城市轨道交通场段杂散电流防护实测分析与优化方案

陈 辉，黄国辉

0 引言

城市轨道交通供电系统中，列车通过受电弓从接触网获取电能，一般采用走行轨作为牵引电流的回流通道，牵引电流流经走行轨回到牵引变电所负极[1]。由于走行轨具有一定的纵向电阻，且无法实现与大地完全绝缘，使得走行轨与大地之间形成电位差，部分电流经走行轨泄漏至周边介质产生杂散电流。在城市轨道交通系统中，不可避免地会存在杂散电流及钢轨电位问题[2]。

为避免轨道交通线路正线杂散电流与场段（停车场、车辆段）之间互相影响，缩小杂散电流影响范围，通常在正线与场段咽喉区设置绝缘接头，将正线轨道与场段轨道进行物理隔离，并通过并联单向导通装置（以下简称“单导”），保证仅列车由场段驶向正线时，单导导通，钢轨正常回流[3]。文献[4]针对城轨车辆段上、下行单向导通装置电流进行了测量，并根据结果分析了单导电流的两个流向，指出了单导因触发不同步造成环流的问题。文献[5]中通过对场段进行多次现场试验和监测数据分析对比，找出了单向导通装置只防止正线钢轨回流至场段而允许场段基地向正线方向钢轨回流导通的设计缺陷。文献[6]指出在地铁运行过程中，通过投入单向导通装置可以减少特殊区段的杂散电流，但在单向导通装置运行时车辆段无论是否有车通过均存在杂散电流和钢轨电位问题。当多列列车在车站内运行时，单向导通装置的工作状态会更加复杂，进而导致杂散电流的分布更加复杂和多样。直流牵引系统中全线列车及牵引变电所并列运行时，多车多所之间普遍存在功率越区分配，直接影响回流系统参数的分布。文献[7]建立了基于多列车多段运行的钢轨电位动态模型，明确了实际线路中钢轨电位的异常上升。文献[8]针对正线牵引电流泄漏至场段导致钢轨电位异常的问题，提出了一种定向导通回流装置。文献[9]在对单向导通装置合理等效的基础上，重新建立地铁车站杂散电流评价模型，分析车站杂散电流与单向导通装置工作状态的规律。文献[10]针对回流安全参数在主线与站的耦合效应，提出了主线与站的直流牵引供电系统仿真模型，提出改进单侧连接装置抑制杂散电流和钢轨电位问题的方案。

城市轨道交通场段是整条线路的绝缘薄弱位置且杂散电流问题相对严重[11]。城轨供电系统通常采用的单向导通装置结构如图1 所示，主要由二极管、隔离开关和保护装置等组成。其中，二极管的正极接场段钢轨，负极接正线钢轨，晶闸管回路与二极管回路反向并联，仅单导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车辆段或停车场内。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车辆段、停车场供电的情况下，将绝缘节的两端回流轨直接电气连通[12]。

图1 单向导通装置结构原理

1 单向导通装置存在的问题

成都地铁直流供电系统运行至今，部分场段多次出现挂接地线打火、车辆作业人员搭接车体和检修平台金属护栏发生触电及钢轨电位异常等问题，杂散电流影响较为突出。针对上述问题，对1 号线红星路停车场咽喉区两行单导电流进行了24 h 的连续同步监测。结果显示，两行单导同时运行时并不是完全同步导通，存在杂散电流经单导涌入停车场或返回正线的现象，存在“正线钢轨—大地/接地扁钢/架空地线—场段地网—场段轨电位限制装置OVPD/地线—场段钢轨—单导—正线钢轨”的杂散电流泄漏回路[1]，如图2 所示，单导为正线、场段杂散电流泄漏提供了通路。

