地铁车辆段轨电位问题分析与研究

摘要：在地铁牵引供电系统中，钢轨作为回流系统的一部分，当电客车运行时钢轨和地之间会存在电位差，电位差过高时则会影响人身或设备安全。为此，通过分析牵引供电系统轨电位形成的原理，并进行现场测试与验证，对轨电位产生的原因进行了剖析，提出了相应的防范措施。

关键词：牵引供电系统;轨电位;杂散电流

0 引言

广州轨道交通21号线镇龙车辆段近来发生多起设备打火事件，根据现场排查与分析，事件均与轨电位问题相关。车辆段内部分股道钢轨附近存在接地金属体，如果短接钢轨与接地金属体，便可能出现打火现象。车辆段盖下接触网上方铺设了大量风管、水管以及其他电力照明等接地设备，在接触网已停电、挂地线的情况下，对设备进行维护时，这些设备上的金属接地体与接触网短接也会产生打火现象，影响人身与设备安全。

本文针对近期镇龙车辆段发生的设备打火事件，对事件产生原理进行剖析，并提出防范建议，以免类似事件再次发生。

1 轨电位分析

牵引供电系统的组成示意图如图1所示。

牵引供电系统的通路可看作一个直流回路，其中变电所正极母排与负极母排可看作压降为1 500 V的电源。正常情况下牵引供电系统的电流路径是：变电所正极母排→馈线→接触网或接触轨→电客车→钢轨→回流线→变电所负极母排。1.1    軌电位高于地电位

钢轨通过绝缘扣件的安装，假设钢轨纵向阻抗和钢轨对地阻抗均匀分布，钢轨（即回流轨）可等效为均匀传输线，钢轨电位和钢轨电流的表达式为：

式中，L为测量点距牵引变电所的距离（km）;I为流过钢轨的电流（A）;α=为传播常数;Z0=为特征阻抗。

从式中可以看出，钢轨阻抗、流过钢轨的电流和测量点距牵引变电所的距离是影响轨电位的主要因素，它们呈线性正比例关系。

变电所负极母排被认为是零电位，在通过同等电流情况下，距离负极越远，钢轨纵向电阻越高，则测量点的轨电位越高，即钢轨与地之间的压差越高。

1.2    轨电位低于地电位

对牵引供电系统而言，大地近似为导体，由于钢轨与地之间不是绝对绝缘，少许泄漏电流通过大地回到负极，即形成杂散电流。

车辆段和停车场均位于地面，通过出入段线与正线连接。车辆段库外线路采用碎石道床，全天候暴露于自然环境中，粉尘、雨雪对其轨地间的泄漏电阻影响很大，故碎石道床的绝缘往往难以达到理论值。此外，车辆段建筑与各类管线较多，所以车辆段和停车场是地铁杂散电流防护的薄弱环节。

在车辆段无列车运行、正线运营过程中，在单向导通装置正常运行时，正线泄漏的杂散电流会从绝缘相对薄弱的车辆段四周流向车辆段，车辆段类似一个杂散电流吸收源，周围杂散电流被吸收进入车辆段后，经车辆段钢轨通过出入段线位置单向导通装置流向正线，此时车辆段钢轨电位低于地电位。

2 测试与验证

为测试镇龙车辆段在不同状况下的轨地电位差的大小及方向，计划在不同工况下对轨地电位及电流进行测试。需要测试的数据有镇龙车辆轨电位装置与临近的镇龙北站轨电位装置在不同工作状态下的轨地电位、轨地电流。

2.1    车辆段有电客车运行

某日早上电客车出厂时，正线暂未开始运营，记录此时镇龙车辆段轨电位装置监测数据，数据最高达31 V，轨电位高于地电位。

2.2    车辆段无电客车运行

同日下午，镇龙车辆段所有供电区均停电，此时车辆段无电客车运行，正线正常运营。选取了镇龙车辆段位于L-12道的OV3限制装置进行测试与验证。

当镇龙车辆段、临近的正线镇龙北站轨电位装置全部断开时，车辆段OV3处轨地电位最高可达148 V，地电位高于轨电位，单向导通装置存在由库内流向库外的电流;当镇龙北站轨电位装置闭合时，车辆段OV3处轨地电位下降至0 V。当镇龙车辆段轨电位装置闭合、镇龙北站轨电位装置断开时，车辆段轨地电位装置OV3最大电流达38 A，方向为地流向轨，单向导通装置存在由库内流向库外的电流;当镇龙车辆段轨电位装置、镇龙北站轨电位装置全部闭合时，流经轨电位装置、单向导通装置的电流都为0 A。

当镇龙车辆段轨电位装置断开、镇龙北站轨电位装置闭合时，流经镇龙北站轨电位装置电流极值为603 A，方向为轨流向地;当镇龙车辆段轨电位装置闭合、镇龙北站轨电位装置闭合时，流经镇龙北站轨电位装置的电流极值为668 A，方向为轨流向地。现场测试发现，镇龙北站轨电位装置电压、电流存在较大波动，呈现潮汐特性，判断与正线行车情况存在关联。

