地铁车辆段杂散电流的特征分析及防护

于志永

地铁车辆段杂散电流的特征分析及防护

于志永

（青岛地铁集团有限公司，266011，青岛//高级工程师）

地铁车辆段内轨道线路复杂，轨道与大地之间过渡电阻低、绝缘性能差，造成车辆段内存在大量的杂散电流，严重影响了车辆段的使用寿命。建立地铁车辆段牵引回流系统模型，仿真分析正线列车运行状态变化对车辆段内杂散电流的影响。结合某地铁公司车辆段现场杂散电流测试，验证了仿真分析结果的正确性。分析了地铁车辆段内杂散电流产生的原因，并给出了相关防护措施。

地铁车辆段；牵引回流系统；杂散电流防护

地铁车辆段承担着地铁车辆的停放、检修、调试、清洗、保养等重要功能，段内轨道线路复杂，道岔较多。然而考虑到地铁车辆段工作人员的安全以及建设成本，车辆段内轨地过渡电阻很低。图1为国内某地铁车辆段钢轨对地建筑物结构钢筋的过渡电阻测试结果统计图，可见，该车辆段的过渡电阻平均值约为0.3Ω，远远小于正线钢轨对地电阻。因此，车辆段是地铁系统中杂散电流防护的薄弱环节。本文首先对地铁车辆段的牵引回流系统进行仿真分析；然后结合国内某地铁公司车辆段现场杂散电流测试，对仿真结果进行验证，并分析车辆段内杂散电流产生的原因；最后给出了地铁车辆段杂散电流的相关防护措施。

图1 国内某地铁车辆段过渡电阻测试结果

1 建模分析

1.1 回流系统模型建立

为研究正线段列车的不同运行情况对车辆段杂散电流规律的影响，建立正线段钢轨-排流网-大地三层结构的回流系统模型：在双牵引变电所组成的供电区间内，以列车运行位置为分界点，将供电区间分成两个分析域，根据分析域临界点的电参数平衡，建立地铁杂散电流分布的解析模型，构建完备的边界条件，从而求解相应的杂散电流和钢轨电位。钢轨－排流网－大地回流系统模型如图2所示［2-3］。其中，Rg为钢轨纵向电阻；Rp为排流网纵向电阻；Rd为大地纵向电阻；R1为钢轨－排流网过渡电阻；R2为排流网－大地过渡电阻。

图2 钢轨-排流网-大地回流系统模型

以列车位置为边界点将供电区间分为0～L1左供电区间和L1～L右供电区间。通过理论分析可知，两边的牵引电流分配如下：

以左供电区间为例，建立各层微元等值电路如图3所示。其中，U1（x）为x处钢轨对排流网的电压；U2（x）为x处排流网对大地的电压；Ig（x）为钢轨在x处的电流；Ip（x）为排流网在x处的电流；Id（x）为大地在x处的电流。

列车负荷电流回流示意图如图4所示。其中，r为牵引网等效电阻；I为列车向钢轨注入的电流；L为供电区间长度。

图3 各层微元等值电路

对分布模型进行分析，由图4可知，在x=0（牵引变电所位置）处，有：

图4 列车负荷电流回流示意图

根据基尔霍夫电压定律（ΣU=0），由图3 a）、c）可得：

根据基尔霍夫电流定律（ΣI=0），由图3 b）、d）可得：

由式（2）变换可得：

联立式（2）～（7），可得 0～L1区间内的微分方程组为：

0～L1区间微分方程的边界条件为：

同理可得L1～L区间内的微分方程组为：

L1～L区间微分方程的边界条件为：

求解微分方程组，杂散电流Is（x）和钢轨电位U（x）可 通过 下 式 求得 ：

1.2 仿真分析

由于地铁正线段出入线与车辆段是通过单向导通装置相连接，故对单向导通装置处的回流系统模型（见图 5）进行仿真，分析正线列车处于不同运行状态时，对车辆段内钢轨电位以及杂散电流的影响［4］。

图5 单向导通装置处回流系统模型

仿真条件：I=2 000 A，L=3 km，Rg=0.03 Ω/km，Rp=0.01Ω/km，Rd=0.01Ω/km；正线段内 ，R1=15Ω/km，R2=3Ω/km；车 辆 段 内 ，钢 轨 -排流网过渡电阻 R′1=3Ω/km，排流网-大地过渡电 阻 R′2=0.3Ω/km。

利用牵引电流的变化来仿真分析正线段内不同位置处的列车在起动、惰行、制动情况下，车辆段内杂散电流以及出入段线钢轨电位的变化，结果如图 6～8所 示。

由图6可知，当列车处于起动状态和惰行状态时，出入段线钢轨电位为正，基本没有电流从单向导通装置中流过；当列车处于制动状态时，出入段线钢轨电位为负，单向导通装置中有大量电流流过，电流方向为车辆段流向正线。

图6 位于远处位置的列车运行状态变化时，车辆段内杂散电流及出入段线钢轨电位变化曲线

由图 7、8可知，车辆段内的杂散电流特征如下：杂散电流大小与列车位置有关，列车与车辆段距离越远，杂散电流对车辆段的影响越小；反之，列车与车辆段距离越近，杂散电流对车辆段的影响越大。

