南京地铁大胜关桥与国铁交流系统共地方案分析

2012-04-01罗利平

城市轨道交通研究 2012年2期

罗利平

（中铁上海设计院集团有限公司，200070，上海∥高级工程师）

南京地铁12号线经由大胜关长江大桥过江，与国铁京沪铁路客运专线、沪汉蓉专线合建并共桥面运行。合建部分分为三段：北引桥，主桥，南引桥；长度分别为1.202 4 km、1.615 0 km、0.856 6 km，共计3.674 km。主桥为6线钢结构桥梁，引桥区段为混凝土预制箱梁。京沪高速铁路、沪汉蓉客运专线以及南京地铁12号线均在桥上共桥面通过。地铁进入配合时大桥主体已经施工完毕。

就常规而言，国铁交流系统的“地”和地铁直流系统的“地”各行其道，互不相关，相互间也不会形成影响。但大胜关桥为国铁和地铁并行线路段，而且主桥区段已建成，因此，地铁直流系统的“地”和国铁交流系统的“地”通过此钢结构桥形成了自然共地。国铁与地铁在同桥上并行在国内尚属首例，无经验可参考。本文主要探讨国铁交流系统的“地”和地铁直流系统的“地”能否共地，共地后有何影响。

1 国铁、地铁供电系统与“地”的关系

使用架空接触网供电，走行钢轨作为回流回路是大胜关桥交流系统和直流系统的共同特点，但是，两个系统的接地和连接方法却有着本质的不同。

国铁采用交流27.5kV或2×27.5kV供电，直接牵引接地形式。交流系统的供电臂一般长达20km，其钢轨电位比直流1 500V（其供电臂一般不超过4km）系统明显要高很多，哪怕其运行电流很小。因此，为将钢轨电位限制在可接受的范围内，必需将回流回路进行接地；加上感性耦合作用，大地与钢轨一样也作为交流系统的回流通路，大地回流电流最大可为牵引电流的1／3。

南京地铁为直流系统，采用直流1 500V供电，开放式牵引接地形式。其钢轨作为回流通路，通过短路装置与大地连接。在直流牵引系统中，流经大地的电流会产生危险的杂散电流腐蚀，所以必需减少这部分回流。因此，钢轨必需与大地保证良好的绝缘，以尽可能避免杂散电流的产生。

2 绝缘地可行性分析

国铁交流系统的“地”和地铁直流系统的“地”实现相互绝缘，就是为了保证两个系统的独立运行，从而避免两个系统间的相互干扰。在已经完成土建实施的大胜关6线钢结构桥共线路段，实现直流系统“地”和交流系统“地”的绝缘（以下简称绝缘地），形成各自独立的供电系统措施如下。

2.1 完全绝缘

首先是从土建上来考虑形成完全绝缘方案。由于钢桥已经建成，没有考虑任何隔离措施，因此要将国铁的“地”和地铁的“地”分开，必需在现有基础上加一层绝缘材料。即在钢结构桥桥面和与国铁的分界侧面分隔处敷设一层绝缘材料，然后将地铁所有的设备和材料均安装在此上面，让直流地和交流地完全分隔开来。

2.2 局部绝缘

其次可考虑采取局部绝缘措施。即：凡跟直流地有关的设备材料考虑采用绝缘安装。因此，如要实现绝缘地，首先必须保证接触网支柱或支撑安装装置在钢桥上绝缘安装，因为接触网支柱或支撑安装装置是与架空地线连在一起的；其次要保证电缆支架上全线贯通的接地扁钢绝缘安装，因为沿线所有设备材料的保护地均接在此直流地的接地扁钢上。

模糊决策采用 Mamdani推理法进行，现以XOZ平面上的偏移量与偏移变化量为例进行介绍。基于上文制定好的模糊控制规则，令偏移εXOZ=Ai,偏移改变量ΔεXOZ=Bj，液压缸压力差ΔPXOZ1=Cij(其中， i、j=1、2、…、7，i、j分别为模糊控制规则的行、列数)，则总的模糊关系R可由49个模糊关系按下式计算得到：

