上海轨道交通3号线停车场杂散电流分析

（上海轨道交通维护保障中心供电公司，200235，上海∥工程师）

上海轨道交通3号线停车场杂散电流分析

郭 志

（上海轨道交通维护保障中心供电公司，200235，上海∥工程师）

针对上海轨道交通3号线停车场内因杂散电流引起的故障，对杂散电流在停车场内的回流路径进行了模型分析。并结合该模型对站场杂散电流的特性进行测试，提出了停车场安全运行的相关建议。

城市轨道交通；停车场；杂散电流

Author's address Shanghai Rail Transit Maintenance Support Center，200235，Shanghai，China

上海轨道交通3号线开通于2000年底，其停车场作为车辆检修和保养场所，为日常的列车运营提供保障。3号线停车场回流系统结构布局如图1所示。

停车场回流系统的主体结构分为检修库、停车库和停车场站场三部分。其中停车库为10股道，检修库为3股道，站场外分为出库线和入库线。停车场的回流采用单轨方式，停车库和检修库同站场、站场和正线之间均通过单向导通装置［2］进行连接（图1中分别表示为1、2、3、4、5号单向导通装置）；停车场内回流电缆为11根1×400 mm2的直流电缆，分布于检修库单导回流箱节点（3根1×400 mm2）、停车库前单导回流箱节点（4根1×400 mm2）和出入库前回流箱节点（4根1×400 mm2）。停车库的钢轨通过均流线短接，并由均流箱通过漕河泾降压所的轨电位装置［3］（简称NK11）接地。站场内钢轨通过停车场牵引站内轨电位装置接地。

停车场库内架空地线与库内的结构钢连接，在库内隔离开关拉开时，对应库内的接触线与停车库内钢结构及承重钢梁电气连通。

图1 停车场回流系统结构图

1 停车场出现对地短路问题

3号线停车场在运营时段的库内作业时，检修人员按照站场和停车库内的作业要求，在停车库内停8道和停9道靠近库内分段绝缘器处挂设接地棒线。检修人员库内作业约1 h后，出现停9道库内的接触线烧蚀断裂，引起接触线带电部分对地短路。

出现该问题后，检修人员对停车库内的均、回流电缆进行排摸，均未发现问题。为此，笔者与技术人员对问题产生的原因进行了现场试验，主要模拟接地线短接接触线和停车库的回流轨。测试时停车场的电路结构示意图如图2所示。

图2 停车场模拟试验结构示意图

图2中，利用一根截面为95 mm2、长度为6 m的接地线将库内钢结构与库内回流轨短接。在后续测试过程中，测得该接地线有电流流过。利用测试装置对该电流出现的峰值进行测试的结果见表1。

表1 停车库钢结构与回流轨间峰值电流

测试发现，该电流为间歇性的峰值电流，持续时间接近10 s；电流的出现频次与正线车辆运营工况之间存在极强的相关性，在运营高峰时段，该电流峰值出现的频次和幅值更高。

2 停车场杂散电流测试和分析

根据模拟试验结果，停车场车库内无电客列车取流时，连接库内回流钢轨和接触线的接地线中出现了较大的直流电流。初步分析认为，该电流由正线通过某个电流通路进入停车场，通过停车场的钢轨和回流电缆形成回路。

为找到该问题产生的真正原因，技术人员对该停车场进行了系统测试和验证，并根据停车场整体结构特点，从停车场与正线的地理位置关系、停车场的等效电路结构、停车场出现的电流频率与正线列车运行之间的关系等方面进行了分析。

2.1 停车场与正线的地理位置因素

上海轨道交通3号线的停车库与正线的位置关系与其他停车场不同。3号线停车场位于上海南站至石龙路线路区段的中间位置，与正线地理位置非常接近，库房与正线的垂直距离不足5 m；停车场与正线平行，平行距离接近700 m。停车场与正线的位置关系如图3所示。

图3 停车场地理位置示意图

由于停车场与正线特殊的地理位置关系，正线钢轨出现泄漏电流时，将使泄漏电流较易进入停车场的回流系统。该部分电流被称为城市轨道交通牵引供电系统中的杂散电流。由于杂散电流流过的路径较为复杂，且其电流方向与电流泄漏点附近金属结构的电阻相关性较强，因此杂散电流的方向和幅值的计算不太容易。一般通过轨道附近的杂散电流监测系统测试轨道和道床结构钢筋的极化点位，来评判杂散电流的情况。

根据3号线建设时期的资料，在上海南站至石龙路站区段内的线路轨道为碎石道床［4］，其杂散电流的泄漏量比整体道床的泄漏量大，无法对该部分杂散电流进行有效监测。随着线路运营密度的增加，线路的载荷电流也随之增大，而轨道对地的绝缘也随着线路运营时间的增长而降低。在上述因素的共同作用下，该区段内杂散电流问题在运营一定时间后较为突出，对停车场的安全运行造成影响。

2.2 停车场的等效电路结构

笔者根据停车场的站场位置结构，对停车场内出现的问题进行系统调查后，绘制了回流系统的电路结构。停车场的等效电路如图4所示。

等效电路中，停车库内的钢轨、单向导通装置的二极管阴极与牵引站负母排的连接电缆电阻均属于小电阻。停车场内单向导通装置内的主要元器件为二极管，因此该电路为一种非线性地电阻电路［5］。其中，钢轨的横向电阻与钢轨对地的绝缘相对应。停车库的建筑地电阻根据规定小于10Ω，而轨电位装置所接的地为变电所的电气地网，根据相关设计标准，其电气结构地电阻小于4Ω。将正线钢轨对地的杂散电流走向路径进行标识，形成杂散电流的流向示意图（见图5）。

