钢轨电位相关影响因素现场测试及分析

金辉

摘要： 国内城市轨道交通线路运营过程中，经常出现钢轨电位过高，导致钢轨电位限制装置频繁动作，甚至直流框架保护动作，大面积直流停电。钢轨电位过高会对乘客人身安全造成威胁，同时，屏蔽门跟钢轨连接，钢轨电位传导到屏蔽门，当结构钢筋和屏蔽门触碰时就会发生放电，产生火花，存在严重的安全隐患。针对钢轨电位过高的问题，对钢轨电位相关影响因素，如钢轨纵向电阻、轨缝电阻、机车牵引电流、钢轨电位变化情况进行了现场测试及分析，同时，对屏蔽门机车绝缘部分绝缘情况、及等电位连接线拆除后屏蔽门电位进行实际测试。经过分析提出钢轨电位限制措施，屏蔽门安全解决方案。

Abstract： During the operation of domestic urban rail transit lines， the rail potential is often too high， which leads to the frequent action of the Rail Over-Voltage Protection Device， even the DC frame protection action and the large area DC power failure. The rail potential is too high will pose a threat to the safety of passengers， while the connection of shield door with the rail， the rail potential conduces to the shield door， when the structural steel and shielded doors touch there will be discharge and spark， which has serious security risks. In view of the problem that the rail potential is too high， the influence factors， such as rail longitudinal resistance， track resistance， locomotive traction current and rail potential change， are tested and analyzed. At the same time， the actual test of the insulation situation of the shielded door locomotive insulation and the shielded door potential after removal of equipotential connection cable are carried out. After the analysis， the rail potential limit measures and shielding door security solutions are proposed.

关键词： 城市軌道交通；钢轨电位；现场测试；抑制措施；屏蔽门

Key words： urban rail transit；rail potential；field test；suppression measures；shield door

中图分类号：U231 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）17-0081-06

1 概述

目前国内的城市轨道交通基本均采用直流750V或1500V供电，机车由接触网（轨）获得电能，牵引电流通过轨道返回到牵引变电所整流机组负极。由于轨道自身阻抗及杂散电流影响，轨道和地之间会产生电位差，严重时可危及人身安全。为了限制钢轨电位，在工程设计时采用在车站设置钢轨电位限制装置（Rail Over-Voltage Protection Device， OVPD），钢轨电位限制装置一端接钢轨，另一端接地母排。钢轨电位限制装置内设置隔离开关，在正常运行方式下是处于打开状态，当钢轨电位限制装置测量到钢轨和接地母排之间的电位差达到一段设定值时（一般I段整定值90V，II段整定值150V，III段整定值500V），钢轨电位限制装置合闸，将钢轨和地短接，延迟一段时间（时间可设定）后，装置自动打开。钢轨电位限制装置自动测量钢轨和地母排之间的电位差，钳制钢轨电位在安全电位以下。为了保护乘客的人身安全，在站台边沿设置了绝缘垫，绝缘垫宽度至少达到0.9m，屏蔽门安装在绝缘垫上，并将屏蔽门用电缆和钢轨连接保证二者的等电位。乘客在上下车触碰屏蔽门时，保证了车辆和屏蔽门等电位，将乘客踏脚处与手触摸处的电位差缩小到零。当乘客踏进车厢或踏出车厢时，由于站台的绝缘性能，即使车厢上有高电压也不会产生电击或人身伤害等现象。

目前在国内已建成投入运行的城市轨道交通系统中，普遍存在轨电位异常升高的问题及屏蔽门绝缘较低，打火等问题。根据测试，当OVPD动作闭合时，钢轨与地之间的入地电流（杂散电流）可达到800 A以上。钢轨电位限制装置动作频繁（多条线路全线轨电位动作次数每天近千次），甚至导致直流框架保护动作，造成牵引变电所交直流开关跳闸。当钢轨电位限制装置动作闭合时，不可避免会有大量电流经以大地为回路流通，尤其是当有多台轨电位动作闭合时，通过地网散发出的杂散电流对城市地下金属结构会产生很大的腐蚀。国内部分地铁运营单位为了保证安全，采取将线路部分轨电位限制装置运行于永久合闸状态，此项措施虽然解决了轨电位过高的问题，但这时大量的钢轨回流通过钢轨电位限制装置流入地网，形成杂散电流，对地网和车站金属结构产生腐蚀，影响地网和车站金属结构的使用寿命，直至影响到车站的使用寿命。

