城市轨道交通杂散电流防护失效原因及新型防护方案研究

摘要：

结合城市轨道交通工程杂散电流产生的根源及传输路径，对目前常规采用的防护方法效果不佳的原因进行分析。针对杂散电流产生的源头，提出在钢轨绝缘扣件处，扩大并长期持续保证其绝缘爬距有效性;针对杂散电流的传输，提出有效阻断其非预期传输路径的新思路及方案，包括双绝缘节及定向回流方案等;对杂散电流的泄漏总量进行有效控制，实现城市轨道交通工程建设的可持续发展。

 

1 研究背景

 

1.1 工程背景

 

目前，大部分城市轨道交通工程牵引供电系统采用了DC1500V(或DC 750V)接触网(或接触轨)授流、走行轨回流的牵引供电制式。杂散电流是指在非指定回路上流动的电流，或因有意和无意地接地，而流入大地或埋地金属物体中的泄漏电流[1]。对于采用走行轨作为牵引回流的轨道交通工程，由于钢轨与大地之间绝缘过渡电阻的下降或破坏，牵引回流从钢轨泄漏至道床、隧道结构、大地后成为杂散电流。

 

通过钢轨绝缘泄漏或其他各种方式产生的杂散电流，对轨道交通本身的道床、隧道、桥梁等结构的钢筋， 以及轨道交通工程周围的金属管线(煤气管、石油管、给排水管等)造成腐蚀[2] ，产生不同程度的危害、安全隐患和不利影响(见图1)。

 

图1 杂散电流腐蚀危害现场

 

1.2 杂散电流产生的基本原理及排流措施

 

1) 杂散电流总量与钢轨电位及泄漏电阻的关系。 钢轨与大地之间为绝缘安装系统， 列车在两座牵引变电所间运行，通过牵引网正常取流时，钢轨电位分布列车位置处为阳极区， 钢轨电位为正; 牵引变电所附近为阴极区， 钢轨电位为负[3]。钢轨电位产生的原因是牵引回流电流在钢轨上产生的纵向电压，如图2所示。

 

图2 钢轨电位及杂散电流分布示意

 

正常情况下， 杂散电流的大小就是图2中阴影区段从钢轨泄漏至地下电流密度的积分，其总量基本上只与全线钢轨正电位及钢轨对地泄漏电阻有关[3] 。具体参见公式(1)。

 

 

式中：I 杂散电流 为区间杂散电流的泄漏总量，A；I密度为沿线各点杂散电流泄漏的电流，A/m；L为区间长度值，m；V钢轨正电位为沿线各点钢轨呈现正电位的电压值，V；R泄漏电阻为沿线各点钢轨与大地之间的过渡绝缘电阻值， Ωm。

 

2) 杂散电流的排流收集措施。为减少杂散电流对工程线路及周围金属结构可能产生的腐蚀，尽快将其收集回牵引变电所，不向周围扩散和泄漏，即采用相关的排流措施。

 

参见图2，采用排流法时，原来牵引负母排的负电位变为接近零电位；因钢轨纵向电压的钳制作用使得两座牵引变电所间钢轨最高对地电位增加了一倍，两座牵引变电所间的钢轨几乎全部成为阳极区，理论计算从源头上杂散电流的泄漏总量会增加近4倍。故排流法既有其有利的一面，也有其不利的一面。

 

因为杂散电流的腐蚀及干扰问题，已有较多的管线单位(石油、燃气等)及地方电力部门进行投诉，但在各地工程的运营过程中，对于是否在牵引变电所内投入排流装置， 一直没有明确的结论。

 

2 杂散电流防护措施及其效果分析

 

2.1 杂散电流防护措施及其分类

 

杂散电流腐蚀防护采取的措施按其作用分为两类：第1类是主要措施， 是指减少杂散电流泄漏总量。第2类是辅助、备用措施，是指从腐蚀程度上加以缓解，在主要措施作用降低时起后备作用的应急措施。

 

2.1.1 第1类措施：“防”

 

杂散电流泄漏总量与钢轨电位及钢轨对地的泄漏电阻有关，这方面的措施有以下6种。

 