2.3 绝缘地导致的问题

1）杂散电流问题。采用完全绝缘地方案，有利于杂散电流防护，只要绝缘材料足够好，形成的电阻值足够大，理论上地铁的回流电流一旦从钢轨泄漏至地，也不会穿透这层绝缘材料，杂散电流就不会迷散，当然也不会形成腐蚀。采用局部绝缘地方案与共地方案相同，由于运营环境及其它方面的限制，走行轨不可能完全绝缘于安装的结构，因此牵引回流电流不可避免地经走行轨向其它结构泄漏而产生杂散电流。相对共地方案来说，完全绝缘地方案的杂散电流泄漏量会减少很多。

2）人身安全问题。如采用完全绝缘，主钢桥全长1.615km，全程敷设一层绝缘材料，不仅增加大量投资，而且绝缘材料老化后易形成击穿。一旦交流系统短路，交流地和直流地之间电流至少高达几千安培。如绝缘薄弱处被击穿，或某处已形成通路，就可能在两个系统间产生很高的可接近电压，直接危及地铁维修人员的生命安全。这与“安全为先”的设计理念是相矛盾的。

如采用局部绝缘，在钢桥区段地铁系统同时存在直流地和交流地，两“地”间必然会存在电位差，一旦形成通路，超过可接触电压，会造成不良后果。

3）绝缘寿命及维护问题。根据目前市场调查，绝缘材料的寿命一般不会超过30年。因为绝缘材料的寿命不仅跟本身耐热等级有关，更重要的是使用条件。而敷设在大胜关桥上，除遭受日晒雨淋外，还需承受剧烈的振动和国铁高速带来的疾风，因此其寿命更不可期；况且30年后在不影响运营的情况下又不易更换（因为所有设备材料包括钢轨均安装在绝缘材料上面）。因此，就算初近期做到了绝缘地，远期也难以实现。这与大胜关桥百年大计相冲突。

相对完全绝缘，局部绝缘方案使用的绝缘材料少，也便于更换，有利于今后的维护运营，但如何保证大量的接触网安装装置的绝缘安装，与绝缘材料如何配何好，又成了一个新的问题。如果接触网的安装装置不能实现与交流地的绝缘，那么局部绝缘就无法实现。

4）泄漏通道问题。接触网在绝缘材料上进行绝缘安装后，接触网架空地线与接触网支柱或其它接地端需连接，并间隔一段与直流地联接。因此，如果考虑采取绝缘地，还必需在绝缘材料上面新建一个接地系统，或新增对交流地的瞬间等电位连接设备，否则主钢桥上没有了直流系统的大地回路，无法象常规一样接地，架空地线只能每隔一定距离与直流系统全线贯通的接地线相连。这种情况下一旦遭受雷击，泄漏通道非常长，不利于雷电保护。如新增瞬间等电位连接器，但在什么冲击电压下让其连通、间隔多少米连通一次等问题，在国内尚无实施案例，需有待研究和测试。

因此基于人身、设备安全考虑，已经实施的大胜关桥不建议采用直流地与交流地绝缘的方案。

3 共地方案可行性分析

由前述可知，国铁接地系统与地铁接地系统的目的及要求不同，将两者相连，形成共地，必须研究其对两个系统的设备绝缘、轨电位以及杂散电流等方面的影响进行分析。

3.1 杂散电流问题

交、直流系统共地后，直流对交流系统的影响主要就是直流系统导致的杂散电流腐蚀的问题。众所周知，直流系统的回流电流一旦泄漏到地上，就成为杂散电流；该电流流动方向总是相同的，很容易与电解质相接触的金属物发生化学反应。当杂散电流进入金属构件时，对其不产生腐蚀；而当杂散电流从金属构件流出至非金属介质时，对其产生腐蚀。对于结构钢筋，其腐蚀的原理就是钢筋与其周围的水泥硅酸盐发生电化学反应，钢筋释放铁离子与周围电解质反应生成其它化合物。

