地铁停车场轨电位异常升高的原因分析及解决措施

谢育国

中国铁建电气化局集团有限公司 北京 100043

一、钢轨电位异常升高的现象

地铁线路开通运营后，电力监控后台检测到停车场钢轨电位异常升高，导致钢轨电位限制装置接地保护合闸，合闸次数超过3次后，形成接地闭锁，将停车场钢轨永久接地，需要检修人员现场复位。

（一）钢轨电位异常升高导致接地闭锁

通过电力监控后台发现，停车场钢轨电位超限报警，并且频繁合闸接地，形成接地闭锁，需要检修人员现场复位，同时观察钢轨电位限制装置显示面板，检测到钢轨上的瞬时电位高达99V，远远超过设置的60V安全电压。

图一：检测到钢轨电位99v

（二） 钢轨电位异常升高导致变电所负极柜无法检修

停车场变电所负极柜检修过程中发现，在整流机组停电的情况下，负极柜母排对地持续放电，地线与母排搭接位置被电流灼伤。考虑到负极柜母排与钢轨连接，对钢轨进行了接地测试，将接地线一端接钢轨，一端接地，也发生持续放电现场，并且地线灼伤严重，危及检修作业安全。

图二：对钢轨进行接地测试

从以上现象可以得出，钢轨电位异常升高不仅会导致钢轨电位限制装置接地故障频发，也会导致钢轨对地放电，严重危及检修人员的安全，需要尽快查明原因，及时解决。

二、 钢轨电位异常升高的原因分析

（一）钢轨电流来源的分析

在直流DC1500V牵引供电系统中，变电所整流出来的直流电输送至接触网上，然后给机车供电，最后通过回流系统流入变电所负极柜。回流系统主要就包括钢轨、回流电缆、均流电缆，钢轨上的电压就是回流电流流过时产生的，为了判断钢轨电流的来源，进行如下测试：

测试一：白天正线跑车时，停车场整流机组停电，检查钢轨电位情况。结果：钢轨电位异常升高，钢轨对地有放电现象；测试二：晚上正线停止跑车后，停车场整流机组停电，检查钢轨电位情况。结果：钢轨电位为0V，钢轨对地无放电现象；测试三：晚上正线停止跑车后，停车场整流机组恢复送电，检查钢轨电位情况。结果：钢轨电位为0V～35V漂移，未超过60V的安全电压。

通过上述的测试结果可以得出，钢轨电位的异常升高主要是正线变电所的电流流入停车场导致的，故钢轨电流的来源为正线变电所，而正线变电所电流流入停车场的路径需要我们进一步分析。

（二） 电流流入停车场路径分析

在停车场与正线分界处，通过设置绝缘节及单向导通装置，将正线钢轨与停车场钢轨隔开，保证停车场电流可以流入正线，而正线电流无法流入停车场。在工程中，地铁停车场钢轨电位的异常升高就是正线电流流入停车场导致的，如需解决这个问题，必须找出电流流入停车场路径，分析流入路径上的绝缘薄弱环节。根据停车场的供电系统特点，我们重点对绝缘节、单向导通装置、钢轨对地过渡电阻进行测试。

测试一：用2500V绝缘摇表，对钢轨绝缘节进行绝缘测试。结果：钢轨与绝缘节之间的绝缘电阻无穷大，排除绝缘节安装质量问题。测试二：用万用表对单向导通装置的二极管极性进行测试。结果：单向导通装置正向测量压降260mv，反向测量无穷大，极性正确，排除单向导通装置施工安装错误及二极管被击穿的质量问题。测试三：用500V绝缘摇表测量钢轨对地电阻。结果：钢轨对地绝缘电阻为0欧姆。

通过上述测试可以分析，钢轨对地的过渡电阻较小，没有做到与大地的绝缘安装，可以初步得出电流回流路径为：正线变电所—正线钢轨—大地—停车场钢轨—单向导通装置的正向导通—正线钢轨—变电所负极，正线变电所电流就是通钢轨与大地的绝缘薄弱环节泄入大地，再通过大地流入停车场钢轨内，但电流路径无法直接观察，需要进一步验证电流回流方向。

（三）电流回流方向的分析

为了进一步验证电流回流方向，需要将初步得出的回流路径切断，观察停车场钢轨电位的变化情况，由于整个回流路径中，大地及钢轨泄露点无法切断，只能将单向导通装置拆除，并进行测试。