1)减小钢轨纵向电阻，保证牵引回流畅通。钢轨纵向尽量焊接为长钢轨，即无缝钢轨。在必须有断开点的钢轨接缝处用多组铜电缆可靠连接，间隔一定距离钢轨进行均流连接。

 

2)加大钢轨对地泄漏过渡电阻。走行钢轨采用绝缘法安装， 轨枕处钢轨下加绝缘板，采用绝缘扣件，在轨道与混凝土轨枕之间、紧固螺栓和道钉与混凝土轨枕之间、扣件与混凝土轨枕之间采取绝缘措施，加强钢轨对道床绝缘，以减少钢轨对地的泄漏电流。

 

3)加大钢轨与道床之间的空气间隙。轨底面与道床面之间的间隙值应大于30mm[1]。

 

4)对钢轨进行绝缘分断隔离。在不同线路之间、 场段与正线之间、场段的库内与库外之间、电化区段与非电化区段之间对钢轨采取绝缘分段隔离措施，并根据需要，在相应位置设置牵引回流单向导通装置。

 

5)站台门绝缘安装。车站站台门的金属结构， 通过电缆与钢轨进行等电位连接；站台门区域采用绝缘法安装，加强站台门与大地之间的绝缘，以减少钢轨对大地的泄漏电流。

 

6)运营维护管理措施。考虑车辆运营磨耗铁屑及外界环境污染造成钢轨对地泄漏电阻的影响，如对钢轨道床持续进行清洁维护或改造、更换绝缘板等。

 

2.1.2 第2 类措施：“排”

 

利用道床、隧道内结构及排流钢筋的可靠连接作为收集网和排流网，同时在牵引所内设置多支路的单向排流柜，减少杂散电流向轨道交通工程以外扩散。

 

2.1.3 其他措施：“抗”

 

对各相关金属结构及管线加强绝缘处理，同时适当增大金属结构的整体截面，降低流过的杂散电流密度，增强其自身抵抗杂散电流腐蚀的能力。

 

2.2 常规杂散电流防护方案的实际效果

 

通过严格对现场实施核查及管理，部分工程在建设及运营初期短时间内或许能暂时满足钢轨对地的绝缘电阻要求；在持续运营一段时间以后，钢轨与大地之间的绝缘电阻，很多工程连3 Ω·km 的要求也无法达到，实际的防护效果均较差。

 

同时，在正线与场段钢轨之间，以及场段库内与库外钢轨之间，采用常规的单向导通装置连接的牵引回流方案，也在一定程度上加剧了这种杂散电流泄漏的不利影响。

 

1)钢轨绝缘垫燃烧。部分区段钢轨与大地之间绝缘性能严重下降后，导致牵引回流电流直接泄漏至道床形成较大的杂散电流。在某城市的轨道交通工程中， 局部区段钢轨绝缘扣件处杂散电流出现泄漏严重， 导致钢轨下方的绝缘垫直接发热燃烧(如图3所示)，影响线路列车的正常运行。

 

图3 钢轨扣件处绝缘垫发热燃烧

 

2)场段挂接地线打火、烧损、发烫。

 

3)场段范围内， 车辆停车位置不合适， 烧损车体之间的电连接线[4](如图4所示)。

 

4)大量的杂散电流从场段钢轨回流至正线钢轨。 通过对多个工程的现场杂散电流测试，均发现在线路的运营期间，通过出入段线上的单向导通装置，有大量的杂散电流从场段钢轨流向正线钢轨。如图5所示， 某地铁工程场段内的杂散电流总量高达302.4A[4]。

 

图4 场段接地线及车体电连接线烧损

 

图5 场段流向正线钢轨的杂散电流测试数据

 

甚至有文献描述某工程在白天正线车辆运营时，一直会有电流从场段轨道通过单向导通装置流向正线，该电流的幅值最高可达1000A，并且在场段内无车辆时一直存在该电流[6]。

 

5)场段的钢轨电位限制装置频繁动作。白天正常运营，场段内无车辆运行，钢轨电位限制装置动作频繁，电压值波动异常[7]。

 

