李敏鋒，靳佩躍，劉海鵬，張德勝

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進(jìn)，城市軌道交通作為緩解交通擁堵的有效工具，在國內(nèi)得到大力發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年12月，我國已有44個(gè)城市開通運(yùn)營城市軌道交通線路，運(yùn)營里程達(dá)7 545.5 km。城市軌道交通的特點(diǎn)從最初的點(diǎn)線連接，逐漸向網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)?；l(fā)展。

軌道交通給人們出行帶來便利的同時(shí)也帶來了一些問題，如雜散電流的問題。目前，我國城市軌道交通直流牽引供電電壓等級(jí)有DC 1 500 V和DC 750 V兩種，主要采用接觸網(wǎng)（軌）授流、走行軌回流的供電制式。直流電流通過走行軌回流的過程中，由于走行軌無法實(shí)現(xiàn)完全與大地電氣絕緣，部分電流會(huì)泄漏至大地，通過地鐵沿線的金屬設(shè)備、埋地管線等設(shè)施，最后再回流到牽引變電所，即形成雜散電流，如圖1所示。雜散電流會(huì)腐蝕其流經(jīng)的金屬設(shè)備、管線等，給設(shè)備運(yùn)行造成安全隱患[1]。

圖1 雜散電流泄漏示意圖

在地鐵相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中，要求走行軌采用對(duì)地絕緣安裝，其過渡電阻值不小于15 Ω·km[2]。但是，隨著地鐵線路運(yùn)營年限的增加，走行軌對(duì)地的絕緣電阻降低，泄漏的雜散電流也隨之增加，從而增加了地鐵對(duì)沿線金屬設(shè)備、埋地管線的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)[3]。

1 車輛基地雜散電流對(duì)埋地管線的影響

車輛基地（包括車輛段、停車場(chǎng)等）作為地鐵車輛停放、檢查、運(yùn)用和維修的管理中心，對(duì)地鐵正常運(yùn)營起著重要作用，其特點(diǎn)是占地面積大、股道密集、作業(yè)時(shí)間長（運(yùn)營時(shí)段負(fù)責(zé)車輛調(diào)度，非運(yùn)營時(shí)段負(fù)責(zé)車輛檢修）。車輛基地的道床主要分為兩種類型：庫內(nèi)采用整體道床（無砟道床），庫外咽喉區(qū)采用碎石道床（有砟道床）。庫內(nèi)受環(huán)境因素影響較小，其鋼軌的對(duì)地泄漏電阻能夠得到較好的保證，庫外碎石道床雖然本身由于碎石之間的間隙較多，絕緣程度較好，但受雨、雪及運(yùn)營維護(hù)影響較大，導(dǎo)致鋼軌的對(duì)地泄漏電阻長期處于較低的水平。同時(shí)，由于車輛基地股道在小范圍內(nèi)大量集中，根據(jù)規(guī)模其單線長度可達(dá)5～15 km，多股道的并行造成車輛基地鋼軌整體對(duì)地等效電阻很小?；谝陨显?，車輛基地是軌道交通雜散電流防護(hù)的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)周圍管線的影響較大[4]。

圖2所示為滸墅關(guān)車輛段附近天然氣管道電位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，天然氣管道在關(guān)閉陰極保護(hù)裝置的情況下，管道電位的波動(dòng)范圍為-0.5～-1.2 V，正向偏移為0.7 V，超過了GB 50991—2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中的直流干擾判別標(biāo)準(zhǔn)，其規(guī)定為“沒有實(shí)施陰極保護(hù)的管道，宜采用管地電位相對(duì)于自然電位的偏移值進(jìn)行判斷。當(dāng)任意點(diǎn)上的管地電位相對(duì)于自然電位正向偏移大于或等于100 mV時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取干擾防護(hù)措施”。說明車輛基地附近存在較大的雜散電流。

圖2 滸墅關(guān)車輛段附近天然氣管道斷電電位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

2 車輛基地供電系統(tǒng)及雜散電流防護(hù)方案

正常工況下，車輛基地與正線的牽引供電系統(tǒng)是相互獨(dú)立的，在出入段線處通過接觸網(wǎng)的分段絕緣器及鋼軌的絕緣節(jié)分?jǐn)喔綦x。庫內(nèi)與庫外鋼軌之間設(shè)置絕緣節(jié)，庫前和出入段線絕緣節(jié)兩側(cè)鋼軌通過單向?qū)ㄑb置（以下簡(jiǎn)稱單導(dǎo)）連接。車輛基地牽引供電系統(tǒng)示意如圖3所示。