测试一：白天正线跑车，停车场整流机组停电，将单向导通装置与钢轨连接的电缆拆除，切断电流通过单向导通装置正向导通功能回流的路径。结果：拆除前，停车场钢轨升高，拆除后，停车场钢轨电位为0V，并且无变化。测试二：拆除单向导通装置后，将停车场钢轨及正线钢轨分别接地，观察放电现象。结果：停车场钢轨对地无放电现象，正线钢轨对地放电。测试三：拆除单向导通装置后，用万用表测量正线钢轨与停车场钢轨的压差。结果：测量绝缘节两端钢轨的压差瞬时值-101.3V，电压漂移，停车场钢轨电位高于正线钢轨，电流从停车场流向正线。

综上所述可以分析，停车场钢轨电位异常升高，主要原因就是钢轨对地的过渡电阻较低，正线钢轨中的电流，通过大地流入停车场造成的，而这些泄漏到大地中的电流就称为杂散电流。杂散电流不仅会抬高停车场的钢轨电位，影响检修安全，同时也会对道床的结构钢筋及周围金属管线造成腐蚀，杂散电流的防治也是直流牵引供电系统疑难问题，需要多方面综合治理。

三、地铁线路已采取的措施

解决停车场钢轨电位升高问题，就需要综合治理杂散电流，减小杂散电流的泄露，尽量保证走行轨对地绝缘，从根源上控制和减少杂散电流的泄漏，并提出了以下建议措施：

（一）清理钢轨扣件及碎石道床的杂物

对停车场碎石道床区段钢轨和扣件进行污秽清理，清筛砟石，使钢轨脱离轨枕包覆，要求满足《地铁设计规范》(GB50157-2013)“7.4.2 条：道砟顶面应与混凝土轨枕中部顶面平齐”的要求。目的是提高钢轨对地的绝缘性能，从源头上减小杂散电流的泄漏，但由于钢轨已安装完成，杂散电流泄漏点难以排查，同时清理工作量大，清理效果难以评估，钢轨电位下降并不明显。

（二） 通过并联电缆改善回路电阻，增大回流通流能力

回流通路不畅导致电阻增大，也会抬高钢轨的电位。回流不畅主要是钢轨接头处、道岔接头处接续电缆、鱼尾板等导流不畅所致，通过对停车场轨缝连接、道岔处的连接检查，确保钢轨回流通路畅通；同时采用150mm2的电缆，在钢轨绝缘节处两侧，增加横向均流，整治后经过测试，钢轨电位限制装置动作次数下降并不明显。

（三）将正线变电所排流柜短时投入

将紧邻停车场的正线变电所的排流柜短时(两个运行日)投入运行，并查验排流柜电流，同时观察停车场钢轨电位装置的电压和动作状态。目的是通过正线杂散电流的排流网，主动将正线钢轨泄漏的的杂散电流回收，从而不流入停车场，但通过测试，钢轨电位下降并不明显。

通过实际整改验证，以上3种措施均未能有效的减小杂散电流的泄露，钢轨电位升高问题未能得到有效解决。

四、建议措施

采用新型的钢轨分段综合控制装置：杂散电流的治理难点就是无法有效的提高钢轨对地的过渡电阻，特别是对于已施工完成的钢轨，查找绝缘薄弱环节非常困难。考虑停车场杂散电流通过单向导通装置的正向导通功能流回正线，在拆除单向导通装置后，停车场钢轨电位明显降低，但如果没有单向导通装置，机车在通过钢轨绝缘节时，就会因为电压差烧毁绝缘节。如何能解决这种矛盾，使其具备在没有机车通过的情况下，绝缘节两端的钢轨断开，当机车通过绝缘节时，单向导通再将钢轨导通消弧，新型的钢轨分段综合控制装置就可以有效的解决这个问题。

传统单向导通采用消弧支路为可控硅元件，利用机车车轮到达绝缘节时的电压实时监测，从而驱动可控硅导通来消弧，而新型钢轨分段综合控制装置平常处于长开状态，将绝缘节两端钢轨分段，机车通过时，根据位置传感器提前判断机车车身的位置，在机车车轮经过绝缘节前驱动直流接触器闭锁，从而实现绝缘节两端钢轨完成电气连接，消除绝缘节处的打火、起弧等安全隐患。

五、结束语

轨电位高低与杂散电流息息相关，从源头入手尽量减少杂散电流泄漏，合理设置牵引系统，加强钢轨对地绝缘，同时加强结构钢筋等设备的腐蚀防护，才能从根本上降低轨电位。对于杂散电流的防治，一直是直流牵引供电系统的疑难问题，需要我们不停去探索研究，攻克这一难题，保障城市轨道交通安全可靠运行。