6)正线部分车站站台门打火严重。当正线部分车站站台门对地的绝缘性能下降时，严重情况下导致车站的站台门之间及与大地之间打火严重，并烧损相关部件，如图6所示。

 

图6 站台门部件打火烧损

 

随着城市轨道交通工程建设的持续，杂散电流的危害程度、影响范围及隐患将越来越大。

 

3 杂散电流泄漏防护效果较差的原因

 

对于采用直流牵引供电制式，走行轨作为牵引回流的工程而言，因其杂散电流泄漏点的防护处理不是某一时、某一点或某一处，是整个寿命期内一条线、多个面整体性考虑的问题。钢轨与大地之间的支撑点 众多，且线路情况复杂，各地下车站在车站隧道的结构体之外又独立设置了接地网；线路配套的场段占地面积大，不仅本身就是杂散电流泄漏的薄弱点，部分检修库内的钢轨根据检修工艺还有与大地直接连接的要求；因此均在一定程度上加大了整个工程杂散电流 泄漏的防护难度。

 

通过实际工程验证，目前阶段工程上采取的杂散电流泄漏防护方案及措施是有局限性的。主要有以下几方面的原因：

 

3.1 源头上防止杂散电流泄漏的失效

 

1)在轨枕处的钢轨扣件绝缘整体上防护失效。本节所描述的防护失效，不是指其绝缘防护材料本身绝缘性能的失效，是指钢轨扣件处的整体绝缘效果的失效。

 

目前在轨枕处的钢轨扣件、弹性绝缘垫块均采用自然绝缘体， 其材料本身的体积电阻率可达108Ω·m 以上，单个轨枕的金属连接件与走行轨、地之间的绝缘电阻值不应小于1 MΩ/件，湿电阻值不应小于100 kΩ/件[1]。轨枕块和钢轨下绝缘垫块的外延尺寸应大于与其连接的金属件，其外延尺寸不宜小于20mm[1] 。 但其结构及安装形式更多是为了实现钢轨良好的固定及弹性减振，不是为实现钢轨与大地之间长期可靠的完整电气隔离及绝缘。

 

对钢轨扣压件，要求按规定的振幅进行 5×106次 疲劳试验后不应折断；对弹性垫层，要求按规定的疲劳试验经 3×106次荷载循环后不应裂损[8] ，并对永久变形及静刚度变化率提出具体要求；但仅在产品的技术要求层面进行规定，对于其实际使用及更换的寿命周期并未提出具体的时间要求，同时其是否需要更换， 也是基于钢轨扣件本身的机械性能是否达标，与其整体绝缘性能是否下降没有关系，因此各运营单位实际使用的年限均较长。

 

故目前钢轨通过绝缘扣件组合安装在一起的方案，在长期运营过程中，对外界环境的耐污能力及绝缘爬距考虑不足，因此其整体绝缘性能及效果的完整性及长期有效性很难满足要求。

 

从图7可见， 钢轨扣件处的绝缘垫块，其绝缘爬距的长度较短，在工程建设及运营初期保持良好清洁的情况下，其绝缘效果相对较好；但在长期的运营过程中，由于外部环境的雨污、粉尘污染或者车辆钢轮与钢轨间磨耗产生的金属铁屑，极易破坏轨枕处绝缘扣件的绝缘效果，且很不易清理，导致其整体性绝缘失效。且由于轨道交通工程的线路较长，钢轨扣件整体数量较多，在运行一段时间后，钢轨对地整体的绝缘效果下降明显，通过钢轨的牵引回流出现泄漏，从源头上导致较多杂散电流的产生。

 

图7 钢轨绝缘扣件安装及长期运行后现场

 

2)车站站台门处的绝缘失效。在长期的运营过程中，由于隧道粉尘污染及站台清洗等多方原因，部分车站站台门区域对地的绝缘性能下降，由于钢轨与站台门金属结构件之间通过电缆实现等电位连接，牵引回流通过站台门出现泄漏，也从源头上导致杂散电流的产生， 严重时导致站台门的打火现象。图8为站台门现场安装示意图。

 

图8 站台门现场安装

 