在广州地铁运营中发现，每条运营线路的部分车站均存在轨电位普遍偏高的现象，造成每条线路均有2至3个车站的钢轨电位限制装置频繁动作，一旦钢轨电位限制装置动作失灵则对地铁的运营安全及乘客的人身安全带来威胁；同时，在运营中发现，由于轨电位的存在，屏蔽门外框结构等对相邻金属部件有火花放电现象。为减轻轨电位升高给地铁的运营安全及乘客的人身安全，我们对每条线路的2至3个车站临时采取人工永久合闸钢轨电位限制装置的措施，采取该临时措施虽然解决了地铁的运营安全及乘客的人身安全的问题，但带来了对隧道、道床的结构钢和附近的金属管线造成不同程度的电腐蚀等问题。

同样屏蔽门跟钢轨连接，钢轨电位传导到屏蔽门，当结构钢筋和屏蔽门触碰时就会发生放电，产生火花，存在严重的安全隐患。

表1为广州地铁钢轨电位限制装置整体动作情况统计。

因此，对钢轨电位相关影响因素进行现场测试、分析，找出钢轨电位升高的原因并提出抑制措施，优化屏蔽门与钢轨连接方式对城市轨道交通安全运营具有十分重要的意义。

2 钢轨电位相关影响因素现场测试及分析

2.1 钢轨电位影响因素分析

钢轨电位的相关影响因素主要有钢轨纵向电阻、钢轨接缝电阻、机车牵引电流、再生制动电流长距离传输、牵引变电所间距等。由于钢轨电位的影响因素较多，应针对这些影响因素进行实际现场测试，确定运营过程中是哪些参数导致钢轨电位升高。根据现场测试结果，对钢轨电位限制提出针对性治理建议。

目前，普遍采用屏蔽门与钢轨等电位连接方式。由于现场屏蔽门绝缘一般较差，在钢轨电位较高的情况下，会有电流通过屏蔽门泄漏至大地，造成屏蔽门打火等安全隐患，因此，应对钢轨电位影响下，屏蔽门连接方式进行测试，确定屏蔽门与钢轨的连接方案。

针对上述问题，对广州地铁实际线路进行了测试。

2.2 钢轨纵向电阻测试及分析

钢轨纵向电阻直接影响钢轨电位的大小。CJJ49《杂散电流腐蚀防护规程》中规定：地铁轨道钢轨宜通过焊接工艺连接成长轨，纵向电阻值不应大于0.01Ω/km。根据标准推荐的测试方法，对广州地铁新建线路6号线东山口站钢轨纵向进行了离线测试。测试共进行10组，测试结果统计图如图1所示。

由测试结果可知，6号线东山口站测量得到的钢轨纵向电阻平均值为0.0374Ω/km，即37.4×10-3Ω/km。相对于厂家给出的65kg的钢轨：Rc=26.6×10-3Ω/km较大。但四根钢轨并联后电阻0.00935Ω/km，小于0.01Ω/km，钢轨纵向电阻符合标注要求。

对广州地铁已运行线路8号线宝岗大道站轨行区钢轨纵向电阻进行了离线测试，共进行10组测试。测试结果统计图如图2所示。

8号线宝岗大道站测量得到的钢轨纵向电阻平均值为0.034712Ω/km，即34.7×10-3Ω/km。相对于厂家给出的65kg的钢轨：Rc=26.6×10-3Ω/km较大，但符合标准要求。