圖3 車輛基地牽引供電系統(tǒng)示意圖

庫內(nèi)通常采用鋼軌電位限制裝置（OVPD）將鋼軌與大地連接，OVPD平時(shí)斷開，軌電位超標(biāo)時(shí)短時(shí)閉合，保護(hù)人身安全，以此達(dá)到雜散電流防護(hù)和人身安全保護(hù)的平衡。

根據(jù)以往設(shè)計(jì)習(xí)慣，通常在有上蓋開發(fā)的車輛基地，采取設(shè)置整體道床收集網(wǎng)、排流柜、雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等雜散電流防護(hù)措施。隨著《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ/T 49—2020）頒布，明確要求車輛基地雜散電流防護(hù)工程方案應(yīng)與正線防護(hù)工程方案一致，即車輛基地均需采取雜散電流防護(hù)措施[5]。

3 正線對(duì)車輛基地雜散電流影響研究

從圖2中可以看出，車輛基地附近管線電位的波動(dòng)與地鐵正線運(yùn)營時(shí)間較為吻合，在5—23時(shí)之間波動(dòng)較大，地鐵收車后，管道電位趨于平穩(wěn)。而車輛基地內(nèi)除早晚高峰收發(fā)車時(shí)車輛調(diào)度較為頻繁外，其余時(shí)間的維護(hù)檢修工作相對(duì)穩(wěn)定。由此可以推測(cè)，車輛基地對(duì)周圍管線的雜散電流腐蝕可能來自兩部分，一部分是車輛基地自身的牽引供電系統(tǒng)引起，另一部分來自正線的牽引供電系統(tǒng)。

3.1 定性分析

車輛基地與正線的牽引供電系統(tǒng)基本相互獨(dú)立，有兩種情況可能使這兩個(gè)牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。第一種情況是列車進(jìn)出車輛基地經(jīng)過接觸網(wǎng)分段絕緣器時(shí)，列車的前弓和后弓分別在正線側(cè)和基地側(cè)，兩個(gè)系統(tǒng)的正極通過列車的牽引系統(tǒng)連接，同時(shí)列車的輪對(duì)將正線側(cè)和基地側(cè)的鋼軌連接，該情況是短時(shí)的，列車通過后兩個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)系即中斷，該情況集中發(fā)生在早晚高峰收發(fā)車時(shí)段。第二種情況是由于在出入段線的鋼軌絕緣節(jié)處設(shè)置了單導(dǎo)，導(dǎo)通方向?yàn)榛貍?cè)指向正線側(cè)，該情況長期存在。

從圖2所示的管道電位曲線看，管道電位的波動(dòng)在整個(gè)運(yùn)營時(shí)段內(nèi)都存在，因此更多地考慮是單導(dǎo)的影響。對(duì)滸墅關(guān)車輛段出入段線單導(dǎo)主回路的電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 滸墅關(guān)車輛段出入段線單向?qū)ㄑb置電流監(jiān)測(cè)

由圖4看出，通過單導(dǎo)的電流峰值達(dá)到了近200 A，雜散電流泄漏量較大，其原因主要如下：

（1）基地回流電流通過單導(dǎo)流向正線，從正線鋼軌泄漏至大地后返回基地牽引所，如圖5（a）所示。

（2）正線回流電流從鋼軌泄漏至大地，返至基地的鋼軌，流經(jīng)單導(dǎo)后返回正線牽引所，如圖5（b）所示。

圖5 流經(jīng)單向?qū)ㄑb置雜散電流路徑示意圖

圖5所示的兩條雜散電流泄漏路徑分別來自正線和基地的牽引電流，雖然來源不同，但可以認(rèn)為路徑是相同的，都經(jīng)過了基地鋼軌和泄漏電阻、單導(dǎo)裝置、正線鋼軌和泄漏電阻，從雜散電流路徑的“暢通性”或“阻力”上看，兩個(gè)牽引系統(tǒng)幾乎沒有差別[6]。

從圖4的監(jiān)測(cè)結(jié)果看，0時(shí)之后，正線列車已經(jīng)收車，車輛基地由于部分維護(hù)檢修作業(yè)仍需持續(xù)供電一段時(shí)間，因此0—1時(shí)單導(dǎo)電流主要由基地產(chǎn)生，但數(shù)值很小，約為20 A。運(yùn)營時(shí)段單導(dǎo)電流基本持續(xù)在100 A以上，峰值達(dá)到200 A，說明正線泄漏的雜散電流是單導(dǎo)電流的主要來源。究其原因，正線運(yùn)營期間，列車數(shù)量多、速度快、取流大，雜散電流泄漏量大；車輛基地列車數(shù)量少、速度低，牽引取流總量較正線小很多。

