地铁排流对钢轨电位及杂散电流的影响研究

黄山山，贺睿，刘振锋

（广州地铁集团有限公司，广东 广州 510000）

1 概述

城市轨道交通直流牵引系统杂散电流的防护问题一直是业内难题，为减少杂散电流对城市轨道交通自身及周边设施的腐蚀影响，通过在牵引变电所设置排流柜，将排流网中的杂散回流至负极母线，减少杂散电流对周边的扩散。通过建立牵引供电回流系统模型，利用MATLAB仿真分析排流对钢轨电位及杂散电流的影响。

2 杂散电流的产生及危害

在城市轨道交通中，地铁列车的电源普遍采用直流电，牵引电流从牵引变电所整流器正极出发，经接触网、地铁列车和钢轨返回牵引变电所整流器的负极。随着地铁运行时间的变长，在隧道潮湿和粉尘的环境下，钢轨与大地间的绝缘电阻将会减小。牵引电流流经钢轨回流至负极时，将会有一部分牵引电流泄漏至大地中的结构钢或管道中，经过地下金属结构回流至牵引变电所负极，此部分泄漏至大地的牵引电流称为杂散电流。杂散电流会对附近的地下金属产生一种氧化还原的电化学反应过程，即电化学腐蚀，对金属结构有严重的危害。

从原理上分析，通过截断杂散电流的泄漏即可防止杂散电流腐蚀，但目前完全消除杂散电流的技术难度还很大，而且经济上耗费很高。目前主流对杂散电流的防护思想为“以防为主，以排为辅，防排结合，加强监测”。“防”即从源头出发，加强钢轨对地绝缘，以减少钢轨的泄漏电流；“排”即采用排流法，在道床内铺设钢筋网并进行电气连接，形成排流网，通过电缆连接至排流柜装置，极性排流使电流回流至牵引变电所整流器负极，避免继续泄漏扩大危害范围。

3 排流柜作用及原理

排流柜是城市轨道交通系统中为了减少杂散电流对结构钢造成电化学腐蚀而设计的专用设备，一般安装在牵引变电所内，连接在排流网与负极柜之间。排流柜的采用极性排流原理，当排流网电位比钢轨电位高时，才有电流通过。排流柜为杂散电流提供可靠通路回流至整流器负极，能有效地防止杂散电流对地下金属设备、隧道结构钢筋的电腐蚀破坏，同时也防止杂散电流的进一步扩散，造成更大范围的危害。

排流柜装置主要由主回路和监测控制系统两部分组成。主回路由快速熔断器、直流接触器、硅二极管、限流电阻、阻容保护和检测变送器组成。排流柜主回路的核心元件是硅二极管，极性排流原理就是利用硅二极管的正向导通反向截止的特性，可阻止从负极母线到排流网的逆向排流。监测控制系统用于收集电压电流等信号，控制直流接触器的分合，将信息输出至显示回路。

4 钢轨电位限制装置作用及原理

由于钢轨与大地间存在电阻，当钢轨泄漏至大地的杂散电流增大时，钢轨与大地之间产生电位差。乘客在进出车厢时会触碰到列车金属车体，双脚在列车与站台之间会产生跨步电压，如果此时钢轨对地电位过高，会危及乘客人身安全。同时，钢轨对地电位过高会使直流框架保护误动作跳闸，影响正常牵引供电。

为防止钢轨对地电位过高，每个车站和车场都设有钢轨电位限制装置，连接在钢轨与大地之间，实时监测钢轨对地电位。当电位超过设定值，钢轨电位限制装置就会通过接触器动作，将钢轨与大地快速短接，从而保障人身安全和设备安全。但由于钢轨电位限制装置闭合时，钢轨与大地之间无电阻，将会造成钢轨对地泄漏电流增大。

5 排流对钢轨电位及杂散电流影响仿真分析

5.1 模型建立

为研究排流对钢轨电位及杂散电流的影响，结合Matlab仿真，建立钢轨—排流网—大地分布结构回流系统模型进行分析（如图1）。由于流入土壤中的杂散电流流通面积较大，忽略大地的纵向电阻，此次仿真假设杂散电流极大部分通过排流网回流，忽略极小部分流入大地的杂散电流。

以单边供电方式为例建立牵引回流模型：

图1 钢轨-排流网-大地结构分布图

设置牵引变电所为计算坐标原点，模型参数符号表示的含义如下：Rs为钢轨的纵向电阻，Rr为排流网的纵向电阻，Rd为大地的纵向电阻，Rg为钢轨对排流网的过渡电阻，Rg1为排流网对地的过渡电阻；I为列车取流电流，L为列车到牵引变电所的距离，i(x)为钢轨电流，u(x)为钢轨对地电压，is(x)为泄露到排流网中的杂散电流；

结合图2和图3，根据基尔霍夫定律列出方程：

联立式（1）和式（2），得到钢轨回流电流和泄漏的杂散电流方程如下：

泄漏到排流网的杂散电流：

泄漏到大地的杂散电流：

5.2 仿真分析

根据现场资料，参数取值如下：

钢轨纵向电阻Rs=0.026Ω/km，钢轨对排流网过渡电阻Rg=15Ω，排流网纵向电阻Rr=0.01Ω/km，列车取流I=1000A，列车与牵引所距离L=3km。得到以下对比仿真波形如图2、3所示：

图2 单边供电下排流情况与轨电位关系图

图3 单边供电下排流情况与杂散电流关系图

根据仿真结果可以得出：

（1）排流柜投入排流后，会整体抬升钢轨对地电位；

（2）排流柜投入排流后，由钢轨泄漏的杂散电流量明显高于不排流情况。

由上述结果分析，排流网收集杂散电流进行排流的同时，会引起总杂散电流的泄漏量增大，并引起更高的钢轨电位，而钢轨电位限制装置动作合闸将钢轨与大地短接后，又会造成杂散电流泄漏量增大，影响地铁的安全稳定运行。

6 结语

目前地铁系统设置排流网对杂散电流进行收集，通过排流柜控制排流，能防止继续泄漏扩大危害范围。通过建立直流供电牵引回流系统模型，分析排流柜的投退对钢轨电位及杂散电流的影响变化。通过分析结果可知，排流柜排流的同时，会引起增大总杂散电流泄漏量和抬升钢轨对地电压的副作用。因此在工程实际中，要尽量减少排流柜进行排流，只有当杂散电流很大时才将排流柜投入。除了采用排流防护法，应从源头上控制杂散电流的产生，辅以阴极保护法、阳极保护法等其他防护方法结合，起到良好的防护效果。