单向导通装置对杂散电流的影响分析

刘建华 沈松伟 周明平 王浩先

(1. 中国矿业大学 江苏徐州 221008； 2. 徐州和纬信电科技有限公司 江苏徐州 221100)



单向导通装置对杂散电流的影响分析

刘建华1沈松伟1周明平1王浩先2

(1. 中国矿业大学 江苏徐州 221008； 2. 徐州和纬信电科技有限公司 江苏徐州 221100)

在地铁运行过程中，杂散电流对钢轨和附近管道的影响很大,尤其是在车辆段、隧道等特殊区域，单向导通装置可以有效减少这些区域的杂散电流。介绍杂散电流和单向导通装置，分析单向导通装置的安装原理，将数据记录仪一端接钢轨，另一端接大地，测试绝缘节附近的轨地电压，采集单向导通装置电流并对采集数据进行分析，发现在车辆段不管是否有车通过都有杂散电流和钢轨电位的存在，这种现象表明在地铁运行中要注意这部分杂散电流和钢轨电位，避开危险电流、高钢轨电压，注意人身安全。

城市轨道交通；杂散电流；单向导通装置；钢轨电压；数据分析

随着社会的发展，城市规模越来越大，城市人口也持续增多，为了缓解交通压力，越来越多的城市选择建造地铁[1]，但是在地铁的运行中发现，地铁结构钢筋和附近金属管道经常受到杂散电流的影响。杂散电流从走行轨漏出后，经由地铁的道床流入大地,再经过大地流回到钢轨回流点。若地铁附近有导电性能较好的埋地金属管线，一部分杂散电流会把电阻率比较低的埋地金属管线作为流通路径，在变电所附近从金属管线中流出，然后再流回变电所，使金属体遭受电化学腐蚀[2-3]。在车辆段、隧道等特殊地方杂散电流会更大，为了消除或者减少杂散电流的影响，在车辆段等地方安置了单向导通装置，用来减少被保护区段的杂散电流，从而减少其对结构钢筋及金属管线的电腐蚀，以保证检修人员的人身安全[4]。但是在单向导通装置投入运行的过程中发现不管车辆段有没有车辆通过，都会存在杂散电流，并可能产生危害人身安全的轨地电压，笔者通过现场试验，采集数据并对数据进行分析。

1 杂散电流及其危害

在地铁运行中，地铁钢轨既要作为列车的导轨，也要作为将列车电流回流到牵引变电所负极的负回流轨[5]。负回流是沿着钢轨传输的，在其传输过程中，因为大地与钢轨之间存在泄露电阻，会有一部分牵引负回流电流泄漏到地下。如果地铁周围埋有导电性能较好的金属管线(天然气管道、自来水管道等)，杂散电流会通过这些埋地金属管线传输，在到达变电所附近时从金属管线中流出，再回到变电所[6]。当金属体中有电流流过时，金属体会发生电解，遭受电化学腐蚀。这种电化学反应会使得地铁主体的结构钢筋以及地铁线路附近的埋地金属管线发生腐蚀(见图1)，导致埋地管线使用寿命减少，地铁主体结构耐久度和强度降低，有时甚至会造成严重的安全事故[7]。杂散电流引起的腐蚀不同于钢铁在电解质中发生的自然腐蚀，外部电源泄露出杂散电流而引起的杂散电流腐蚀在数值上要比自然腐蚀时自发产生的电流大几十倍，甚至达到几千倍。

图1 杂散电流腐蚀钢轨和管道

杂散电流腐蚀具有如下特点：

1) 腐蚀强度大，危害大；

2) 范围广，随机性强；

3) 腐蚀剧烈，腐蚀集中于局部位置，当有防腐层时，往往集中在防腐层的缺陷部位[8]。

在车辆段、隧道等特殊地方，由于对地过渡电阻较小，产生的杂散电流较大，为了减少杂散电流的影响，安装了单向导通装置[9]。

2 单向导通装置

2.1 工作原理

如图2所示，单向导通装置由整流二极管、保护装置、隔离开关及辅助监测单元等组成。主回路由5个二极管整流装置并联组成，每个二极管支路串联一个带辅助节点的快速熔断器和一个电流传感器组成信号采集，分析和输出系统，给故障诊断装置提供主回路的通断情况。保护回路分为短路保护、逆电压保护和过电压保护，由快速熔断器、电流传感器、压敏电阻和RC回路组成。