3.2 定量研究

為了進(jìn)一步研究正線對(duì)車輛基地雜散電流的影響，選取蘇州某軌道交通線路進(jìn)行仿真研究。該線路全長約35 km，線路末端設(shè)置車輛段，接入正線末端車站，車輛段內(nèi)鋼軌單線長約8 km。正線行車密度按照30對(duì)/h單一交路考慮，出入段線長1.5 km，車輛段內(nèi)無列車作業(yè)，流過單導(dǎo)裝置的電流均為由正線泄漏、通過大地回路返至車輛段鋼軌的雜散電流。當(dāng)正線和車輛段鋼軌的對(duì)地泄漏電阻均為設(shè)計(jì)要求的15 Ω·km時(shí)，流過單導(dǎo)的電流曲線如圖6所示。

圖6 單向?qū)ㄑb置電流仿真曲線

當(dāng)分別調(diào)整正線和車輛段的對(duì)地泄漏電阻時(shí)，得到單導(dǎo)電流和車輛段鋼軌電位的仿真結(jié)果如表1和表2所示。

表1 不同泄漏電阻值下單導(dǎo)電流仿真結(jié)果

表2 不同泄漏電阻值下車輛段鋼軌電位仿真結(jié)果

該仿真是假設(shè)正線和車輛段鋼軌的泄漏電阻為均勻分布，但在實(shí)際工程中，由于土壤環(huán)境、軌行區(qū)積水、鋼軌油污積聚、油氣管線分布等因素影響，泄漏電阻呈非均勻分布且具有一定的隨機(jī)性[7]。

3.3 數(shù)據(jù)分析

3.3.1 雜散電流的影響

由表1可以看出，若正線和車輛段鋼軌的泄漏電阻均能達(dá)到規(guī)范要求的15 Ω·km，流過單導(dǎo)的正線雜散電流很小，正線對(duì)車輛段雜散電流的影響很小。隨著正線或車輛段泄漏電阻的降低，流過單導(dǎo)的雜散電流呈明顯的增長趨勢(shì)，如當(dāng)正線和車輛段對(duì)地泄漏電阻均降至1 Ω·km時(shí)，單導(dǎo)的峰值電流可達(dá)150.48 A。

需要指出的是，本模型的仿真中均未考慮OVPD合閘的情況，在實(shí)際運(yùn)營中，無論是正線車站還是車輛段，當(dāng)軌電位瞬時(shí)超標(biāo)時(shí)，會(huì)引起OVPD的合閘，這時(shí)鋼軌與大地相當(dāng)于短接，會(huì)引起更多的正線雜散電流流向車輛段。

3.3.2 鋼軌電位的影響

根據(jù)表2可以看出，當(dāng)正線鋼軌的泄漏電阻不變時(shí)，隨著車輛段鋼軌泄漏電阻的降低，雖然正線雜散電流泄漏量增加，但是車輛段的軌電位呈下降趨勢(shì)，可以認(rèn)為車輛段的軌電位受車輛段鋼軌泄漏電阻影響較大，泄漏電阻越低，鋼軌電位越趨近于大地電位。當(dāng)車輛段鋼軌的泄漏電阻不變時(shí)，隨著正線鋼軌泄漏電阻的降低，車輛段的軌電位呈上升趨勢(shì)，這是由于正線雜散電流泄漏量增加所致。

4 結(jié)語

本文結(jié)合蘇州軌道交通雜散電流相關(guān)的測(cè)試結(jié)果，研究了正線對(duì)車輛基地雜散電流的影響，通過建立仿真模型，對(duì)不同泄漏電阻下正線流向車輛基地的雜散電流泄漏量以及對(duì)車輛基地軌電位的影響進(jìn)行了模擬。通過模擬結(jié)果及實(shí)際的測(cè)試結(jié)果可以看出，在地鐵運(yùn)營期間，正線向車輛基地泄漏的雜散電流通過出入段線的單向?qū)ㄑb置返回正線牽引所，會(huì)加劇對(duì)車輛基地周圍管線的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，加之車輛基地本就是雜散電流防護(hù)的薄弱區(qū)，因此更應(yīng)重視車輛基地的雜散電流防護(hù)工作。

目前，采用專用軌回流的供電制式是很好的雜散電流解決方案，從根本上減少了雜散電流的泄漏，是新建線路的一個(gè)選擇方向。 隨著《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ/T 49—2020）的頒布，對(duì)車輛基地的雜散電流防護(hù)要求更加嚴(yán)格，需要設(shè)置雜散電流收集網(wǎng)、排流柜等防護(hù)措施，有助于減少車輛基地雜散電流對(duì)周圍管線的影響。