地铁单向导通装置运行实测与分析

胡 勇，杨 龙，张 丽，李思文，刘 炜

0 引言

随着我国地铁交通的大规模投运，地铁（轻轨）轨道系统中杂散电流等问题逐渐涌现，地铁结构钢筋和附近金属管线经常受到杂散电流的影响[1～3]，尤其在车辆段、停车场（以下简称“段场”）等特殊地段，由于钢轨对地过渡电阻较小，产生的杂散电流较大[4]。为了尽量减小杂散电流并缩小杂散电流影响范围，轨道上需要设置绝缘接头，将正线轨道与段场轨道隔离。在采用绝缘接头的钢轨部位，需要采用单向导通装置（以下简称“单导”）并接于地铁轨道设置的绝缘节处，保证仅列车由段场驶向正线时单导导通，钢轨能够正常回流[5，6]。但在实际运营过程中，即使段场没有列车通过，单导仍会导通，使段场钢轨与正线钢轨实现电气连接。

文献[7]通过对一行钢轨的单导电流与钢轨电位进行测试，测试结果显示，单导正向导通时能够为正线的杂散电流提供路径，反向导通时可将正线的牵引回流引入段场，从而给段场带来钢轨电位和杂散电流问题。文献[8]通过对段场单导电流、轨地电位、土壤电位梯度等相关参数进行现场测试，重点从钢轨电位的角度分析了杂散电流产生原因和分布规律，设计了杂散电流监测系统。文献[9]通过搭建城市轨道交通牵引供电系统仿真模型，分析了单导对城市轨道交通杂散电流防护的不利影响，但仿真模型中并未考虑上、下行联络线，忽略了两行单导的相互影响。文献[10]从直流牵引供电系统建模的角度出发，研究了单导和钢轨电位限制装置对正线钢轨电位的影响规律，发现单导的导通会使正线和段场的钢轨电位升高，钢轨电位限制装置的闭合则会抬高其他较远处区间的钢轨电位。

本文对实际运营的某地铁线路正线与停车场间咽喉区两行单导电流进行24 h 连续同步监测。测试结果显示，两行单导同时运行时并非完全同步导通，不仅存在电流经单导涌入停车场或返回正线的现象，还会在两行单导之间通过咽喉区上、下行联络线出现环流的现象。

1 单导结构与测试方案

1.1 单导结构

城轨供电系统回流轨中采用的单导结构如图1所示，主要由整流二极管回路、隔离开关和保护装置等组成，通常并联于段场咽喉区正线出入段的绝缘节两端。其中，二极管的正极接段场钢轨，负极接正线钢轨，晶闸管回路与二极管回路反向并联。仅二极管作用时，钢轨中电流只流向一个方向，保证列车在正线运行时列车电流不能回流至段场或列车库内。反向并联的晶闸管回路作为保护回路，当钢轨电位过高时，实现电气导通，限制绝缘节两端放电，防止列车车轮踏过绝缘节时打火。隔离开关则用于在正线支援供电车辆段、停车场的情况下，将绝缘节的两端回流轨直接电气连接。

图1 单向导通装置结构

1.2 测试方案

为了进一步了解实际运营中单导的导通、截止条件和规律，本次测试对某地铁线路停车场咽喉区的上下行单导电流进行同步监测，测试周期为24 h。于夜间非运营时段进行测试设备安装，安装位置如图2 所示。上、下行单导电流由外置霍尔电流传感器测得，传感器将电流转换为正负10 V 的电压信号，通过屏蔽电缆传输至NI 监测设备。

图2 监测设备安装位置

2 咽喉区单导运行实测数据分析

2.1 单导运行工作情况

图3 所示为运营期间流经咽喉区单导的实际电流情况，规定以单导二极管正向导通电流为正，即从段场到正线为正。从图3 可知，一行的单导流过的电流非负，说明仅有2 种工作情况，正向导通和不导通；另一行的单导既有正向的电流流过，又有反向的电流流过，存在3 种工作情况。

图3 咽喉区两行单导电流

实际上，通过分析数据发现，两行单导的5 种状态组合均存在，表1 为一天内单导各种状态组合的时间占比分配。其中，两行单导主要工作在3 种组合情形：情形5 两行单导都不导通占比28.4%（情形5 集中在夜间停运，列车不取流时段，因此时间占比较高），情形1 两行单导都正向导通占比19.3%，情形4 一行单导不导通，一行反向导通，占比32.1%。

表1 单导运行情况

2.2 单导运行实测数据分析

根据表1，对咽喉区单导运行情况的情形1—情形4 的单导电流进行分析。图4 所示为情形1 两行单导都正向导通时的单导电流，两行单导电流大小几乎相等，达到百安量级，同时由停车场流入正线。图5 所示为情形2 单导电流，电流只通过一行单导流入正线，也达到百安量级。