图2 单向导通装置原理

单向导通装置中除了含有二极管支路，还含有隔离开关和消弧装置。隔离开关在特殊运营方式下作用，将绝缘节两端回流轨直接与电气相连；在列车再生制动时，单向导通装置附近回流轨电压会升高，这时消弧装置启动，消弧装置电气导通，走行轨电位降低，能够限制绝缘节两端放电，从而保证绝缘节两端人员安全[10]。

2.2 安装原理

如图3所示，在一般隧道处，单向导通装置的正极接车辆段地上钢轨，负极接地下正线钢轨。当列车在地下正线运行时，不允许列车电流回流至车辆段或列车库内。

图3 一般隧道单向导通装置安装

如图4所示，在江河之下的隧道沉管区段，单向导通装置的正极接隧道沉管区段地下钢轨，负极接沉管区段以外钢轨。当列车在隧道沉管区段运行时，列车电流通过单向导通装置回流至牵引所；当列车在隧道沉管以外运行时，列车电流通过与钢轨平行的回流电缆回流至牵引所，减少沉管区段钢轨泄漏的杂散电流，从而减少对该区段钢轨与隧道钢筋的腐蚀。

图4 隧道沉管单向导通装置安装

3 单向导通装置投入现场数据及其分析

3.1 接线原理

如图5所示，将数据记录仪一端接钢轨，另一端接大地，便于测试绝缘节附近的轨地电压。当车辆段有车辆启动或者正线段有车辆制动时，单向导通装置会有电流流过，通过电流钳形表可以读出流过单向导通装置的电流，然后将该电流上传给数据记录仪。

图5 车辆段单向导通装置测试接线

3.2 投入时现场数据

由图6测试结果可知，由于单向导通装置的存在，正线轨道的电流不会流向车辆段轨道，但在白天正线机车运营时，一直会有电流从车辆段轨道通过单向导通装置流向正线，该电流的幅值最大可达1 000 A，并且在车辆段内无机车时一直存在该电流。此时，由于出入段线轨道与正线轨道直接连接，正线连接车辆段轨道的出入段线位置存在钢轨电位，幅值最大可达20 V。

图6 单向导通装置电流及轨地电位

3.3 数据分析

针对单向导通装置电流及对应时刻的正线钢轨对地电位变化关系进行分析，取一段时间内单向导通装置电流及轨地电位，测量其电流与出入段线钢轨电位对应变化曲线(见图7)，表明当单向导通装置中有电流流过时，对应的出入段线钢轨电位为负，且出入段线轨地电位越小，单向导通装置中流过的电流就越大。

图7 单向导通装置电流及轨地电位

单向导通装置连接出入段线轨道与车辆段轨道(见图8)，由于装置的单向导电性，车辆段至出入段线轨道方向是电气连通的，只存在单向导通装置自身的压降，为0.7 V，而出入段线轨道对车辆段轨道是电气隔断的，因此，绝缘节两端车辆段对出入段线电压最大为0.7 V，而出入段线轨道对车辆段轨道的电压可以很大。

图8 测试位置示意

由于出入段线轨道与正线轨道直接连接，正线机车运行时产生正负变化的钢轨电位在出入段线位置同样存在。分析正线机车处于不同运行状态时该绝缘节位置的钢轨电位与单向导通装置电流，可对测试结果进行解释。

图9所示为正线机车加速启动时，绝缘节位置钢轨电位与电流情况。

图9 正线机车加速情况

当正线机车加速启动时，机车向走行轨注入电流，此时，机车位置钢轨对地电位为正，由于出入段线与正线轨道直接连接，此时出入段线轨道对地电位U1也为正，由于绝缘节和单向导通装置的存在，出入段线轨道的电流不能流入车辆段轨道内，此时，单向导通装置的电流为0，出入段线轨道对地电位为正。