3.2 杂散电流传输路径没有实现有效截断

 

杂散电流无论如何传输，最终还是需流回电源点的负极。根据工程实际，其传输路径主要分为两大类，一类是设计预期的传输路径， 另一类是非预期的传输路径(或不希望出现的传输路径)。

 

1)符合设计预期的传输路径。①道床结构钢筋：作为杂散电流的主要收集网和排流网；②隧道结构钢筋：作为杂散电流的辅助收集网。

 

2)非预期的传输路径。①大地：杂散电流由钢轨通过道床、站台门、钢轨限制装置、车站接地网等各种途径泄漏进入大地后， 通过大地进行传输， 再回流至临近电源点区段的钢轨；②场段出入段线与正线连接的钢轨。因为场段范围相对于正线， 更是钢轨绝缘防护的薄弱点。正线的牵引回流通过钢轨泄漏至大地以后，又从大地泄漏至场段钢轨， 最后再通过场段的出入段线钢轨流回正线钢轨。通过多个工程的实际测量，在该路径流过的杂散电流数据较大。

 

实际工程中，杂散电流传输路径基本上为以上多种方式的组合，目前的防护方案，对应非预期的传输路径均没有实现有效地截断。

 

3.3 牵引回流点的设置问题

 

各牵引变电所向牵引网供电，列车通过接触网(或接触轨)取电， 为让牵引电流通过回流钢轨回到相应的牵引变电所，目前在以下地点设置了牵引回流点：

 

1)正线牵引回流点。正线临近各牵引变电所的 上、下行钢轨，均设置了牵引回流点。正线的钢轨作为一个没有绝缘分段的整体，同时作为各牵引变电所的牵引回流通路。

 

2)场段牵引回流点。场段范围对应不同供电区域的钢轨设置多个牵引回流点。场段电气化区段范围内， 在出入段线与正线、库内与库外钢轨之间尽管均设置 了钢轨绝缘节，但通过单向导通装置实现了电气单向连通，因此从牵引回流的角度上看，场段范围内的钢轨仍然是作为一个没有完全绝缘分段的整体，均作为场段的回流通路，如图9所示。

 

图9 正线及场段牵引回流走向

 

由于正线牵引供电系统的特殊性， 牵引取流及行车密度较大，其钢轨作为一个电气完全连通的整体，且牵引变电所之间的距离一般在2～4km左右，导致牵引回流点的间距较远；当牵引所处于大双边供电或车辆处于再生制动运行工况，出现跨牵引供电分区的情况时，相应牵引回流的传输路径更长，导致钢轨电位的升高[9]；不利于正线杂散电流的防护。

 

在场段范围内，没有根据钢轨绝缘节的设置，分别在钢轨的两侧对应设置各自的单向牵引回流点，导致牵引回流在场段内跨区域的长距离大范围流动，也不利于场段内杂散电流的防护。

 

3.4 场段整个的单向导通装置方案不合理

 

1)库内至库外的单向导通装置不合理。场段库内外钢轨间设置了绝缘轨缝及单向导通装置，限制电流从库外钢轨流入库内钢轨，但无法阻止库内钢轨收集的杂散电流流向库外区段的钢轨。

 

2)场段至正线的单向导通装置不合理。场段出入段线与正线衔接的钢轨间设置了绝缘轨缝及单向导通装置，其二极管指向为场段指向正线钢轨。该方式能阻止电流通过正线钢轨直接进入场段钢轨， 但无法阻止整个场段范围钢轨收集的杂散电流流向正线的钢轨。且由于其范围大、杂散电流防护相对薄弱，传输路径通畅，反而成为一个有较多杂散电流通过的主要非预期通路。单向导通装置设置方案如图10所示。

 

图 10 场段单向导通装置设置方案

 

由于上述多种因素，再加上站台门等电位连接、牵引供电的故障支援、检修库钢轨安全接地等多种需求交织在一起，导致整个工程的杂散电流防护方案很大程度上是一个漏洞较多且自相矛盾的结果。

 

4 杂散电流防护新思路及方案的提出

 