由二极管的单向导通性可知，正线泄漏到大地的杂散电流经单导返回正线。正线泄漏的杂散电流达到数百安量级的主要原因：（1）正线钢轨过渡电阻较低，存在钢轨泄漏电流；（2）由于正线轨电位较高，该线路多处钢轨电位限制装置长期闭合。对比情形1，情形2 的情况，当两行单导二极管同时导通时，由停车场返回正线的杂散电流更多。

图6 与图7 所示分别为情形1 和情形2 其中一行单导导通时的电流路径，情形2 中的另一电流路径与图7 类似，电流通过另一行的单导二极管返回正线。结合表1，两行单导装置都正向导通的比例占到了19.3%，说明正线泄漏至停车场的杂散电流总体上是由两行单导的二极管回路同时返回正线。

图4 情形1 单导电流情况

图5 情形2 单导电流情况

图6 情形1 单导电流路径

图7 情形2 单导电流路径

图8 所示为一行单导正向导通，一行单导反向导通的单导电流情况，两行单导电流大小相等，方向相反。图9 所示为一行单导不导通，一行单导反向导通的电流情况。图8 与图9 中都有一行单导反向导通，分析可能是由于正线存在大量列车往返或列车制动，使得正线钢轨电位偏高，而停车场存在永久接地点的股道，晶闸管承受的正向电压大于整定值，单导反向导通。然而两行晶闸管触发并不是同步的，且总是有一行单导晶闸管先触发，晶闸管导通后，使得停车场钢轨与正线钢轨实现电气连接，钢轨等电位，在两行均流线作用下，另一行晶闸管的正负极几乎等电势，承受电压小于导通整定值，从而不能够导通。

图8 情形3 单导电流情况

图9 情形4 单导电流情况

当一行单导的二极管与另一行单导晶闸管同步导通时，出现情形3，此时电流会通过咽喉区上下行联络线、二极管和晶闸管，形成停车场内环流，其电流路径如图10 所示。

图10 情形3 单导电流路径

当一行单导晶闸管触发与另一行单导二极管导通不同步时，出现情形4。当一行晶闸管导通后，使得另一行单导的二极管承受的正向偏置电压小于0.7 V 时，从而不能导通，正线电流经晶闸管回路直接涌入停车场，其电流路径如图11 所示。

图11 情形4 单导电流路径

3 钢轨回流系统的改进

通过以上分析可以看出，单导投入运行后，仍然存在大量的杂散电流经单导的二极管回路流回正线，当钢轨电位过高时，单导反向导通，正线杂散电流亦会涌入车辆段和停车场。而在《地铁设计规范》中，单导也并非是地铁供电系统所必须安装的设备，基于此，正线与出入段之间咽喉区的回流轨可以采用隔离开关作为连接装置，并对回流系统进行改进，如图12 所示。

其中，JJ1 为正线与段场之间设置的绝缘节，J1 为正线钢轨与绝缘节JJ1 之间的位置传感器，J2为段场钢轨与绝缘节之间的位置传感器。晶闸管V的控制采用联络开关和位置传感器的状态信号共同控制。

图12 钢轨回流系统改进方法

正常情况下，隔离开关断开，可以长时、有效地阻隔正线和段场的钢轨，防止正线杂散电流进入车辆段和停车场。当有列车由段场驶向正线时，隔离开关闭合，RC 支路用于开关闭合时的过电压吸收，保证回流电流正常流动。当有列车由正线返回段场至绝缘节附近时，晶闸管支路导通，避免因绝缘节两侧钢轨电压差过大出现打火现象。

4 结语

根据该线路咽喉区单导的全天工作情况统计结果发现，单导运行情况主要是一行不导通，另一行反向导通，两行都正向导通以及一行正向导通和另一行反向导通，这3 种运行情况分别占全天时间比例为32.1%、19.3%和10.1%。结合运行时的电流情况，可以得出以下结论与建议：

（1）单导投入运行后，仍然存在大量的杂散电流经单导二极管回路流回正线。当两行单导的二极管导通同步时，杂散电流经两行单导二极管流回正线；当二极管导通不同步时，杂散电流只经过一行钢轨流回正线。为减少正线杂散电流泄漏，应尽量提高正线钢轨对地过渡电阻，避免正线钢轨电位限制装置长期接地运行。

（2）正常运营时，正线钢轨电位偏高，导致单导反向导通频次较高，而两行单导的晶闸管触发不同步，易形成环流。建议正线与出入段场之间咽喉区的回流轨采用隔离开关作为连接，同时增加过电压吸收支路和列车到来时的消弧支路。