地铁直流牵引系统杂散电流防护问题的研究

罗 兵，王卫东

0 引言

随着城市轨道交通的快速发展，国内建成运营的城市轨道交通线路越来越多，许多新兴城市正在规划和筹建城市轨道交通。目前国内绝大多数城市轨道交通均采用正极接触网或者接触轨供电、负极通过钢轨回流的方式，在国内城市轨道交通建设中对直流系统、接地网和杂散电流的关系等问题缺乏系统性的研究，对杂散电流防护在设计、施工、运营上缺乏统筹考虑，认识上也不统一。

国外在杂散电流方面的研究起步较早，如美国在1925年就开展了研究，取得了一些成果。国内在杂散电流方面的研究起步相对较晚，且缺乏系统性的研究。国内仅在上海地铁1号线和广州地铁1号线全盘引进了德国西门子的技术后，便开始了地铁的大规模建设。但在杂散电流防护方面又没有引进国外杂散电流的防护理念，而是开始了自主设计。本文通过对国内地铁杂散电流防护上采取的措施和存在的问题进行分析研究，指出目前国内地铁钢轨回流方式杂散电流防护在设计、施工、运营中存在的问题，并提出了解决思路。

1 杂散电流产生的原因和危害

1.1 地铁的接地问题

分析地铁杂散电流产生的原因，需先了解地铁接地问题，目前，地铁接地形式主要有以下3种：

（1）车站综合接地网。目前地铁的设计和施工采用的是“外引接地，绝缘引入”，即在车站地下结构外打接地网，与大地直接相通，作为车站和区间一切电气设备的工作和保护接地。要求接地电阻值不大于0.5 Ω。

（2）地下结构钢筋。主要包括车站主体结构钢筋、区间整体道床和盾构结构钢筋，它们构成地铁的法拉第笼屏蔽层，并按照杂散电流的防护要求进行焊接。理论上，地下结构通过防水层与大地隔离，干燥的混凝土电阻率很高，结构钢筋与大地不应连通。实际上当混凝土周围的含水量超过4%时，混凝土的电阻率就和土壤相当了。埋于地下的地铁结构周围的含水量远远超过了该值，干燥混凝土和潮湿混凝土的电阻率相差520倍。地下结构的防水不到位或施工中遭到破坏后，结构钢筋就与大地连通了。北京地铁1号线、2号线的实际测试中地下结构钢筋的接地电阻可以达到0.5 Ω以下。

（3）将车站综合接地网与地铁结构钢筋连为一体。由于将杂散电流直接引入大地，不利于杂散电流防护，地铁不采用该方式。

国内地铁设计上要求地铁结构钢筋和车站综合接地网不应该连通，理论上也不会连通，但实际运营情况表明它们是相通的，这是很严重的问题。

1.2 杂散电流产生的原因

钢轨回流方式直流牵引系统的正极接触网通过支持绝缘子固定在隧道壁上，经过电动机车和回流钢轨回到牵引变电所。杂散电流产生的原因来自直流牵引系统正极和负极对大地的泄漏，而且主要是来自负极回流钢轨对大地的泄漏，其大小由2个条件决定：一是钢轨对地电位；二是钢轨对地的过渡电阻。如图1所示，接触网的架空地线和道床下的结构钢筋相当于直流系统正、负极的屏蔽层，它们组成了直流系统杂散电流的第一道防线。

图1 地铁直流牵引系统地下杂散电流排放示意图

虽然正极接触网绝缘良好，但区间贯通的架空地线收集了区间正极的泄漏电流，并排入综合接地网；牵引变电所内直流开关柜绝缘安装，柜内的正极泄漏电流通过框架保护电流元件也排入了综合接地网。

负极钢轨虽然也是绝缘安装，但由于受污染、渗水等恶劣环境及其他因素的综合影响，钢轨与整体道床的过渡电阻很低。泄漏的电流可以通过道床下的结构钢筋、盾构结构钢筋、接地网3个渠道回到变电所负极，还有一部分通过大地流出了地铁系统，成为真正的迷流。

按照《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》（CJJ49-92）第 4.2.1条规定：兼用作回流的地铁走行轨与隧洞主体结构（或大地）之间的过渡电阻值（按闭塞区间分段进行测量并换算为1 km长度的电阻值），对于新建线路不应小于15 Ω · km，对于运行线路不应小于3 Ω · km。实际工程中，测量钢轨与地过渡电阻通常只有 1 Ω左右，差的会到0.5 Ω以下，钢轨和大地实际上是连通的，这相当于把钢轨埋入了地下，危害之大可想而知，应引起各方高度重视。

1.3 杂散电流带来的危害

杂散电流的危害与杂散电流的强度成正比，电流强度越大，腐蚀就越严重。计算表明：1 A电流经过一年就相当于9 kg的铁发生化学溶解而被腐蚀掉。杂散电流比较严重的区域，8～9 cm厚的钢管，只要2～3个月就会腐蚀穿孔。杂散电流的危害主要分2个部分：