图2 单导装置下杂散电流流通路径

场段和正线之间采用单向导通装置时，若正线钢轨电位为负，钢轨电位传入场段，是场段内OVPD 负电位频繁动作的主要原因。场段OVPD频繁动作，反过来又会恶化正线钢轨电位和杂散电流。如果正线钢轨过渡电阻局部不达标，会恶化其他区段的钢轨电位，并传递至场段内，导致场段的OVPD 更加频繁动作。

2 单向导通装置优化方案

针对既有单导为正线杂散电流泄漏后流回场段再流回正线的路径提供通路问题，提出响应式智能导通装置方案，实现无列车通过时，场段与正线之间完全断开，阻断场段与正线杂散电流路径，有列车通过时，短接绝缘分段避免列车通过时打火。

响应式智能导通装置由主回路和主控单元组成。主回路由正向回路、反向回路、保护回路、隔离开关等组成，回路带有电动隔离开关，主回路故障时通过闭合隔离开关保证出入线间的电气连接；主控单元具有故障监测、控制和通信功能。响应式智能导通装置系统主电路及控制流程如图3 所示。

图3 响应式智能导通装置系统主电路及控制流程

正向回路和反向回路均由整流二极管与全控型门极可关断晶闸管串联构成。装置并联于钢轨绝缘节处，按照一定的组合逻辑控制轨道电流通断，保证短路电流正常通过。装置回路处于关断状态时，切断杂散电流异常回流路径。嵌入式系统实时监测装置运行情况，并通过远程通信网络将故障信息及时传送到变电所监控机，维护人员可远程遥控或现场手动合上隔离开关，不影响机车正常运行。

3 实测效果分析

按照本文提出的响应式智能导通装置方案，于2022 年10 月中旬在成都地铁1 号线红星路停车场试点改造，改造现场如图4 所示。改造后，分别于2022 年11 月14 日、7 日（同为周一，列车运行图相同）采集咽喉区单导工况（以下简称“工况一”）、响应式智能导通装置工况（以下简称“工况二”）下24 h 杂散电流相关数据。

图4 响应式智能导通装置

3.1 测试方案

工况一、工况二杂散电流测试数据如表1 所示。监测过程中，保证测量点的电压、电流信号同步监测。监测时长不小于24 h。

表1 测试数据

咽喉区电压、电流及停车场电位梯度测试点位布置分别如图5、图6 所示。

图5 咽喉区电压、电流测试点位布置

图6 地电位梯度测试点位布置

3.2 测试结果分析

3.2.1 工况一咽喉区电流、电压实测结果分析

停车场单导电流波形如图7 所示，电流由停车场流向正线方向为正，由正线流向停车场为负。在11 月14 日0—24 时的测试时间段，上行电流最大值为505.7 A，最小值为-8.01 A，下行电流最大值为1 043 A，最小值为-483.2 A。咽喉区上行、下行正线及场段钢轨电位波形如图8、图9 所示。

图7 停车场单导电流

图8 上行正线及场段钢轨电位

图9 下行正线及场段钢轨电位

综合统计钢轨电位以及单导电流数据见表2。

表2 工况一 咽喉区钢轨电位及单导电流数据

由图7～图9 以及表2 可以看出，即使没有列车驶入或驶出停车场，单向导通装置仍然会导通，导通时间较长。测试数据显示，11 月14 日上行单导总导通时长为9 856.4 s（约2.74 h），下行单导总导通时长为2 0671.5 s（约5.74 h）。二极管支路导通次数多，最大通过电流约1 043 A，下行单导晶闸管支路也频繁导通，最大通过电流约483 A。

上、下行正线及库前钢轨电位波形一致，其波动与电流波动时刻保持一致，证明单导导通时正线钢轨电位通过单导侵入停车场。据运营人员统计，红星路停车场OVPD 当天处于长时接地状态。

3.2.2 工况二咽喉区电流、电压实测结果分析

停车场单导电流波形如图10 所示，其中由停车场流向正线为正，由正线流向停车场为负。在11 月07 日0—24 时的测试时间段，上行电流最大值为506.8 A，最小值为-653 A，下行电流最大值为455.6 A，最小值为-336.7 A。咽喉区上行、下行正线及场段钢轨电位波形如图11、图12 所示。

