但防脫鋼繩仍周期性發(fā)熱燒紅，直至熔斷。防脫鋼繩脫落現(xiàn)場照片如圖1所示。

圖1 防脫鋼繩熔斷案例現(xiàn)場

故障發(fā)生后，工作人員對車輛設(shè)備及線路進(jìn)行了檢查，未發(fā)現(xiàn)設(shè)備或線路有短路現(xiàn)象，排除了車輛設(shè)備短路的可能。檢查軌道回流路徑，發(fā)現(xiàn)車輪踏面與鋼軌之間存在燒灼痕跡，且鋼軌絕緣節(jié)在列車的兩個(gè)轉(zhuǎn)向架之間（如圖2所示）。

經(jīng)初步分析，造成本次事故的原因可能是部分牽引電流經(jīng)與單向?qū)ㄑb置（單導(dǎo)）并聯(lián)的車體進(jìn)行回流，造成車體薄弱環(huán)節(jié)燒毀。然而，事故發(fā)生時(shí)，停車場內(nèi)沒有列車起動(dòng)，通過車體的回流可能是正線鋼軌泄漏到大地的雜散電流，但是否存在如此大的雜散電流導(dǎo)致列車車體薄弱環(huán)節(jié)損壞，仍需要通過實(shí)測來驗(yàn)證。

圖2 防脫鋼繩熔斷案例列車停車位置

2 停車場雜散電流測試

地鐵軌道正線鋼軌采用對地絕緣安裝，既有利于結(jié)構(gòu)主體鋼筋腐蝕防護(hù)，又有利于防止鋼軌對地電壓異常而使車站內(nèi)乘客上下車時(shí)產(chǎn)生電擊傷害，而車輛段和停車場列檢庫內(nèi)鋼軌設(shè)置接地設(shè)施，可避免車輛段、停車場內(nèi)鋼軌因?qū)Φ仉娢惠^高產(chǎn)生放電而對維護(hù)人員產(chǎn)生心理影響［8］。

2.1 測試方案

地鐵車輛段和停車場等特殊地段的軌道上需要設(shè)置絕緣節(jié)，其目的是為了盡量減少雜散電流并縮小雜散電流的影響范圍。而在采用絕緣節(jié)的鋼軌部位，必須設(shè)置單導(dǎo)，以保證有列車運(yùn)行時(shí)回流電流能夠正常流動(dòng)。

測試停車場列檢庫內(nèi)股道L1、L2、L3、L4采用與地網(wǎng)相連接的綜合接地方式。本次測試在停車場內(nèi)無列車起動(dòng)的前提下進(jìn)行，接地點(diǎn)電流和單導(dǎo)進(jìn)線電流由外置霍爾電流傳感器測得。傳感器將電流轉(zhuǎn)換為±10 V的電壓信號(hào)，通過屏蔽電纜傳輸至軌道電能監(jiān)測設(shè)備。監(jiān)測設(shè)備完成數(shù)據(jù)采集工作，測試軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、記錄、顯示和存儲(chǔ)。具體的監(jiān)測系統(tǒng)如圖3所示。

對接地點(diǎn)電流測試時(shí)，傳感器安裝于列檢庫內(nèi)鋼軌與地網(wǎng)相連的電纜上；對單導(dǎo)進(jìn)線電流測試時(shí)，傳感器安裝于鋼軌與單導(dǎo)相連的進(jìn)線電纜上。信號(hào)監(jiān)測裝置如圖4所示。

圖3 停車場雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

圖4 停車場雜散電流信號(hào)監(jiān)測裝置

測試信號(hào)布置如圖5所示，其中A、B、C、D為大地流向鋼軌的電流監(jiān)測點(diǎn)；E為單導(dǎo)的進(jìn)線電流監(jiān)測點(diǎn)。I1、I2、I3、I4分別代表L1、L2、L3、L4股道的電流；I5為單導(dǎo)進(jìn)線電流。

圖5 停車場雜散電流信號(hào)測試點(diǎn)

根據(jù)基爾霍夫電流定律（KCL）可以求得通過車體的回流I6為：

2.2 測試結(jié)果分析

停車場內(nèi)股道L1、L2、L3、L4從接地點(diǎn)流向鋼軌的電流曲線如圖6所示。在測試過程中，檢測到的股道L1、L2、L3、L4電流趨勢相同，絕大部分電流流向鋼軌，此部分電流為雜散電流；極少數(shù)電流由鋼軌流向大地，此部分電流為牽引回流。