（1）对地铁系统本身的危害。综合接地网是所有电气设备公共的接地，杂散电流流入接地网将引起接地电位的升高，使某些电气设备无法正常运行；腐蚀钢轨影响行车安全；对地下综合接地网、管线和电缆铠装的腐蚀影响系统运行安全；对车站和隧道结构钢筋的腐蚀影响结构安全，减少其使用寿命。

（2）对地铁系统外的危害。腐蚀市政水管和天然气等管道，引起安全事故，影响群众生活；腐蚀地铁外建筑结构钢筋，减少其使用寿命。

2 防护杂散电流措施和存在问题

地铁杂散电流的防护分被动型和主动型2种，管道覆盖绝缘层、采用绝缘法兰等为被动型防护，本文主要研究的是主动型防护。通过上述的分析可以知道，地铁杂散电流防护的根本问题是钢轨的绝缘问题，只要钢轨绝缘良好，就会减少很多问题。杂散电流的防护有3道防线：第1道也是最重要的防线是利用整体道床下结构钢筋作为杂散电流的主收集网；第2道防线是利用车站和隧道的结构钢筋作为辅收集网；第3道防线是综合接地网（其实已经到了地铁系统之外了）。过了这3道防线就会威胁市政管线和其他建筑物的安全了。

2.1 地铁杂散电流防护采取的措施

（1）直流系统采取的措施：采用DC 1 500 V直流制式以提高牵引电压，减小牵引电流；钢轨分段处通过回流电缆连接，且优先采用爆炸焊的方式或每隔一定的距离，2根钢轨之间以及上下行钢轨之间采用均流电缆连接，从而减小钢轨的回流电阻；为回流通路提供连续的电气通路，防止因均、回流电缆被盗而断开；合理设置变电所，减小变电所之间的距离，独立设置车辆段变电所。

（2）土建专业采取的措施：增大主体结构的过渡电阻；增加泄漏路径对地电阻。

（3）轨道专业采取的措施：采用点支撑、绝缘性能优良的绝缘垫和扣件，增加轨道对地电阻；将短钢轨焊成长钢轨，减小钢轨本身的电阻；增加回流轨的截面积；车辆段与正线钢轨连接处设置绝缘分段。

（4）杂散电流专业采取的措施：将正线区间轨道和道床结构钢筋分成对应的若干段，平时用电缆可靠连接，打开时可进行杂散电流的测量，该方式国内没有采用；用直流电缆连接相邻车站管片结构钢筋，起到隔离保护的作用；在正线每个牵引变电所设1台排流柜，利用主、辅收集网进行排流，排流回路分为上行道床结构钢筋、下行道床结构钢筋、上行隧道结构钢筋、下行隧道结构钢筋和接地网 5个排流支路，另外在车辆段设置单向导通装置；设置杂散电流监测系统，通过埋设在区间道床和车站隧道的参比电极监测极化电位，判断结构钢筋是否被腐蚀，同时测量排流电流、钢轨对结构钢筋的电压值，并通过软件系统计算轨道对结构钢筋的过渡电阻、钢轨纵向电阻等值，供运营单位参考。

（5）运营单位采取的措施：成立专门杂散电流维护小组，定期监测、清扫；采用双边供电，尽量避免单边供电；根据监测情况适时投入、切除排流支路，确保排流柜等排流设施的正常运转。

2.2 目前国内杂散电流防护存在的问题

2.2.1 设计方面的问题

（1）上下行钢轨连接的问题。除了车辆段外全线上下行钢轨通过均流电缆连成一体，主要目的是降低钢轨回流电阻和钢轨电位。这种做法本身并没有错，但假如上下行钢轨中有一个点绝缘降低或接地，相当于全线的绝缘都降低或接地了，实际上增加了杂散电流泄漏的风险，给查找和处理泄漏点带来不便。

（2）钢轨电位限制装置。国内地铁最早引进国外技术时，每个变电所设置2台钢轨电位限制装置，即上下行分开。现在把上下行钢轨连在一起，每个变电所只设置1台钢轨电位限制装置，这种做法一方面不利于区分哪条钢轨电位升高，不利于排查，另一方面钢轨电位限制装置的投入又让杂散电流泛滥成灾。

（3）接触网架空地线的问题。架空地线的作用主要是发生区间接触网对地短路时提高保护装置的灵敏性和可靠性，但也带来2个方面的问题：一是增加了正极对大地的泄漏电流；二是架空地线的存在本身就增加了正极对地短路的风险。接触网支持绝缘子采用绝缘安装可以解决杂散电流的问题。设置架空地线本身并没有错，但当架空地线与隧道结构钢筋连通时就出现了问题，这时将架空地线直接连接到道床结构钢筋（即杂散电流主收集网），既不影响其功能，又不至于将杂散电流引向地铁系统之外。