图10所示为正线机车再生制动时，绝缘节位置的钢轨电位与电流情况。

图10 正线机车再生制动情况

当靠近车辆段的正线附近存在机车再生制动时，机车向接触网反馈电流，该电流从轨道吸收，此时机车位置轨道对地的电位为负值，因此，出入段线轨道对地电位也为负值。车辆段轨道电位大于出入段线轨道电位，电流可以通过单向导通装置流入正线。由于出入段线轨道电位为负，车辆段与出入段线为电气连通，因此车辆段轨道电位也呈现负值。由于车辆段轨道对地绝缘较差，会有大量大地中的杂散电流通过车辆段轨道汇集，并通过单向导通装置流向正线再生制动的机车，此时，机车相当于一个大的电流吸收源，杂散电流会被绝缘较薄弱轨道吸收，当测试结果中出现钢轨对地电位为负时，单向导通装置就会有大量电流流向正线。

图11～13为在500～650 s、3 500～3 700 s期间以及5 500～5 800 s期间，流过单向导通装置的电流波形与轨地电压波形。

图11 500～650 s单向导通装置电流及轨地电位

图12 3 500～3 700 s单向导通装置电流及轨地电位

图13 5 500～5 800 s单向导通装置电流及轨地电位

由图11～13可以看出其他时间段，单向导通装置电流与钢轨电位也呈现上述变化规律。

4 结语

杂散电流对地铁钢轨和附近管道的影响特别大，尤其是在车辆段、隧道等对地过渡电阻相对较低的地方。通过投入单向导通装置可以减少特殊区域的杂散电流，但在单向导通装置运行时发现，在车辆段不管有无列车运行都存在杂散电流和钢轨电位，有时还很大，因此列车在运行中要注意这部分杂散电流和钢轨电位，避开危险高电流和高钢轨电压，注意人身安全。

[1] 顾岷.我国城市轨道交通发展现状与展望[J].中国铁路,2011(10)：53-56.

[2] 岳雷.城市轨道交通中杂散电流的危害及防护措施研究[J].科技通报，2012(6)：130-132.

[3] 孟祥印,郝峰.城轨交通隧道过江段杂散电流防护方案探讨[J].现代城市轨道交通,2014(4)：62-64.

[4] 李国欣.直流牵引回流系统分析及轨电位相关问题研究[D].徐州：中国矿业大学，2012:14-16.

[5] 秦峰，朱祥连，奚杰，等.城市轨道交通设施杂散电流的防护[J].机电工程，2013，30(1)：102-107.

[6] 罗兵，王卫东.地铁直流牵引系统杂散电流防护问题的研究[J].电气化铁道，2012(5)：39-42.

[7] 赵英新，单鲁文.埋地燃气管道地铁杂散电流腐蚀的防护[J].煤气与热力，2014，34(1)：5-9.

[8] 汪园园.杂散电流分区域防护问题的研究[J].铁道标准设计，2002(6)：84-85.

[9] 黄玉苹.城市轨道交通杂散电流防护系统[J].城市轨道交通研究，2012(12)：117-119.

[10] 中国北车集团永济电机厂.深圳地铁单向导通装置使

用、安装、维护说明[R].深圳，2012.

(编辑：王艳菊)

Analysis of Stray Current under the Influence of Unidirectional Conduction Device

Liu Jianhua1Shen Songwei1Zhou Mingping1Wang Haoxian2

(1. China University of Mining and Electrical Engineering,Xuzhou, Jiangsu 221008；2.Xuzhou Information and Electrical Technology Co., Ltd.,Xuzhou, Jiangsu 221100)

During the operation of the subway, the stray current has great influence on the rail and the nearby pipe, especially in some special area, such as the metro depot, tunnel section and so on. Using the unidirectional conduction device can reduce stray current in these special areas.The stray current and the unidirectional conduction devices are introduced and the installation principle of the unidirectional conduction device is analyzed. The rails are connected and the tester is put between the rail and the earth to measure the voltage of the derailment and the current of the unidirectional conduction device; after analyzing the collected data, it is found that the stray current and rail potential in Metro depot always existed no matter whether there is a vehicle or not. In view of this phenomenon, we should pay attention to the stray current and the rail potential, try to avoid dangerous voltage and high current rail, and take care of personal safety.

urban rail transit; stray current; unidirectional conduction device; rail voltage; data analysis

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.04.026

2015-10-31

2015-11-27

刘建华，男，副教授，从事智能电网的研究。

沈松伟，男，在读研究生，从事直流牵引供电安全研究，947869829@qq.com

科技型企业技术创新资金(BG2015067)

U231.8

A

1672-6073(2016)04-0116-05