圖6 測試點(diǎn)接地點(diǎn)（A、B、C、D）股道電流

單導(dǎo)進(jìn)線電流曲線如圖7所示。絕大部分電流是由接地點(diǎn)流向股道L1、L2、L3、L4并匯合至單導(dǎo)進(jìn)線處的雜散電流，繼而通過單導(dǎo)返回正線。

圖7 單導(dǎo)進(jìn)線處（E）電流曲線

股道L1、L2、L3、L4電流和單導(dǎo)進(jìn)線電流的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

由表1可知，L3股道雜散電流最大，高達(dá)286.2 A，這就是列車防脫鋼繩在L3股道經(jīng)常熔斷的原因。停車場內(nèi)總的雜散電流比較嚴(yán)重，由地流向鋼軌的雜散電流高達(dá)610.2 A，原因是正線靠停車場鄰近車站的鋼軌電位過高，鋼軌電位限制器長期投入所至。

表1 停車場內(nèi)雜散電流數(shù)據(jù)A

3 車輛段雜散電流測試

測試地鐵線路一端為停車場、另一端為車輛段。為了掌握車輛段內(nèi)雜散電流的分布情況，需進(jìn)行車輛段內(nèi)的雜散電流測試。

3.1 測試方案

在車輛段內(nèi)，雜散電流的測試方案和傳感器的安裝點(diǎn)與停車場的情況幾乎相同，不同之處在于車輛段內(nèi)的接地情況比停車場復(fù)雜（如圖8所示）。L1和L3股道采用直接與大地相連的獨(dú)立接地方式，L2股道采用與地網(wǎng)相連的綜合接地方式。圖8中A、E和F為接地點(diǎn)的電流監(jiān)測點(diǎn)；B、C和D為接地點(diǎn)處股道間的電流監(jiān)測點(diǎn)；G、H、I和J為單導(dǎo)處股道間的電流監(jiān)測點(diǎn)；K為單導(dǎo)進(jìn)線的電流監(jiān)測點(diǎn)。

圖8 車輛段雜散電流信號(hào)測試點(diǎn)

3.2 測試結(jié)果分析

車輛段內(nèi)接地點(diǎn)的雜散電流曲線如圖9所示。檢測到的接地點(diǎn)1和接地點(diǎn)3電流較小，接地點(diǎn)2電流較大。其中接地點(diǎn)2和接地點(diǎn)3電流是由大地流向鋼軌的雜散電流。

車輛段內(nèi)接地點(diǎn)處，股道間的電流結(jié)果如圖10所示。鋼軌間的電流方向絕大部分為L4-L3-L2-L1。

單導(dǎo)進(jìn)線電流曲線如圖11所示。單導(dǎo)進(jìn)線電流是由接地點(diǎn)1、接地點(diǎn)2和接地點(diǎn)3電流流向L1、L2、L3、L4、L5股道匯合至單導(dǎo)進(jìn)線處的雜散電流，通過單相導(dǎo)通裝置返回正線。

車輛段內(nèi)接地點(diǎn)的電流和單導(dǎo)進(jìn)線電流統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表2，鋼軌間電流統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表3。

圖10 股道間（B、C、D）電流

表2 車輛段接地點(diǎn)和單導(dǎo)進(jìn)線電流A

表3 車輛段股道間電流A

與停車場內(nèi)雜散電流相比，車輛段內(nèi)雜散電流較小。接地點(diǎn)1和接地點(diǎn)3電流相比接地點(diǎn)2電流較小，原因可能是接地點(diǎn)1和接地點(diǎn)3采用獨(dú)立接地方式，而接地點(diǎn)2采用綜合接地方式。為了得到驗(yàn)證，工作人員將停車場內(nèi)的綜合接地方式改為獨(dú)立接地方式，經(jīng)過測試，電流有很明顯減少。

圖11 單導(dǎo)進(jìn)線處（K點(diǎn)）電流

4 雜散電流路徑分析

當(dāng)正線鋼軌存在泄漏點(diǎn)或鋼軌電位限制器投入時(shí)，雜散電流收集網(wǎng)、架空地線、大地、電纜鎧裝層和電纜支架等都有可能是雜散電流通往停車場和車輛段的路徑（如圖12所示）。雜散電流具體的流通路徑為：正線泄漏點(diǎn)（鋼軌電位限制器投入）—（牽引所、降壓所）地網(wǎng)—雜散電流收集網(wǎng)、電纜鎧裝層和電纜支架、大地—（牽引所、降壓所）地網(wǎng)—雜散電流收集網(wǎng)、架空地線、大地、電纜鎧裝層和電纜支架—（停車場、車輛段）接地極、臨時(shí)掛接的地線—庫內(nèi)鋼軌—單導(dǎo)—正線牽引所負(fù)母線。

