钢轨电位限制装置与杂散电流的关系分析

文│中铁电气化局集团第一工程有限公司 姚振强

1 钢轨电位限制装置简介

对于走行轨回流的地铁直流牵引供电系统，在供电分区内列车正常运行时，走行轨中流过牵引负荷电流，走行轨产生对地电位。钢轨对地电位的大小主要与牵引供电电压等级、列车参数、牵引负荷电流、牵引所间距、走行轨对地过渡电阻的均衡程度等因素相关。

当发生某些故障时，可能会引起走行轨对地电位的陡升，导致接触轨与走行轨发生金属接触短路、直流设备发生框架泄露故障等。当列车停靠站台，乘客进出车厢时会触摸金属车体，且当人多拥挤时乘客身体接触车体的时间还会较长。此时，如果走行轨出现过高电位，乘客就有可能遭遇电击的危险。

直流牵引供电系统一般设有继电保护，包括直流开关速断保护、大电流脱扣保护、电流变化率及其增量保护、过电流保护、牵引变电所双边联跳保护、直流设备框架泄露保护及紧急分闸等。由于在故障情况下可能存在设备拒动问题，仅依靠直流牵引供电系统的继电保护措施，对于人身安全而言是不够的。因此，在设置继电保护的前提下，还应考虑等电位联结措施。通过等电位联结，降低人身接触电压，使人身处于等电位状态。

为了降低车体与地之间的接触电压和跨步电压，一般在设有牵引变电所的车站和车场设置钢轨电位限制装置，在走行轨对地电位超标时，可将走行轨和变电所接地母排连接起来，这是国际上通用的一种保护人身安全的防护措施。

在直流牵引系统中，由于存在操作电流和短路电流，可能会引起回流回路和大地间产生超过安全许可的接触电压。在此情况下，就需要在回流回路与大地间装设一套钢轨电位限制装置，以限制运行轨电位，避免超出安全许可的接触电压的发生（此安全电压的规定参照欧洲EN标准）。

当发生超出安全许可的接触电压时，此钢轨电位限制装置就将钢轨与大地快速短接，从而保证人员和设施的安全，如图1所示。

2 钢轨电位限制装置工作原理及其动作过程

钢轨电位限制装置又称短路装置，是为防止钢轨对地电压过大，威胁人员及乘客安全等事件的发生而设置，同时兼有监测回流电路电位的功能。轨电位的动作装置为复用开关，由接触器及晶闸管模块构成，正常状态下合闸线圈受电，接触器在断开位，同时晶闸管处于截止状态，具体如图2所示。钢轨与大地之间的电压由电压测量模块检测并上传至PLC显示，而U>、U>>、U<电压继电器、晶闸管模块及U>>>电流继电器为判断电压并执行相应动作。

钢轨电位限制装置不断监测钢轨对大地电位的情况，可以用表1来对这四种功能进行简单的比较。

图1

图2 钢轨电位限制装置工作原理

表1 钢轨电位限制装置监测对大地的电位功能

3 杂散电流的产生与防护原则

3.1 杂散电流产生的主要因素

在地铁工程实施中，虽然全线钢轨采取对地绝缘，在任何地点不直接接地或通过其他装置接地，但钢轨对地泄漏电阻率仍不可能无限大，一般在5Ω·km～100Ω·km的范围。当列车在两牵引间运行时，钢轨电位如图3所示，列车位置处为阳极区，钢轨电位为正；牵引所附近为阴极区，钢轨电位为负。钢轨电位产生的原因是牵引回流电流在钢轨上产生了纵向电压。研究表明，钢轨电位的大小与钢轨泄漏电阻率的关系不大。当钢轨对地泄漏电阻率在5Ω·km～100Ω·km变化时，钢轨对地电位基本不变，这是由于钢轨对地泄漏电阻远大于从牵引所至列车位置的钢轨纵向电阻。杂散电流强度的大小如图3中阴影区段从钢轨泄漏至地下的电流密度的积分。

全线杂散电流的总量基本上与全线钢轨正电位及钢轨对地泄漏电阻有关。因此，降低钢轨电位及增大钢轨泄漏电阻是杂散电流防护的基础。

图3 钢轨电位分布示意图

3.2 杂散电流的防护原理

轨道交通直流牵引供电系统中，只要使用走行轨兼做回流导体，杂散电流的产生是不可避免的。为了减少杂散电流的危害，应当设法减少杂散电流量，这就需要采取有效的防杂散电流措施，使杂散电流量控制在允许的范围内。杂散电流的防护工程基本上采用“以防为主，以排为辅，防排结合，加强监测”的原则。

（1） 以防为主

控制所有可能的杂散电流泄漏途径，减少杂散电流进入轨道交通系统的主体结构、设备以及沿线附近相关设施的结构钢筋。具体实施时，由于涉及专业众多，各专业、工种必须紧密配合，尤其在施工设计阶段更要考虑综合防治措施，尽量减少直流系统与其他建筑物的电气连接。可采取的措施有：牵引变电所内和区间的直流供电设备在安装时与结构钢筋和结构主体绝缘安装；走行轨道在施工时，采用与轨道道床绝缘的安装方式；由外界引入轨道交通内部或由轨道交通内部引出的金属管线均应进行绝缘处理后方可引入和引出；在轨道交通线内部设立结构钢筋电气连通，把所有结构钢筋和接地点连接在一起，将泄漏的杂散电流排流回直流系统。

（2）以排为辅

设置杂散电流的收集系统。此收集系统为杂散电流从回流轨上泄漏后遇到的第一道小电阻的回流通道，可以将杂散电流尽量限制在本系统内部，防止杂散电流向本系统以外泄漏。

4 结束语

目前在国内已建成投入运行的城市轨道交通系统中，普遍存在轨电位异常的问题。经过测试可得出，当OVPD动作时，钢轨与地之间的入地电流（杂散电流）可达到800A以上。钢轨电位限制装置动作频繁（多条线路全线轨电位动作的次数每天近千次），甚至导致直流框架保护动作，从而引发大面积直流停电。当钢轨电位限制装置动作时，会有大量电流以大地为回路流通，尤其是当有多台钢轨电位限制装置动作时，城市地下金属结构会被大面积腐蚀。国内部分地铁运营单位为了保证安全，采取将线路部分轨电位限制装置运行于永久合闸状态，此项措施虽然解决了轨电位过高的问题，但大量的钢轨回流通过钢轨电位限制装置流入地网，形成杂散电流，还会对地网和车站金属结构产生腐蚀，影响地网和车站金属结构的使用寿命，甚至影响到车站的使用寿命。

全线杂散电流的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。因此，降低钢轨电位及增大钢轨泄漏电阻是杂散电流防护的基础。应在保证钢轨电位处于安全界值的情况下，尽量少的使钢轨电位限制装置启动，以避免杂散电流的增加。

【1】 郝卫国.城市轨道交通杂散电流的防护.城市轨道交通研究，2004（6）.

【2】 GB 50157-2013，地铁设计规范.

【3】 CJJ 49-92，地铁杂散电流腐蚀防护技术规程.

【4】 欧洲电气标准委员会.EN 50122-Protective Provisions against the effects of st ray currents caused by d. c. traction systems. 1999.

【5】 汪园园.杂散电流“源处理”方法的研究与探讨.城市轨道交通研究，2001（1）.

【6】 李威.地铁杂散电流的监测与防治.城市轨道交通研究，2003（4）.