杂散电流防护设计方案的成功，主要在于杂散电流的“防”，即在源头及传输途径上实现堵截，主动避免杂散电流的产生，属于“治本”;后续的“排”、“测”以及其他金属管线自身的加强绝缘防护措施等均为被动地监测及补救措施。

 

根据调研，对于没有采用钢轮钢轨作为牵引回流通路的直流牵引供电制式工程，类似中低速磁悬浮线路、跨座式单轨交通等工程，因其正、负极供电轨均为完整有效的电气绝缘安装，在长期运营过程中，没有出现较为明显的杂散电流泄漏情况。

 

按该思路，部分地铁轻轨工程提出采用专用“第四轨”作为牵引回流的模式，即不再采用钢轮钢轨作为牵引回流通路，通过独立的授电靴，将牵引回流引至独立设置并完全电气绝缘安装的专用回流导电轨中。该方案从电气原理上彻底解决杂散电流的问题，目前国内已有工程在进行该方案的实施验证，属于工程牵引供电制式的选择问题，本文不对其进行论述。

 

本文更多针对的还是采用常规钢轮钢轨牵引回流模式的工程，提出杂散电流防护新的思路及方案，将其电流幅值及泄漏总量大幅下降，但不考虑将其完全消除，控制在工程整体可以接受的程度，并实现防护措施的长期有效性。

 

4.1 常规防护方案的优化和完善

 

1)取消钢轨与站台门之间的等电位连接线。避免牵引回流直接通过站台门泄漏至大地成为杂散电流[10]。通过加强人体可触及的站台门金属构件表面的绝缘，或站台门金属结构件采用绝缘材料包覆，同时与钢轨电位限制装置配合等其他措施来解决跨步电位问题。该优化方案的实施还需各地结合自身的实际运营管理情况确定。

 

2)避免钢轨电位限制装置的频繁动作。在牵引供电系统方案中，优化牵引变电所的布点方案，尽可能在各牵引变电所内均设置再生制动能量吸收装置(或采用双向变流装置)，并加强其吸收效率及稳定牵引网电压[10] ，尽量减少牵引回流的跨区域流动。

 

完善钢轨均、回流电缆设置等措施，减少牵引回流的钢轨阻抗，同时改进钢轨电位限制装置自身的动作特性，避免其频繁动作，减少牵引回流通过钢轨电位限制装置直接入地引起的杂散电流。

 

4.2 防护新思路及方案的提出

 

4.2.1 改进钢轨绝缘安装方案：源头上堵截回流钢轨除钢轨扣件处以外均为悬空安装，与道床面及其他结构体之间的空气空隙较大，其绝缘强度足够，因此需要改进的是钢轨扣件处的绝缘安装方案。

 

在不改变既有钢轨与轨枕的安装固定及绝缘材料方案的基础上，从整体性电气绝缘的思路，考虑足够的绝缘性能、耐污能力及爬电距离， 提出改进的钢轨绝缘安装防护方案：在对应绝缘扣件的局部范围内，给钢轨套上一层完整的、绝缘爬距足够且长期有效的绝缘防护套。该绝缘防护套应不影响轨道整体的各项性能指标及要求， 同时具有超薄、高绝缘能力、 高抗压耐磨、耐污、憎水及很好的弯曲能力， 上部开口， 下部整体完全封闭， 其截面与钢轨外形完全紧密贴合，在轨枕处将钢轨轨腰以下的金属部分完全进行绝缘包裹并贴合， 使钢轨与轨枕及其固定扣件整体上完全绝缘隔离，实现电气隔离的完整性。其思路参见图11。

 

图11 轨枕处钢轨绝缘防护套方案安装示意

 

对应该绝缘安装方案，在长期的运营过程中，在扣件处即使有外部环境的粉尘污损或者钢轮钢轨磨耗产生金属铁屑累积，短时间内钢轨在轨枕处与道床之间整体上也不至于出现电气绝缘性能大幅下降的情况，从源头上大幅减少牵引回流可能的泄露点。且钢轨与大地之间本身的电压水平不高，较易从电气原理上实现其在长期运营过程中电气绝缘的有效性。该超薄钢轨绝缘套，厚度仅毫米以内级别，既可以保证高绝缘性能，又不影响既有钢轨与轨枕之间的安装固定方案，不影响钢轨与道床的维护检修。