通过实际钢轨纵向电阻测试结果，钢轨纵向电阻一般符合标准规定。钢轨纵向电阻不是导致钢轨电位异常升高的主要原因。

2.3 钢轨接缝电阻离线测试结果及分析

规程CJJ49-92规定钢轨接缝电阻不得大于1米钢轨电阻，但1米钢轨电阻不到1mΩ，由于现场条件限制，难于直接测量，为了减少误差，采用类似电桥的电压比较法测量轨道接缝电阻值。

测试中U1是每米钢轨电阻与其中轨道接缝电阻上的电压降之和，U2是每米钢轨电阻上的电压降。按规程CJJ49-92要求，钢轨接缝电阻不得大于1米钢轨电阻，则要求：？琢=■-1？燮1

根据标准规定测试方法，对广州地铁新建线路6号线东山口站轨行区钢轨进行了接缝电阻离线测试，根据测试数据，求？琢值，做结果统计图如图3。

由测试结果可知，？琢值小于1，符合标准中对钢轨接缝电阻的规定。

同时，对已运行线路广州地铁8号线宝岗大道站轨行区钢轨进行了钢轨接缝电阻离线测试，根据测试数据，求值，做结果统计图如图4。

由测试结果可知，？琢值小于1，符合标准中对钢轨接缝电阻的规定。

通过对实际线路钢轨纵向电阻进行测试，现场钢轨接缝电阻一般符合标准规定。不会造成钢轨电位异常升高。

2.4 机车牵引电流在线测试

机车牵引电流大小直接影响钢轨电位的大小，应在运营时对机车牵引电流进行测试，确定钢轨电位经常升高至闭锁设置电压是否受机车牵引电流的影响。选择广州地铁八号线琶洲站为测试点。由于万盛围站为降压变电所，琶洲至万盛围站区间为单边供电区间，在琶洲-万胜围区间运行的机车取流均来自于琶洲站牵引整流变压器。因此，对琶洲站馈电开关流经的电流进行测量可得到琶洲站-万胜围站机车运行时的取流情况。

在项目测试中，对机车运营时的牵引电流进行了连续在线记录，结果如图5。

由钢轨纵向电阻离线测试结果可知，测试过程中钢轨平均纵向电阻值为0.038Ω/km，假设每根钢轨纵向电阻为0.04Ω/km，每行之间两根钢轨设置均流线，每行钢轨纵向电位为0.02Ω/km，在上下两行之间不设置均流电缆时，通过牵引电流与钢轨纵向电阻计算得到万胜围站轨地电位计算值如图6。

2.5 电流长距离传输对钢轨电位的影响

目前，城市轨道交通线路中机车优先采用能量再生制动方式，制动时将电流回馈至接触网，该电流会被附近运行的其他机车吸收。运营的机车平均距离约为5km，因此，再生制动电流传输时，距离较长，会导致钢轨电位升高。通过现场实际测试，存在电流长距离传输的情况。如图7所示。

由图7可知，一机车制动时再生制动电流会通过直流馈电开关流至另一区间加速运行的机车，这样会导致电流流通距离加长，钢轨电位升高。在钢轨縱向电位、钢轨接缝电阻。

2.6 钢轨电位闭锁问题现场测试及分析

针对钢轨电位升高，导致钢轨电位限制装置闭锁的问题，对广州地铁8号线万盛围站位置钢轨电位进行了现场测试，记录到多次钢轨电位升高至I段保护动作，延时10s后，接触器分闸导致钢轨电位瞬间升高至500V以上，III段保护动作，钢轨电位限制装置闭锁。记录结果如图8-10。

由钢轨电位现场测试结果可知，使钢轨电位限制装置达到闭锁的电压并不是由于回流系统参数和机车牵引电流造成的，而是在接触器分闸时，产生的操作过电压造成的。因此，现场经常出现的OVPD闭锁现场为误闭锁，应通过钢轨电位限制装置控制优化避免该问题，减少钢轨电位限制装置误闭锁导致的杂散电流腐蚀严重的问题。