图7 位于中间位置的列车运行状态变化时，车辆段内杂散电流及出入段线钢轨电位变化曲线

图 8 位于近处位置的列车运行状态变化时，车辆段内杂散电流及出入段线钢轨电位变化曲线

2 现场测试分析

我国许多城市的地铁车辆段由于杂散电流过高出现过一系列问题，如上海地铁车辆段曾多次出现挂设接地棒线后接触线烧蚀的现象［5］。由此可见，车辆段内的杂散电流远大于预计值。为此，在国内某地铁车辆段出入段线绝缘节位置进行了单向导通装置电流的测试，测试结果如图 9所示。

图 9 某地铁车辆段出入段线绝缘节位置单向导通装置电流分布

由图 9可知，由于单向导通装置的存在，正线钢轨的电流不会流向车辆段钢轨。但在正线列车运营且车辆段内无车时，一直会有电流从车辆段通过单向导通装置流向正线，该电流的幅值最大可达 580 A。

在测试车辆段出入段线绝缘节位置单向导通装置电流的同时，还测试了出入段线钢轨对地电位，并针对单向导通装置电流及对应时刻钢轨对地电位变化关系进行分析。该地铁车辆段一段时间内单向导通装置电流及钢轨电位变化如图10所示。

图10 某地铁车辆段出入段线绝缘节位置单向导通装置电流及钢轨电位

由图10可知，当单向导通装置中流过的电流较大时，对应出入段线的钢轨电位为负，且出入段线钢轨电位越小，单向导通装置中流过的电流越大。由此验证了仿真分析结果的正确性。

单向导通装置有大量电流流向正线的主要原因是：当正线上列车制动时，大地中的杂散电流由钢轨收集并返回至列车位置，而车辆段的轨地绝缘差，导致大部分杂散电流由车辆段钢轨收集，车辆段钢轨电位大于正线段出入线的钢轨电位，从而出现单向导通装置会有大量电流流向正线的现象。这种情况会导致车辆段内出现大量杂散电流，对车辆段内钢轨及建筑物造成腐蚀，影响地铁车辆段的使用寿命，因此必须加强地铁车辆段杂散电流防护。

3 车辆段杂散电流防护

与正线段相比，地铁车辆段是杂散电流防护的薄弱环节。应采取有效措施对地铁车辆段的杂散电流进行防护，同时应考虑监测及排流措施。可采取的具体措施如下：

（1）设置回流回路。车辆段可通过恰当设置回流点和均流电缆来降低钢轨电位，从而减小杂散电流的泄漏。车辆段内线路和出入段线之间、车辆段各电化库内线路和库外线路之间设置钢轨绝缘节并装设单向导通装置。

（2）设置杂散电流收集网。在电化库及试车线下方道床结构钢筋设置杂散电流收集网，收集网通过连接排流端子的电缆进入变电所排流柜。收集网钢筋与底板结构钢筋分离。

（3）监测系统。车辆段采用集中式监测系统，分别对停车列检库、周月检库、静调库、试车线、洗车机棚内整体道床结构进行监测，所有监测装置可将处理信息通过牵引所综合自动化装置送至控制中心，进行全线的信息处理。

（4）结构要求。钢轨采用绝缘法安装，以加强钢轨对道床的绝缘。应定期对车辆段钢轨进行清理，防止铁屑及油污粘附在绝缘垫上而降低轨地绝缘。车辆段主体结构的防水层必须具有良好的防水性能和电气绝缘性能。

4 结语

本文针对地铁车辆段内杂散电流过高问题，分析正线列车运行状态对车辆段杂散电流的影响。对正线列车运行状态变化对车辆段内杂散电流的影响进行了建模分析，并结合国内某地铁车辆段杂散电流测试验证仿真分析的正确性。分析了车辆段内杂散电流产生的原因，并针对车辆段杂散电流提出防护措施。

［ 1 ］ 黄 晓 静 ．车 辆 段 的 杂 散 电 流 防 护［J］．电 子 测 试 ，2015（2）：94-95．

［2］ 赵凌．直流牵引供电系统杂散电流分布的研究［D］．成都：西南交通大学，2011．

［3］ 陈桁．轨道对地绝缘局部损坏时回流系统的参数变化研究［J］．城 市 轨 道 交 通 研 究 ，2015（2）：34-38．

［4］ 汪佳．多列车运行下地铁杂散电流研究［D］．成都：西南交通大学 ，2012．

［5］ 郭志．上海轨道交通 3号线停车场杂散电流分析［J］．城市轨道交 通 研 究 ，2014（1）：60-64．

Analysis of Stray Current Characteristics in Metro Depot and Protection Measures

YU Zhiyong

Due to the complex rail lines in metro depot，the transition resistance between rail and ground is relatively low，the insulation performance is poor，resulting in the existence of a great deal of stray current in metro depot，which seriously affects the depot life.Through analytic simulation of the influence on stray current caused by train running state changes，a model of traction reflux system for metro depot is established.Then，combined with the testing result of stray current in a certain metro corporation depot，the correctness of the simulation result is verified，the causes of metro depot stray current are analyzed，corresponding protective measures are proposed.

metro depot； traction reflux system； stray current protection

U223.6+2

10.16037/j.1007-869x.2017.10.010

Author′s address Qingdao Metro Group Co.，Ltd.，266011，Qingdao，China

2016-03-06）