 

该方案结构简单，特别针对杂散电流防护的薄弱及敏感区段，能有效提升钢轨对地绝缘电阻的长期有效性，从源头上减少杂散电流的泄漏。

 

4.2.2 有效截断杂散电流非预期的传输路径

 

通过多个工程现场实测发现，如能将场段范围内的库内与库外、场段与正线之间的钢轨回流通路实现有效电气隔断，正常情况下从场段钢轨回到正线钢轨的杂散电流能实现大幅下降。

 

1)库内与库外钢轨电流传输路径的截断。场段范围的库内与库外区段钢轨回流，由常规的钢轨绝缘节+单向导通装置的方案，调整为钢轨绝缘节+定向回流导通装置的方案。具体方案示意如图12。

 

图12 场段范围钢轨电流传输路径截断方案

 

将整个场段范围库内、库外不同区段钢轨回流相互隔离，并通过单向导通的二极管回路各自独立的回到场段内的牵引变电所，避免牵引回流通过钢轨的跨区域流动[8]。正常情况下，由于定向回流导通装置中两套独立的单向二极管回路的阻断特性，即使库内某些钢轨与大地之间有直接接地，也不会导致大地中的杂散电流通过该接地线传入场段钢轨的跨区域流动， 实现场段范围内不同牵引回流分区钢轨之间杂散电流传输路径的有效阻隔。

 

2)场段与正线之间钢轨电流传输路径的截断。针对场段与正线之间钢轨电流传输路径，目前有多种新型的截堵方案，以下仅对其中一种较为典型的截堵方案进行简要分析论述。

 

场段与正线之间衔接处的钢轨回流， 由常规的钢轨单绝缘节+单向导通装置的方案，调整为钢轨双绝缘节+ 组合式单向导通装置的方案。具体方案示意如图13。

 

图13 场段与正线之间钢轨电流传输路径截断方案

 

场段与正线供电区段衔接处的钢轨采用双绝缘节方案，中间设置一段过渡区段，将场段与正线之间的钢轨完全有效绝缘隔离。正常情况下，场段及正线牵引变电所各自独立供电并回流，通过采用组合式的单向导通装置及钢轨的双绝缘节方式，实现牵引回流及杂散电流的双向有效阻隔，达到场段与正线钢轨之间杂散电流传输路径的有效截断[7]。

 

场段牵引所故障情况下，闭合组合式单向导通装置中至场段牵引变电所负极相应的电动隔离开关，实现正线向场段的越区支援供电。

 

5 结论

 

对于直流牵引供电、钢轮钢轨回流方案的城市轨道交通工程， 对于没有采用专用回流供电轨的杂散电流问题，其防护方案仍需继续进行深入研究，并持续改进。

 

1)对于杂散电流防护，目前在工程中采用的常规措施和方案，其相互间存在较多矛盾及不完善之处， 导致在运营过程中的实际效果及长期有效性均较差。

 

2)正常情况下，杂散电流的产生来自于回流钢轨，而回流钢轨出现杂散电流泄漏的源头在于钢轨绝缘扣件的电气绝缘爬距不足，在运营期内的整体绝缘有效性降低。改进钢轨绝缘扣件的整体绝缘方案，能从源头上防止杂散电流的产生。

 

3)切断杂散电流的非预期传输径路， 是降低杂散电流总量的一种有效措施。尤其在场段范围、场段与正线之间的钢轨牵引回流方案，不能成为杂散电流的有效传输路径。

 

本文对常规杂散电流防护方案进行分析及优化， 同时在源头防护上提出一种新型的钢轨绝缘安装方案思路，以及在其传输路径上提出新型的有效阻断方案。

 

杂散电流尽管不能完全彻底消除，但对其泄漏的幅值及泄漏总量进行有效控制，将其大幅下降至可以接受的程度，对于城市轨道交通工程建设的可持续发展和长期运营而言，具有较大的经济及社会效益。

 

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来源：都市快轨交通