城市轨道交通正线对车辆基地杂散电流影响研究

李敏锋，靳佩跃，刘海鹏，张德胜

0 引言

随着我国经济的发展和城镇化建设的推进，城市轨道交通作为缓解交通拥堵的有效工具，在国内得到大力发展。据统计，截至2020年12月，我国已有44个城市开通运营城市轨道交通线路，运营里程达7 545.5 km。城市轨道交通的特点从最初的点线连接，逐渐向网络化、规模化发展。

轨道交通给人们出行带来便利的同时也带来了一些问题，如杂散电流的问题。目前，我国城市轨道交通直流牵引供电电压等级有DC 1 500 V和DC 750 V两种，主要采用接触网（轨）授流、走行轨回流的供电制式。直流电流通过走行轨回流的过程中，由于走行轨无法实现完全与大地电气绝缘，部分电流会泄漏至大地，通过地铁沿线的金属设备、埋地管线等设施，最后再回流到牵引变电所，即形成杂散电流，如图1所示。杂散电流会腐蚀其流经的金属设备、管线等，给设备运行造成安全隐患[1]。

图1 杂散电流泄漏示意图

在地铁相关设计规范中，要求走行轨采用对地绝缘安装，其过渡电阻值不小于15 Ω·km[2]。但是，随着地铁线路运营年限的增加，走行轨对地的绝缘电阻降低，泄漏的杂散电流也随之增加，从而增加了地铁对沿线金属设备、埋地管线的腐蚀风险[3]。

1 车辆基地杂散电流对埋地管线的影响

车辆基地（包括车辆段、停车场等）作为地铁车辆停放、检查、运用和维修的管理中心，对地铁正常运营起着重要作用，其特点是占地面积大、股道密集、作业时间长（运营时段负责车辆调度，非运营时段负责车辆检修）。车辆基地的道床主要分为两种类型：库内采用整体道床（无砟道床），库外咽喉区采用碎石道床（有砟道床）。库内受环境因素影响较小，其钢轨的对地泄漏电阻能够得到较好的保证，库外碎石道床虽然本身由于碎石之间的间隙较多，绝缘程度较好，但受雨、雪及运营维护影响较大，导致钢轨的对地泄漏电阻长期处于较低的水平。同时，由于车辆基地股道在小范围内大量集中，根据规模其单线长度可达5～15 km，多股道的并行造成车辆基地钢轨整体对地等效电阻很小。基于以上原因，车辆基地是轨道交通杂散电流防护的一个薄弱环节，对周围管线的影响较大[4]。

图2所示为浒墅关车辆段附近天然气管道电位的监测数据。可以看出，天然气管道在关闭阴极保护装置的情况下，管道电位的波动范围为-0.5～-1.2 V，正向偏移为0.7 V，超过了GB 50991—2014《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》中的直流干扰判别标准，其规定为“没有实施阴极保护的管道，宜采用管地电位相对于自然电位的偏移值进行判断。当任意点上的管地电位相对于自然电位正向偏移大于或等于100 mV时，应及时采取干扰防护措施”。说明车辆基地附近存在较大的杂散电流。

图2 浒墅关车辆段附近天然气管道断电电位监测数据

2 车辆基地供电系统及杂散电流防护方案

正常工况下，车辆基地与正线的牵引供电系统是相互独立的，在出入段线处通过接触网的分段绝缘器及钢轨的绝缘节分断隔离。库内与库外钢轨之间设置绝缘节，库前和出入段线绝缘节两侧钢轨通过单向导通装置（以下简称单导）连接。车辆基地牵引供电系统示意如图3所示。

图3 车辆基地牵引供电系统示意图

库内通常采用钢轨电位限制装置（OVPD）将钢轨与大地连接，OVPD平时断开，轨电位超标时短时闭合，保护人身安全，以此达到杂散电流防护和人身安全保护的平衡。

根据以往设计习惯，通常在有上盖开发的车辆基地，采取设置整体道床收集网、排流柜、杂散电流监测系统等杂散电流防护措施。随着《地铁杂散电流腐蚀防护技术标准》（CJJ/T 49—2020）颁布，明确要求车辆基地杂散电流防护工程方案应与正线防护工程方案一致，即车辆基地均需采取杂散电流防护措施[5]。

3 正线对车辆基地杂散电流影响研究

从图2中可以看出，车辆基地附近管线电位的波动与地铁正线运营时间较为吻合，在5—23时之间波动较大，地铁收车后，管道电位趋于平稳。而车辆基地内除早晚高峰收发车时车辆调度较为频繁外，其余时间的维护检修工作相对稳定。由此可以推测，车辆基地对周围管线的杂散电流腐蚀可能来自两部分，一部分是车辆基地自身的牵引供电系统引起，另一部分来自正线的牵引供电系统。

3.1 定性分析

车辆基地与正线的牵引供电系统基本相互独立，有两种情况可能使这两个牵引供电系统产生关联。第一种情况是列车进出车辆基地经过接触网分段绝缘器时，列车的前弓和后弓分别在正线侧和基地侧，两个系统的正极通过列车的牵引系统连接，同时列车的轮对将正线侧和基地侧的钢轨连接，该情况是短时的，列车通过后两个系统的联系即中断，该情况集中发生在早晚高峰收发车时段。第二种情况是由于在出入段线的钢轨绝缘节处设置了单导，导通方向为基地侧指向正线侧，该情况长期存在。