（4）直流屏蔽电缆的问题。国内有些城市采用了带有屏蔽层的直流电缆，目的是为了防鼠和直流泄漏试验，这带来2个方面的问题：一是增加了泄漏电流流入大地的几率；二是假如屏蔽层两端接地，由于霍尔效应产生涡流很容易烧毁。即使屏蔽层单边接地，由于不足以承受短路电流，直流电缆发生对地短路时会烧毁电缆，由于一般有多根电缆并排连接，一烧即是一排电缆。防鼠的方法很多，屏蔽层不是唯一选项。直流电缆的电压只有 DC 1 500 V，绝缘性能靠产品工艺完全能保证，没必要进行直流泄漏试验，国家标准也没有该要求。

（5）整体道床下杂散电流主收集网的问题。在潮湿的环境下，整个道床的电阻率很低，此时发生钢轨对地绝缘不良，钢轨与道床下的钢筋就会连通，产生大量泄漏电流，钢轨的绝缘安装就失去了意义。此时，排流柜道床结构钢筋支路投入，会严重腐蚀道床结构钢筋，不投入又将使泄漏电流在地下肆意穿行，带来的危害更大。同时，钢轨下面的大量结构钢筋由于霍尔效应会引起钢轨电位的波动，一方面引起钢轨电位限制装置频繁动作，让值班员不胜其烦。另一方面钢轨电位限制装置的投入带来了杂散电流的泛滥，由于钢轨与屏蔽门等电位连接，不投入又会给乘客的人身安全带来隐患。

2.2.2 施工方面的问题

主要是钢轨均、回流电缆和整体道床下杂散电流主收集网测防端子连接问题，隧道打眼问题。

钢轨均、回流电缆的连接方式有焊接和栓接2种，通常采用爆炸焊的方式，这是特殊焊接工艺，除了对焊接温度、焊药、焊接位置、焊点间距等有特殊要求外，专业厂家应对施工人员进行技术培训，持证上岗，同时施工单位应做好焊接记录，并可追溯。同时由于在同一点不能反复焊接，应做好防盗工作。爆炸焊在北京地铁出现过很多问题，因此建议北方地区采用栓接方式，只要选择质量好的销钉即可。

道床下结构钢筋预留测防端子有虚接情况，施工时一定要保证测防端子与结构钢筋可靠连接，同时两边端子用电缆可靠连接，最好使用可以防盗的测防端子。

另外，在接触网和电缆支架的施工过程中，打眼时会经常打到结构钢筋，这时必须换位重打。若支架和地网连通，相当于地铁的结构钢筋与综合接地网连在了一起，加之钢轨与整体道床下的结构钢筋间电阻本身就很低，杂散电流防护的前两道防线就完全失去了作用，这是非常严重的问题。

2.2.3 运营方面的问题

主要是指导思想上的问题，为了害怕腐蚀杂散电流主收集网、隧道结构钢筋、接地网而不敢投入排流柜。目前正式运营中的地铁线路由于疏于清洁、渗水等多种原因，钢轨与地的过渡电阻非常低，个别运营线路过渡电阻仅有0.5 Ω，钢轨与杂散电流主收集网基本连通，大量电流泄入地下。据深圳地铁1号线和北京地铁2号线的实际测量，车辆启动时仅主收集网电流就高达 100～200 A。没有杂散电流，投入排流柜不会产生任何影响，但明知泄漏电流存在而不投入排流柜的危害是非常大的，而且会向地铁系统之外扩散，是不负责任的行为。

3 结语

国内地铁杂散电流防护主要采用的是排流法，该方法在国外运用比较成功，但在国内地铁建设过程中一直存有争议，从实际情况来看排流法在国内运用并不是很成功。如道床下结构钢筋是否有必要布置那么密集？如何才能减少其对钢轨电位的影响等问题没有得到很好解决。采用排流法有2个前提条件：一是钢轨与地绝缘良好，二是主收集网、辅收集网、综合接地网是相互隔离不连通。分析表明，由于国内地铁在设计、施工、运营方面存在诸多问题，上述2个条件都很难达到。最明显的是国内运营的地铁线路钢轨电位普遍升高，钢轨电位限制装置失去了其应有的作用，它的长期投入又使杂散电流泛滥成灾。

为了从根本上解决问题，笔者建议国内地铁尽早采用第四轨回流的方式，重庆跨座式单轨直流牵引系统就不存在上述问题，同时国外也有许多成功的经验可以借鉴。具体建议如下，供参考：

（1）地铁运营单位成立专门的杂散电流防护小组，确保钢轨绝缘良好，同时将运营线路排流柜主收集网支路立即投入，根据排流效果决定其他支路是否投入。

（2）改变接触网架空地线和框架电流保护的接线方式，即将架空地线按供电区间断开，单端与杂散电流主收集网连接。同时将框架电流保护接综合接地网一端改接到杂散电流主收集网上。这样直接排回负极，消除正极对地的泄漏电流。

（3）直流回路选用不带屏蔽的直流电缆，减少正、负极回路对地的泄漏电流。

（4）将道床下结构钢筋按供电区间断开，按供电区间分段治理。施工验收时，应测试钢轨对地过渡电阻，各专业应确保道床结构钢筋、隧道结构钢筋（包括高架桥墩结构钢筋）和综合接地网是相互隔离不连通的。

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