2.7 屏蔽门绝缘情况测试

通过现场屏蔽门绝缘情况测量，根据打火记录及绝缘测量记录分析，打火位置主要集中在三处：

①固定面板与装修吊顶之间；

②端门固定面板与装修挂板之间；

③端门与边门的连接拐角处。

通过多次的现场测量，基本可以明确屏蔽门对地绝缘基本上达不到绝缘的要求。虽然屏蔽门采取了多种绝缘措施，但是由于屏蔽门长度较长，预埋装修较多，客观上屏蔽门处于接地状态，相当于钢轨进行接地，接地后造成了杂散电流的泄漏量增加。

屏蔽门接地，又非完全性金属接地，存在过渡电阻，电阻值测量用兆欧表难以测出。屏蔽门对吊顶、挂板、边门的绝缘距离较近，绝缘电阻不够，容易形成杂散电流泄漏的电路通路，产生打火放电现象。

从目前的分析来看，是由于屏蔽门对装修材料的绝缘值达不到要求造成的，因此通过调整装修的吊顶挂件与屏蔽门的距离，或者增加绝缘材料，可以避免打火现象。

2.8 已运营机车绝缘情况测试

由于机车与钢轨等电位，如果机车自身绝缘较好，则人体接触机车和大地时，对人身造成的安全危害将消除。通过对广州地铁八号线赤沙车辆段内地铁机车绝缘情况进行测试，了解已运营机车绝缘情况。

测试位置示意图如图11-12所示。

测试位置说明见表2。

测试结果如表3。

由测试结果可知，已运营机车由于磨损等原因，多处绝缘位置绝缘损坏，不利于钢轨电位的防护。

2.9 屏蔽门悬浮时与钢轨之间电位测试

由于现场屏蔽门对地绝缘电阻普遍较低，与钢轨等电位连接后，屏蔽门成为绝缘薄弱点，会有大量杂散电流通过屏蔽门泄漏至大地，造成屏蔽门打火等问题。因此，应对屏蔽门是否与钢轨等电位连接进行论证。测试中解除屏蔽门与钢轨之间等电位连接线，使屏蔽门处于悬浮状态，测试正常运营时，屏蔽门的悬浮电位及屏蔽门与钢轨之间的电位。测试结果如图13-15。

测试结果表明，屏蔽门与钢轨等电位连接线拆除后，屏蔽门处于悬浮状态，对地电位很低，该状态下不会发生打火现象。但同时，屏蔽门对钢轨之间电位很高，可达到90V人身安全电压限制。要保证人身安全，必须提高机车自身车体绝缘及屏蔽门绝缘。

3 钢轨电位解决方案

3.1 钢轨电位限制装置与屏蔽门信号联动

根据实际波形记录结果分析，在屏蔽门开启时，机车已经停车，根据测试结果，此时车站位置轨电位较低，轨电位升高导致OVPD动作的时刻在机车出站加速时，此时屏蔽门已经关闭，如果屏蔽门与钢轨不采取等电位连接方式，此时乘客不会接触至轨行区钢轨。根据屏蔽门与钢轨不等电位连接时门轨电位测试结果，门轨电位大的时刻也为机车出站加速时，如图16。

在实际运营中，如果屏蔽门与走行轨非等电位连接，可增加钢轨电位限制装置的动作条件，在其动作判断条件中增加屏蔽门动作信号，当屏蔽门打开时钢轨电位限制装置会根据此时轨道电压值正常动作；屏蔽门关闭时，钢轨电位限制装置不动作。