从图2所示的管道电位曲线看，管道电位的波动在整个运营时段内都存在，因此更多地考虑是单导的影响。对浒墅关车辆段出入段线单导主回路的电流进行监测，监测结果如图4所示。

图4 浒墅关车辆段出入段线单向导通装置电流监测

由图4看出，通过单导的电流峰值达到了近200 A，杂散电流泄漏量较大，其原因主要如下：

（1）基地回流电流通过单导流向正线，从正线钢轨泄漏至大地后返回基地牵引所，如图5（a）所示。

（2）正线回流电流从钢轨泄漏至大地，返至基地的钢轨，流经单导后返回正线牵引所，如图5（b）所示。

图5 流经单向导通装置杂散电流路径示意图

图5所示的两条杂散电流泄漏路径分别来自正线和基地的牵引电流，虽然来源不同，但可以认为路径是相同的，都经过了基地钢轨和泄漏电阻、单导装置、正线钢轨和泄漏电阻，从杂散电流路径的“畅通性”或“阻力”上看，两个牵引系统几乎没有差别[6]。

从图4的监测结果看，0时之后，正线列车已经收车，车辆基地由于部分维护检修作业仍需持续供电一段时间，因此0—1时单导电流主要由基地产生，但数值很小，约为20 A。运营时段单导电流基本持续在100 A以上，峰值达到200 A，说明正线泄漏的杂散电流是单导电流的主要来源。究其原因，正线运营期间，列车数量多、速度快、取流大，杂散电流泄漏量大；车辆基地列车数量少、速度低，牵引取流总量较正线小很多。

3.2 定量研究

为了进一步研究正线对车辆基地杂散电流的影响，选取苏州某轨道交通线路进行仿真研究。该线路全长约35 km，线路末端设置车辆段，接入正线末端车站，车辆段内钢轨单线长约8 km。正线行车密度按照30对/h单一交路考虑，出入段线长1.5 km，车辆段内无列车作业，流过单导装置的电流均为由正线泄漏、通过大地回路返至车辆段钢轨的杂散电流。当正线和车辆段钢轨的对地泄漏电阻均为设计要求的15 Ω·km时，流过单导的电流曲线如图6所示。

图6 单向导通装置电流仿真曲线

当分别调整正线和车辆段的对地泄漏电阻时，得到单导电流和车辆段钢轨电位的仿真结果如表1和表2所示。

表1 不同泄漏电阻值下单导电流仿真结果

表2 不同泄漏电阻值下车辆段钢轨电位仿真结果

该仿真是假设正线和车辆段钢轨的泄漏电阻为均匀分布，但在实际工程中，由于土壤环境、轨行区积水、钢轨油污积聚、油气管线分布等因素影响，泄漏电阻呈非均匀分布且具有一定的随机性[7]。

3.3 数据分析

3.3.1 杂散电流的影响

由表1可以看出，若正线和车辆段钢轨的泄漏电阻均能达到规范要求的15 Ω·km，流过单导的正线杂散电流很小，正线对车辆段杂散电流的影响很小。随着正线或车辆段泄漏电阻的降低，流过单导的杂散电流呈明显的增长趋势，如当正线和车辆段对地泄漏电阻均降至1 Ω·km时，单导的峰值电流可达150.48 A。

需要指出的是，本模型的仿真中均未考虑OVPD合闸的情况，在实际运营中，无论是正线车站还是车辆段，当轨电位瞬时超标时，会引起OVPD的合闸，这时钢轨与大地相当于短接，会引起更多的正线杂散电流流向车辆段。

3.3.2 钢轨电位的影响

根据表2可以看出，当正线钢轨的泄漏电阻不变时，随着车辆段钢轨泄漏电阻的降低，虽然正线杂散电流泄漏量增加，但是车辆段的轨电位呈下降趋势，可以认为车辆段的轨电位受车辆段钢轨泄漏电阻影响较大，泄漏电阻越低，钢轨电位越趋近于大地电位。当车辆段钢轨的泄漏电阻不变时，随着正线钢轨泄漏电阻的降低，车辆段的轨电位呈上升趋势，这是由于正线杂散电流泄漏量增加所致。

4 结语

本文结合苏州轨道交通杂散电流相关的测试结果，研究了正线对车辆基地杂散电流的影响，通过建立仿真模型，对不同泄漏电阻下正线流向车辆基地的杂散电流泄漏量以及对车辆基地轨电位的影响进行了模拟。通过模拟结果及实际的测试结果可以看出，在地铁运营期间，正线向车辆基地泄漏的杂散电流通过出入段线的单向导通装置返回正线牵引所，会加剧对车辆基地周围管线的腐蚀风险，加之车辆基地本就是杂散电流防护的薄弱区，因此更应重视车辆基地的杂散电流防护工作。

目前，采用专用轨回流的供电制式是很好的杂散电流解决方案，从根本上减少了杂散电流的泄漏，是新建线路的一个选择方向。 随着《地铁杂散电流腐蚀防护技术标准》（CJJ/T 49—2020）的颁布，对车辆基地的杂散电流防护要求更加严格，需要设置杂散电流收集网、排流柜等防护措施，有助于减少车辆基地杂散电流对周围管线的影响。