停車場和車輛段內(nèi)的接地極為正線鋼軌泄漏的電流提供了良好的流通路徑。當(dāng)正線鋼軌泄漏電流嚴(yán)重時(shí)，雜散電流通過停車場和車輛段庫內(nèi)設(shè)備外殼或者列車車體，可造成設(shè)備打火甚至損壞；當(dāng)工作人員在庫內(nèi)作業(yè)時(shí)，臨時(shí)掛接的地線也為正線泄漏的電流提供了通路，出現(xiàn)掛地線打火現(xiàn)象。

5 結(jié)論與展望

（1）根據(jù)對停車場和車輛段內(nèi)雜散電流的實(shí)測分析，證實(shí)停車場和車輛段內(nèi)的雜散電流比較嚴(yán)重，其中停車場內(nèi)的雜散電流總量高達(dá)610.2 A，車輛段內(nèi)的雜散電流總量高達(dá)302.4 A。由此可見，雜散電流不僅僅是金屬管道腐蝕這樣“慢性”的危害，雜散電流由正線泄漏經(jīng)過數(shù)公里從停車場、車輛段返回正線，造成停車場和車輛段內(nèi)設(shè)備損壞、掛地線打火等問題。

圖12 雜散電流流通路徑示意圖

（2）停車場和車輛段內(nèi)的雜散電流測試結(jié)果分析表明，采用獨(dú)立接地方式收集到的雜散電流比采用綜合接地方式收集到的雜散電流較小。從治理雜散電流的角度，建議停車場、車輛段內(nèi)鋼軌應(yīng)該采用獨(dú)立接地方式，以“堵塞”雜散電流通路。但如果掛接地線依然存在打火等現(xiàn)象，此時(shí)架空地線經(jīng)三工位隔離開關(guān)的地刀與列檢庫內(nèi)的接觸網(wǎng)連接，雜散電流通過接地線和鋼軌形成回路，有可能造成掛地線打火問題。

（3）鋼軌電位限制器的投入會(huì)增大雜散電流。鋼軌電位限制器的投入本著為減小鋼軌電位考慮，但另一方面也導(dǎo)致了雜散電流的增大，因此，鋼軌電位限制器的投入應(yīng)將抑制鋼軌電位和減少雜散電流綜合考慮。

（4）雜散電流一直是目前研究的難點(diǎn)，本文僅對停車場和車輛段內(nèi)的雜散電流嚴(yán)重程度進(jìn)行了評(píng)估以及對雜散電流流通路徑進(jìn)行了分析。以下幾個(gè)方面需要進(jìn)一步研究：應(yīng)加強(qiáng)鋼軌對地過渡電阻的測試?yán)碚摵头椒ǖ难芯?；加?qiáng)雜散電流在正線和車輛段、停車場內(nèi)的治理措施研究。

［1］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.軌道交通地面裝置第2部分：直流牽引系統(tǒng)雜散電流防護(hù)措施：GB/T 28026.2-2011［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

［2］北京市地下鐵道科學(xué)技術(shù)研究所.地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程：CTJ 49-925［S］.北京：中華人民共和國建設(shè)部，1993.

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［5］王禹橋.地鐵雜散電流分布規(guī)律及腐蝕智能監(jiān)測方法研［D］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2012.

［6］劉燕，王京梅，趙麗，等.地鐵雜散電流分布的數(shù)學(xué)模型［J］.工程數(shù)學(xué)學(xué)報(bào)，2009，26（4）：572-576.

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［8］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50157-2013［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

Actual Test and Analysis of Stray Current in Metro Parking Lot and Depot

LIAO Jun，LIU Wei，XU Lingli，WANG Peipei，ZHENG Jie，WU Wei

Due to the track stray current，problems like metro depot and parking lot equipment burning loss and sparking for aerial earth wire have become increasingly serious.Based on the measured data of a practical subway parking lot and depot，the severity of stray current is assessed，the flow path of stray current is analyzed，corresponding improvement measures are proposed regarding the stray current situation on that subway line.

metro；parking lot；depot；stray current

U223.6+2

10.16037/j.1007-869x.2017.08.014

2015-10-22）