钢轨电位限制装置动作判断条件中是否有屏蔽门动作信号与屏蔽门连接方式有关，如果屏蔽门与走行轨为等电位连接，则钢轨电位限制装置是否动作不应考虑屏蔽门是否开启。

3.2 钢轨电位限制装置分闸条件改进

通过现场实际测试结果得到，钢轨电位限制装置闭锁的主要原因是由于回流系统暂态参数存在的情况下，装置分闸时产生的操作过电压超过III段电压设定值，导致其直接合闸闭锁。该问题导致的闭锁为装置自身操作导致的，应对装置进行优化控制，避免该种情况的出现。

通过对直流牵引回流系统暂态模型及产生尖峰过电压的理论分析，尖峰过电压峰值表达式为：

UCmax=■

直流牵引回流系统的自身暂态参数电感L与电容C是很难进行改变的，只有通过降低分闸时刻流经OVPD的電流来减小分闸操作产生的尖峰过电压。因此，对OVPD的控制优化可通过改进分闸条件实现。如图17所示。

当OVPD合闸动作完成后，需检测流经OVPD的泄漏电流绝对值I0，如果I0值较大，大于分闸电流的整定值I，则OVPD不应该进行分闸操作，当检测到较小的泄漏电流I0时，OVPD可以进行相应的分闸操作，这样就可以避免过高尖峰过电压的产生，减少OVPD不必要的闭锁操作。

图18所示为OVPD合闸后，流经的电流曲线，根据上述控制方法，应在电流小于设定值范围内进行分闸操作，电流大于设定范围时，不可进行分闸操作。

通过该控制方法，OVPD分闸时产生的操作过电压减小，可避免因自身操作引起的闭锁问题。

3.3 电流长距离传输的钢轨电位升高解决方案

目前，机车再生制动导致电流长距离传输是导致钢轨电位升高的主要原因。解决该因素对钢轨电位的影响应限制电流长距离传输。目前普遍采用再生制动能量回馈装置或车载超级电容等装置可以在机车再生制动时，将能量回馈或储存，不但使能量再生利用，还能抑制再生制动电流长距离传输，因此，还应针对该方案进行验证。

3.4 轨电位波形振荡的抑制

通过现场实际测试与数据分析，发现轨电位波形存在较大程度的振荡，如果将该振荡进行抑制，可在一定程度上减小轨电位的峰值。

对现场测试得到的轨电位数据进行数字化滤波处理。设置不同截至频率，得到滤波前后轨电位波形对比如图20-21所示。

在沿线装设电容器后，轨地电压的变化趋于平缓，抑制了轨地电压的极值。当然，增设了电容器后杂散电流也会增大，但由于通过抑制轨地电压的极值可以减少轨电位的动作，对应轨电位动作时泄漏的杂散电流，增设电容器增加的杂散电流是微不足道的。

3.5 排流柜退出运行

在实际现场中，当排流柜投入运行时，由于二极管的钳制作用，使得钢轨电位负电位钳制为零，而正电位升高到原来的两倍。因此在杂散电流控制在盾化范围内时，将排流柜退出运行。排流柜投入作为没有其他办法解决时的一种极端措施。

3.6 其他建议方案

轨电位异常升高是多种原因共同导致，除以上治理方案外，还应在供电系统设计时尽量减少单边供电问题，在建设时尽量减小钢轨纵向电阻，增加每行之间与上下行之间的均流电缆等方式，来抑制钢轨电位异常升高。

4 屏蔽门绝缘及安全解决方案

通过对万胜围站的钢轨与屏蔽门、钢轨与大地间的电位的现场测试，在列车未进站时，屏蔽门对钢轨电位不大于36 V，小于人体能接受的安全电压，车辆加速驶出期间，屏蔽门与钢轨电位差升高，电位能达到钢轨电位限制装置动作值，其持续时间在5～10S。

理论上，屏蔽门绝缘阻值良好，且大于0.5MΩ的情况下，可较好地保护乘客的乘车安全。但由于外部环境、施工等因素的影响，目前多数屏蔽门绝缘状况不理想，普遍存在绝缘失效的情况。