图10 停车场单导电流

图11 上行正线和场段钢轨电位

图12 咽喉区下行正线和场段钢轨电位

综合统计钢轨电位以及单导电流数据如表3所示。

表3 工况二 咽喉区钢轨电位以及单导电流数据

由图10～图12 以及表3 可以看出，响应式智能导通装置仅在列车通过时导通，导通时长大幅减小。测试数据显示：11 月7 日上行单导总导通时长为247.2 s，下行单导总导通时长为395.2 s，上下行咽喉区导通平均时长较工况一下降97.8%；咽喉区电流通过量大幅减小，导通最大电流幅值为653 A，小于工况一单导最大导通电流1 043 A，咽喉区流过电流幅值较工况一也明显减小。

上、下行正线及场段钢轨电位波形不一致，场段钢轨电位平均值明显低于正线钢轨电位平均值，响应式智能导通装置阻断了正线钢轨电位侵入场段路径，据运营统计数据，响应式智能导通装置工况下（11 月7—13 日），OVPD 未发生动作，场段钢轨电位问题显著改善。

3.2.3 地电位梯度实测结果分析

红星路停车场场内1 号监测点（图6）工况一（11 月14 日）、工况二（11 月7 日）24 h 地电位梯度监测情况如图13 所示。

图13 1 号监测点地电位梯度波形

工况一 东西、南北方向地电位梯度均在23：00—次日1：00、9：30—14：30、15：30—16：30 出现峰值，由于既有单向导通装置电流在这3个时间段出现峰值（图7），证明单向导通装置中的导通电流是导致停车场附近地电位梯度升高的主要原因。

工况二 东西、南北方向在23：00—次日1：00 出现峰值，应是车辆驶入停车场内，造成该时段地电位梯度出现峰值，在其余时段，通过响应式导通装置电流大幅减小，地电位梯度均小于2.5 mV/m。证明响应式智能导通装置能够改善停车场附近地电位梯度，但是地电位梯度仍受周围地铁线路正线泄漏的杂散电流影响。

按照场内1 号监测点方法，完成工况一、工况二场外2、3 号监测点（图6）东西、南北方向地电位梯度测试，取早高峰、平峰、晚高峰、低峰的平均值得出地电位梯度模值及方向如表4 所示。

表4 地电位梯度值汇总 mV/m

由表4 可知，单向导通装置工况下3 个检测点位地电位梯度分别为4.38、4.60、5.04 mV/m，响应式智能导通装置工况下3 个检测点位地电位梯度分别为1.69、3.27、3.01 mV/m，3 个点位平均地电位梯度下降约43%，杂散电流影响程度一般。

4 结语

针对既有单向导通装置为正线杂散电流泄漏后流回场段再流回正线提供通路问题，采用响应式智能导通装置方案对成都地铁红星路停车场进行试点改造，实现无列车通过时场段与正线之间完全断开，阻断场段与正线杂散电流路径。本次杂散电流防护试点改造主要结论如下：

（1）相比采用传统单向导通装置，采用响应式智能导通装置后，正线与停车场导通次数与导通时间显著下降，有效降低停车场杂散电流泄漏；

（2）单向导通装置流过的电流和停车场地电位梯度之间峰值出现时间同步，存在较强的相关性。响应式智能导通装置除出现个别电流峰值外基本没有导通，地电位梯度同步减小，响应式智能导通装置通过电流已不是影响场段地电位梯度的主要因素；

（3）采用响应式智能导通装置显著改善了场段钢轨电位异常问题及杂散电流泄漏水平，改造后，红星路停车场地电位梯度分布仍受1 号线正线及邻近线路杂散电流干扰。

（4）改善城市轨道交通线路直流干扰情况应从场段咽喉区单相导通装置的改造和正线钢轨对地绝缘的提高两方面着手。