钢轨电位偏高的整治及测试验证分析

罗亚敏

（广州地铁总公司运营总部，510380，广州∥工程师）

地铁运营线路列车牵引采用直流1 500 V 供电系统，其负极回路通过钢轨回流到电源负极。由于运行电流和短路电流的存在，可能会引起负回流回路和大地间产生超出安全许可的接触电压。轨电位限制装置是为了保证检修人员的人身安全而设置的，当钢轨电位异常升高时，轨电位限制装置合闸，以降低钢轨电位。但是钢轨电位限制装置长期频繁动作或合闸会给轨行区的设备带来不好的影响，可能造成一定的电化学腐蚀，会锈蚀钢筋等结构，威胁地铁的运营安全。为此，本文就如何有效地降低钢轨电压并验证其整治效果作一探讨。

1 钢轨电位偏高的原因分析

电流通路是直流牵引系统与交流牵引系统的最大区别之一。直流牵引系统的回流子系统必须考虑杂散电流对结构钢筋及沿线金属管线的电腐蚀。为此，直流牵引系统的钢轨全部采用绝缘安装方式。直流牵引系统的理想电流通路如图1所示。从图1可知，在正常情况下的电流通路如下：直流正母线→接触网→列车→回流轨→负母线，少许泄漏电流通过大地回路回到直流电源负极。

图1 直流牵引系统电流通路示意图

走行轨作为回流通路的主干线，正线单根钢轨的电阻值约为30 mΩ／km，当合理设置均流电缆后，此电阻值将减小，一般小于20 mΩ／km。若忽略其他因素，则3 000 A 的电流引起的钢轨压降也仅有60 V／km，这一电压水平小于轨电位限制装置的动作设定值。

由于回流通路中存在许多接续头，例如，钢轨鱼尾板跳线连接处、道岔的回流跳线连接处、回流电缆与钢轨的连接处、回流电缆与回流箱母排及负极柜的连接处等。当接头处采用螺栓连接时，接头处的电阻很大程度上取决于紧固外力的大小；当接头处采用涨钉连接时，接头处的电阻又取决于涨钉与钢轨的密贴程度。因此，采用上述连接方案其可靠程度并不可控，特别是电缆与钢轨的连接处，若采用涨钉连接或螺栓连接时，由于钢轨与电缆端子头并不能实现完全密贴安装，尽管在初始安装阶段通过对接触面的除锈处理可起到降低接触电阻的作用，但随着时间的推移，接触面处钢轨锈蚀程度逐步加重，该处的接触电阻也将逐步增加，严重时可以达到欧姆级，远大于回流钢轨电阻。而直流牵引回路的电流一般均在1 000 A 以上，因此，在接触电阻较大的点处，其电压极为可观，这是引起钢轨电位升高的主要原因。

2 整改措施

本文对钢轨电位过高的整治主要是在既有线路绝缘性能一定的情况下，从降低负回流回路电阻方面进行改进，通过增加回流电缆、均流电缆及钢轨接续电缆以达到增大通流能力、降低回路电阻，从而降低轨电位的目的。其整改措施如下：

1）减少负回流子系统的回流电阻，增加各类线缆通流能力

2）增加均流电缆：在降压所车站两端上下行之间的均流电缆，其数量、截面应大于牵引所车站的设置。在长大区段，须按规定的间隔距离设置上下行钢轨间的均流电缆。在牵引所处，除负极电缆作为均流电缆外，车站两端上下行间单独设置均流电缆。

3）应采取有效措施，例如，增加接续电缆数量、加增截面等以减少钢轨接头处的电阻，严格控制钢轨单位长度电阻值。

4）对目前电焊机的焊接方式，存在接触电阻大、容易出现虚焊、焊接质量差异大、不易检测焊接质量等问题。可在钢轨上预设电缆转接铜母排，用于各类回流子系统电缆的连接。

现选取广州地铁8号线琶洲—万胜围区段为试验段，并采取了以下整改措施：

1）在钢轨接头处，增加2×150 mm2接续电缆，以加大通流截面积。

2）在道岔尖轨区段、岔心区段，采用2×150 mm2的跳线电缆。

3）在长大线路区段或单连供电区段，另行敷设回流电缆与钢轨并联，以减少负回流回路电阻。

4）在每个车站两端的上下行线路间，除钢轨电位装置连接电缆、道岔接续电缆外，须设置独立的上下行间直接相连的（不经过变电所钢轨电位、负极母排等设备）均流电缆。

3 整治效果的验证

3.1 试验方案

为验证整治后效果如何，在非运营期间，采用2列电客车在万胜围—琶洲区段上下行线同时以100%牵引力达到最大牵引取流，模拟该区段运营时最大供电负荷情景（见图2）。

在采取整改措施前后，2列电客车在万胜围—琶洲区段上下行线同时以100%牵引力最大牵引取流在最短时间内将运行速度提升到80 km／h，并来回运行各三次。对采取整改措施前后在变电所内收集到的同一站点钢轨电位进行比对，以得出测试结果。

图2 运行线路图

3.2 测试结果分析

钢轨电位测试数据如表1所示。

表1 钢轨电位测试数据表 V

直流馈线开关电流电压测量结果如表2所示。

表2 整改措施实施前后琶洲变电所直流馈线开关电流电压测量结果表

如表1所示，琶洲站在整改措施实施前后钢轨电位变化不明显，最大值相差不超过5 V，平均值相差不超过1 V；万胜围站在整改措施实施后钢轨电位最大值下降约6 V，平均值下降较明显，约为20 V 左右。同时在整改措施实施前、后通过示波器测量直流馈线开关的电流电压，2 列车后211、212直流馈线开关取流情况无明显差异，说明整改措施实施前、后列车取流情况基本一致。

测试数据显示：采用整改措施后万胜围站的钢轨电位值有所下降，但钢轨电位平均值有明显改善；对琶洲站的效果微弱。

4 结语

钢轨电位限制装置电压偏高属于轨道交通直流牵引的一个技术难题，其成因相对比较复杂，涉及到列车牵引负荷电流、钢轨电阻、钢轨相关负回流设备绝缘等因素。从以上验证测试来看，采用整改措施后钢轨电位有所降低，但还需作进一步的改进研究。

［1］董文敏，何文继.城市轨道交通钢轨电阻测量及电耗研究［J］.城市轨道交通研究，2002（2）：47.