根据万胜围现场测量数据分析推断，屏蔽门与钢轨间不进行等电位连接，对乘客乘车的安全影响较小，加上钢轨电位限制装置的保护作用，异常情况下钢轨电位可限制在合理的范围内，所以屏蔽门与钢轨不作等电位连接，根据目前的测量数据分析及运行情况，初步判断是可行的。根据测试结果及分析，屏蔽门的安全解决方案可以有

4.1 屏蔽门绝缘及安全解决方案一

屏蔽门不作绝缘设计、安装，同时对门体集中接地处理。

本方案中，屏蔽门与土建站台板及土建顶梁间不作绝缘安装。如图22所示。

本方案会导致列车与屏蔽门间产生电位差，影响乘客安全通过。对乘客在乘车时可能碰到的区域采取绝缘处理的方式解决，该区域包括：门槛板、门楣、立柱装饰板、滑动门、应急门、后封板等。同时，应对车辆相应区域作绝缘防护处理，避免因屏蔽门绝缘防护失效，危及乘客安全。

相对于目前屏蔽门的绝缘方式，该方案具有如下特点：①施工质量容易保障.本方案仅对滑动门区域作绝缘处理，与其它专业间的接口较少，不会因其它专业的施工影响屏蔽门整体绝缘效果。②整体钢构强度易保障。目前的屏蔽门设计方案是：钢构立柱底部通过绝缘件与底座相连，顶部通过绝缘套与上部固定件相连，因绝缘件属于非金属材料，其强度与金属材料相差较大，因此屏蔽门整体刚度较弱。③维护方便。目前的屏蔽门设计方案中的绝缘件和顶部绝缘套因受周期性结构压力作用，并受空气氧化等因素的影响，将逐渐老化，机械性能、绝缘性等降低，因此须定期更换。绝缘件的更换一般在非运营期钢轨侧作业，作业强度和作业难度较高。④减少杂散电流对车站建筑结构的腐蚀。由于屏蔽门与钢轨不作等电位连接，可有效避免回流轨杂散电流通过屏蔽门腐蚀车站建筑结构，确保车站寿命。

总之，本方案采用屏蔽门集中接地、滑动门区域采用绝缘隔离等措施，对乘客起到了防护作用，确保乘车安全，同时减少回流轨杂散电流对车站建筑结构的腐蚀。

4.2 屏蔽门绝缘及安全解决方案二

屏蔽门绝缘安装，但不与钢轨等电位连接。

本方案中，屏蔽门对大地绝缘安装，绝缘电阻大于0.5MΩ，同时，屏蔽门与钢轨间不作等电位连接，即屏蔽门悬浮安装，屏蔽门与列车间的位置及电位如图23所示。

该方案的特点是：

①屏蔽门与钢轨不作等电位连接，可避免回流轨杂散电流通过屏蔽门腐蚀车站建筑结构，确保车站的设计寿命不受影響。

②屏蔽门绝缘效果良好的情况下，可较好地保障乘客上下车的人身安全。此外，如前所述，屏蔽门与车站建筑结构间的绝缘值不达标，但不作等电位连接的情况下，对其乘客的乘车安全影响较小。

③对于柔性接触网式供电方式，因存在接触网搭在屏蔽门上的风险，影响乘客安全，屏蔽门不适合采用此方式。

5 总结

通过对广州地铁钢轨电位相关影响因素进行了实际现场测试，分析得出了钢轨电位升高、闭锁的原因，并针对各影响因素提出针对性的解决方案。提出通过联动钢轨电位限制装置与屏蔽门信号、增加钢轨电位限制装置分闸条件、制动电流长距离传输治理、抑制轨电位波形振荡、排流柜退出运行等控制措施，来控制钢轨电位。针对屏蔽门与钢轨的等电位连接方式带来的问题进行了分析，并对现场屏蔽门、机车等绝缘情况进行了实际测试，通过分析，提出屏蔽门不作绝缘设计、安装，同时对门体集中接地处理和屏蔽门绝缘安装，但不与钢轨等电位连接的两种解决方案。

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