图4 停车场等效电路结构示意图

图5 杂散电流在停车场内的流向示意图

正线钢轨泄漏电流进入大地后，根据停车场车库的接地电阻和钢轨对地横向电阻，以及车库钢梁与钢轨的过渡电阻之间的电阻值比例，按照欧姆定律进行电流的分配。

为验证等效电路中杂散电流流向与停车场杂散电流回流路径的一致性，笔者结合等效电路结构特点，对其进行了试探性的测试和验证，以测试数据验证该停车库的等效电路的合理性。

（1）将停车库内的钢轨电位限制装置（轨电位装置）从分位调整为合位运行，测试停车场电流的分布。将停车库轨电位装置NK11运行于合位，且停车库结构钢通过95 mm2软铜线与回流轨短接，来模拟库内接触网挂接地线的工作状态。整个停车场系统电路结构的等效模型如图6所示。

库内短接线电流和库内轨电位装置连接电缆内流过的电流测试数据见表2。由于2个支路为并联结构，其对地的电阻存在一定的差异性，造成两支路电流的不一致。

（2）在（1）的基础上，将停车库内和站场侧的轨电位装置（NK11）均从分位调整为合位运行，测试停车场电流的分布（见图7）。

图6 停车库内接地等效电路1

表2 停车库回流轨和库内NK11电流 A

测试停车库结构钢与对应的库内的回流钢轨电流、两套钢轨电位限制装置的电流，结果如表3所示。

图7 停车库内接地等效电路2

表3 停车库回流轨和库内、站场NK11电流 A

由表3可以看出，第1组所测试的库内结构钢和库内回流轨间回路峰值电流为462.5 A，而第3组测试中库内回流和库内、站场三者的电流和为645.7 A。测试结果表明，金属结构形成的并联电路将正线杂散电流从大地重新引入停车场内的钢轨和库房金属梁，并通过停车场与正线的单向导通装置重新流回正线。此为典型的杂散电流回流特性。

2.3 停车场出现的电流频率与正线列车运行的关系

对3种测试电流出现的频次进行计时，并对比正线运营列车的运行关系，发现库内短接线内出现的电流频次和正线列车的运营相关性极强：正线列车在上海南站进站过程中，短接线内的电流从零开始增加到最大值，且持续10～15 s不等，随即电流为零，在下一列列车进入该区段后，电流重新出现。

对比分析以上3组测试及后续所测试电流基本可以确定，停车场内无车时产生的电流为：列车在正线车运行过程中，钢轨内的回流电流从正线泄漏进入大地，形成杂散电流；该电流借助停车场的金属结构和站场钢轨形成有效回流通路，在库内隔离开关拉开，且库内接触线与回流轨短接后，在对应股道接地线上流过；该电流引起接地线与库内接触线的接触面发热，经过一段时间的热量积聚，使得接触线发热变形，引起接触线断裂，造成停车场作业过程中接触网断线故障。

3 杂散电流的预防

综上所述，在3号线停车场内存在杂散电流。该杂散电流从正线轨道泄漏进入停车场的金属结构，如停车库的钢梁、库房内的金属部件等，并根据整个停车场金属结构所形成的等效电路的阻抗分布，按照欧姆定律的特点最终通过站场的钢轨及单向导通装置重新流入正线。由此杂散电流从正线走行轨泄漏进入大地、停车库结构钢，再进入站场内的钢轨点形成两个阳极区，造成以上两个部位的金属结构腐蚀。需从杂散电流的防护角度对该电流进行抑制，以确保正线和停车场的安全运行［6］。

从杂散电流的防护措施上考虑，主要应加强正线钢轨对地的横向电阻，提高钢轨对地绝缘；对正线钢轨回流路径的阻抗进行整改，有效降低牵引供电区段内的纵向电阻，降低轨道电位，从源头降低线路对地的杂散电流。同时，应加大停车场内杂散电流防护手段的整改力度，对停车场杂散电流回路进行改造，降低或消除杂散电流进入停车场的路径，确保杂散电流不从停车场的金属结构重新流入大地，以提高停车场运行过程中金属结构的安全性。

4 结语

本文针对上海轨道交通3号线停车场运行过程中出现库内隔离开关拉开后，在接触线和回流轨间挂接地线引起接触线断线问题进行系统电路结构分析和测试；对正线杂散电流进入停车场的回流路径进行电路结构建模，并利用测试数据对该模型的合理性进行验证；分析杂散电流对停车场安全运行的危害性，为停车场杂散电流的整改提供基础数据和理论支持。

［1］ 李建明.城市轨道交通供电［M］.成都：西南交通大学出版社，2007.

［2］ 李威，赵煜.地铁列车通过绝缘结消弧方法的研究［J］.中国矿业大学学报，2004（1）：86.

［3］ 何宗华.城市轨道交通工程设计指南［M］.北京：中国建筑工业出版社，1993：179-207.

［4］ 施仲衡.地下铁道设计与施工［M］.西安：陕西科学技术出版社，2002.

［5］ 邱关源.电路［M］.北京：高等教育出版社，1999.

［6］ 曹晓斌，吴广宁，付龙海，等.地铁杂散电流的危害及其防治［J］.电气化铁道，2006（4）：23.

Analysis of the Stray Current in Shanghai Metro Line 3 Depot

Guo Zhi

The stray current in Shanghai Metro Line 3 depot is inspected，the backflow current model of stray current in the depot is analyzed.Based on this model，the stray current value and its direction in the depot are tested，some suggestions on the safety operation of the depot are proposed，in order to provide the fundamental reference on the prevention of stray current in rail transit depot.

urban rail transit；depot；stray current

U 284.26

2012-05-06）