因此，为确保交流系统的土建结构安全，采用共地后，如何防止杂散电流的腐蚀就成为非常重要的一个问题。在回流回路中保持较低的纵向电压降，以及钢轨与大地的良好绝缘，可有效地限制杂散电流。

对于大胜关桥，在交、直流系统共地后，采取以下措施来防护杂散电流：

首先，采取的就是“堵流”的措施，以从源头上控制和减小杂散电流泄漏量。即采用合成轨枕、绝缘安装、加绝缘垫板、涂绝缘漆并设绝缘结等措施。

其次，采取的是加强回流通路，减少钢梁主桥的杂散电流水平。如主桥绝缘结间加一根并联的回流电缆，上下行或同方向钢轨间增加均流线等，以保持畅通的回流通路。

最后还设置收集网，一旦杂散电流泄漏，通过收集网收集，可基本保证大部分杂散电流的回收。

3.2 轨电位的影响

根据欧标EN 50122－1，国铁交流系统的长期安全可按触电压为60V，0.1s要允许的短时最大接触电压为842V；地铁直流系统长期安全可按触电压为120V，短时最大接触电压为660V。

为确保人身安全，地铁设置轨电位限制装置。一旦钢轨电位超过欧标允许长期可接触电压120 V，轨电位限制装置动作，将钢轨和大地短接起来。国铁采取等电位联接，即根据60V的安全电压进行计算，隔一段距离将钢轨与地进行连接，确保轨电位在可受的范围内。

正常运行时，不考虑电磁感应的影响，各轨电位均满足设计安全电压值的要求。一旦国铁或地铁发生短路，可能引起共地的地电位升高，但不一定引起轨电位升高。

大胜关桥合建段长3.674km，而该区间则长达11.28km，大胜关桥段基本位于区间中段。在正常运行时，地铁系统不会有人到大胜关桥段作业，或运行期间限制人员上桥作业。因此笔者认为，该区间轨电位值可适当放宽。如果地铁系统出现故障，必需上桥作业，此时此段地铁系统已经停运，需结合国铁对本线的电磁感应，并考虑国铁运行期间可能发生短路，通过计算，将地铁钢轨跟接触网一样按一定间距挂地线，以确保人身安全。

3.3 绝缘配合的问题

地铁采用直流1 500V供电，国铁采用交流27.5kV供电。因此，一旦国铁某条线路短路，形成大电流高电压冲击直流系统时，会造成直流系统的绝缘是否会被击穿的问题。首先，地铁供电系统沿线路上敷设安装的主要设备（接触网及其安装的相关零配件和支撑结构等，还有电缆支架）中，除接触网外，其它的设备均与地是等电位；因此如要考虑绝缘击穿，首先面临冲击的是直流1 500V系统接触网支撑采用的绝缘子能否耐受27.5kV国铁系统的短路冲击。

根据常规设计，直流1 500V系统接触网采用的绝缘子一般设计的干闪电压是60kV、1min，湿闪是30kV、1min。

假设国铁27.5kV某条线路短路，形成大电流高电压冲击直流系统时，其短路电流（Id）假设为20 kA，综合接地电阻（R）假设为0.5Ω，入地短路电流分流系数（K）为0.5，则造成的冲击电压U＝K·Id·R＝5kV。就算分流系数为1，这样的反冲击电压是不会造成地铁直流系统的绝缘破坏的，因此也不会影响直流系统接触网的正常运行。

当然，如果国铁27.5kV长期短路不跳，其自身的设备和系统都会出现问题，何况地铁。这时地铁系统可考虑通过轨电位等来设置闭锁或跳闸。