当拆除单向导通装置电缆时，车辆段轨地电位装置OV3电压稳定在0 V。

2.3    测试结论

测试结果数据有如下结论：

正线无电客车运行而车辆段有电客车运行时，车辆段轨电位高于地电位。

车辆段无电客车运行而正线有电客车运行时，正线杂散电流会通过大地流向车辆段钢轨并最终流回正线，导致镇龙车辆段轨地间存在电位差，且地电位高于轨电位;闭合镇龙车辆段或正线相邻站点轨电位装置，会降低钢轨对地之间的电位差。而拆除单向导通装置电缆，切断杂散电流通向正线的路径后，也会降低钢轨对地之间的电位差。

3 案例分析

某日，镇龙车辆段接触网全区停电挂地线，车辆段内无列车升弓取流。施工人员在镇龙车辆段盖下进行管道整改作业时，吸气式管道向下弯曲，与管道绑扎一起的钢丝在随管道向下弯曲过程中与接触网斜拉线发生触碰，触碰后产生火星，后续导致该钢丝断裂。

根据牵引供电回流系统特性及杂散电流形成原理，结合L-10道现场勘测情况判断，事件为接触网（通过接地线连接钢轨）与地之间形成负回流通路所导致的打火现象。在事件发生时，钢丝索与接触网接触，大地、钢丝索、接触网、地线、钢轨形成回路，正线杂散电流通过钢丝索上网后再经地线上轨回流至正线牵引所，由于钢丝索与接触吊索间接触电阻较大，导致钢丝索与接触网拉线两者接触部分发热并产生打火现象，最终导致钢丝索熔断。

4 风险与防范措施

4.1    存在风险

针对镇龙车辆段临近接触网作业时，在接触网/轨设备停电挂地线情况下，仍可能存在的风险进行了排查，主要存在的风险如下：

（1）镇龙车辆段内部分股道钢轨附近存在接地金属体，由于轨电位的存在，如果短接钢轨与接地金属体，可能出现打火现象。

（2）镇龙车辆段盖下接触网上方铺设了大量的风管、水管以及其他电力照明等接地设备，在接触网已停电挂地线情况下，对设备进行维护时，这些设备上的金属接地体与接触网或钢轨短接也可能出现打火现象。

4.2    防范措施

地铁车辆段内施工一般在干燥且劳保齐备情况下开展时，人身安全直流电压可达140 V。而在轨电位限制装置的保护下，镇龙车辆段内轨地电位差超过50 V便合闸接地，能够满足作业人员人身安全需求。为进一步确保人身与设备安全，在镇龙车辆段开展作业的各专业人员，需遵守安全规章制度，穿戴好劳保用品，采取必要的安全防护措施，避免使用接地线或金属管线将接触网/轨设备或钢轨与接地金属体接触。可补充开展以下措施：

4.2.1    加强杂散电流监测，防范过渡电阻异常

继续把杂散电流监测与防控作为一项长期的工作常抓不懈，加強杂散电流监测数据的采集与分析，及时发现杂散电流的异常情况。同时定期利用冲洗轨道等手段，清除附着在钢轨绝缘垫等对钢轨对地阻值有巨大影响的金属粉尘，提高钢轨对地过渡电阻，减少杂散电流的产生。

4.2.2    对单向导通装置进行改造优化

单向导通装置类似一个排流柜，将车辆段内杂散电流通过出入段线钢轨及单向导通装置汇集到邻近牵引变电所。可对单向导通装置进行优化，在有车辆通过时将其导通，无车辆通过时将其断开。这样相当于切断了车辆段杂散电流流入正线牵引所的通路，使杂散电流尽量流回就近的牵引变电所。此外，当车辆段杂散电流无通路后，正线杂散电流流向车辆段的流通量也会相应降低，这样也会减轻对车辆段建筑结构的影响。

5 结语

本文对镇龙车辆段轨电位相关问题进行了分析，得出以下结论：

车辆段有电客车运行时，由于钢轨电阻的存在，作为回流轨时，将会产生轨地电位差，且轨电位高于地电位。车辆段无电客车运行，而正线有电客车运行时，正线杂散电流会通过大地流向车辆段钢轨并最终流回正线，轨地间存在电位差，且地电位高于轨电位。

在轨电位限制装置的保护下，镇龙车辆段内轨地电位差超过50 V便合闸接地，能够满足保护作业人员人身安全的需求。为进一步确保人身与设备安全，建议各专业施工人员避免将接触网/轨设备或钢轨与接地金属体接触。

此外，利用杂散电流监测系统加强监测电流杂散情况变化，评估相关措施造成的影响，并根据监测情况适当调整措施，进一步对单向导通装置进行改造优化，避免出现杂散电流经车辆段钢轨进入正线的情况。

[参考文献]

[1] 李鲲鹏，刘炜，李群湛，等.直流牵引回流系统钢轨电位的理论分析[J].都市快轨交通，2015，28（5）：91-94.

[2] 李国欣.直流牵引回流系统分析及轨电位相关问题研究[D].徐州：中国矿业大学，2010.

收稿日期：2020-03-05

作者简介：熊青松（1993—），男，河南信阳人，助理工程师，研究方向：城市轨道交通供电。