地铁杂散电流防护分析研究

上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司 申平军

地铁供电系统主要采用的直流1500V和750V供电，利用走行轨回流。从理论上说直流回路是闭合的，从牵引变电所取得的直流电流应通过走行轨全部回到牵引变电所。实际上由于走行轨无法做到绝对的对地绝缘，少量电流将不沿回流钢轨回到牵引变电所的负极，而是经过大地回到牵引变电所，这些经过大地回到牵引变电所的电流称之为迷流或杂散电流。因此，在确保地铁建设、地铁运营能否正常运行时，如何防护杂散电流就是有待研究的关键技术问题。由于杂散电流具有诸多不容易防护的特点，比如杂散电流样式繁多、分散性强、防护困难，难以预测等。

1 地铁杂散电流防护方案分析

地铁杂散电流腐蚀防护工程方案宜按整体防护类型与回流网的设计进行划分，其中回流网可分为由专用导体(轨)及其连接件组成的绝缘回流系统和由走行轨及其连接件组成的轨道回流方案。根据《CJJ/T 49-2020地铁杂散电流腐蚀防护技术标准》表4.2.3目前地铁杂散电流防护可分为三种：

方案一采用专用轨回流方案，回流轨的绝缘水平要求需和接触网保持一致。地铁一般在工程可行性研究阶段或初步设计阶段已完成对杂散电流腐蚀防护工程设计方案的选择。对于国内地铁通常采用圆形隧道、矿山法（马蹄型）隧道和明挖法（矩形）隧道，以及高架桥梁和地面线路，在后期调整杂散电流防护方案有可能对其限界空间产生影响，以及对土建工程有可能产生实质影响。采用方案一同时会增大工程投资，且目前国内建成并运营的地铁（不含跨坐式单轨）仅有2020年12月开通的宁波地铁4号线采用专用轨回流，防护效果好坏并不明朗。专用轨回流方案建设和运营经验欠缺，缺少案例和数据分析，本文不开展过多分析。

方案二采用走行轨回流方案，做到加强绝缘和监测。根据《CJJ/T 49-2020地铁杂散电流腐蚀防护技术标准》4.2.5条规定：采用方案二走行轨对地、走行轨对结构钢筋应绝缘，其过渡电阻值不应小于150Ω/km。由于杂散电流对钢筋和金属管道腐蚀是一个缓慢的的过程。在地铁线路刚开通时，走行轨周围无灰尘、铁屑、油污等含盐沉积物，此时走行轨的绝缘水平较高，杂散电流也相对较少。随着地铁开通年限的增长，由于列车和走行轨磨耗增加，道床周围粉尘、油污、脏污、砂土的累积，以及道床积水等原因，将会降低钢轨对地过渡电阻值，导致杂散电流增多。此时应需相应的排流措施。由于方案二无排流装置措施，地铁运营到后期过渡电阻不可避免的要减少，无法满足当初设计和运营要求，因此在国内地铁中应用的较少。

方案三采用走行轨回流方案，做到绝缘、监测和排流。根据《CJJ/T49-2020地铁杂散电流腐蚀防护技术标准》4.2.6条规定：采用方案三走行轨对地、走行轨对结构钢筋应绝缘，其过渡电阻值不应小于15Ω/km。该方案设计主要按照“以堵为主，加强监测，应急排流”的原则进行。包括“堵、测、排”三方面内容，具体来说以堵为主首要目的：堵。运用各种措施隔离、控制所有杂散电流可能会泄漏的途径，最大化降低回流系统的阻抗，最大化提高回流轨对地过渡电阻，抑制回流轨对地电流漏泄值；测。应设置完备的杂散电流监测系统，对杂散电流漏泄量进行实时监测，为轨道交通的正常运营、维护提供参考数据；排。设置有效的杂散电流排流网。杂散电流排流网是杂散电流泄漏后能遇到的阻抗较小的回流通路，将杂散电流限制在地铁内部，阻止其继续向地铁系统以外的地方泄漏。

方案三在兼顾了地铁杂散的泄漏特点，国内建设和运营经验丰富，同时工程投资没有方案一高，可靠性及可实施性比方案二好，本文推荐采用方案三进行地铁杂散电流防护设计。

2 具体工程实施方案

某西南城市轨道交通3号线一期工程全长43.086km，其中地下段42.031km，高架段0.713km，敞开过渡段0.342km。地下段采取的施工方法有盾构法、矿山法、暗挖法、明挖法。全线设置19座牵引降压混合变电所，其中车站17座，车辆段1座，停车场1座。正线平均2.5km左右设置一座牵引降压混合变电所，有效抑制杂散电流的产生。本工程采用方案三进行杂散电流防护设计。

2.1 防护方案

明挖法（或暗挖法）区间隧道：明挖法（或暗挖法）区间采用整体道床，采用绝缘法安装走行轨。应保证隧道与整体道床内的钢筋无任何电气上连通。同时走行轨底部与整体道床面之间的间隙不小于70mm。隧道内完善通风和排水的措施，保持干爽的环境。

盾构法区间：盾构法区间隧道内采用整体道床，采用绝缘法安装走行轨。隧道内结构采用隔离法防护。隧道内完善通风和排水的措施，保持干爽的环境。

跨越南明河高架桥段：本工程在师范学院站～东风镇站区间（360m）、东风镇～洛湾站（285m）区间采用高架桥的形式2次跨越南明河，为减小高架桥段的杂散电流泄露，采用走行轨并联电缆的措施，每根钢轨并联1根WDZA-EPR-1.8kV-1x400截面的电缆，连续并联此两个涉及到的供电分区，可使走行轨中流过的电流减半、走行轨的纵向压降相应的减半，对于钢轨电位也起到了一定的作用。南明河高架桥段道床采用整体道床，采用绝缘法安装走行轨。为有效控制杂散电流，南明河高架桥段轨道下方采用橡胶隔振垫道床，使钢轨与基础结构绝缘隔离，尽量提高钢轨对地过渡电阻，抑制钢轨对地电流漏泄值，减少杂散电流对桥梁的影响。须隔离桥梁主体钢筋与道床结构钢筋，做到不得相碰。若桥梁表面有伸出钢筋，则钢筋应采取绝缘措施，例如加装绝缘套管。

沿线平行高压燃气管线段的处理措施：本工程在花溪公园站、民族大学站均存在高压燃气管线平行通过，为减弱杂散电流外泄对于外部管线的影响，采取严格的杂散电流控制方案，采用走行轨并联电缆的措施。每根钢轨并联1根WDZA-EPR-1.8kV-1x400截面的电缆，连续并联此两个涉及到的供电分区，可以使走行轨中流过的电流减半、走行轨的纵向压降相应的减半，对于钢轨电位也起到了一定的作用。同时，也有效降低了杂散电流的泄露。同时采用双层物理绝缘结构+系统自排污扣件减少杂散电流的泄漏。

明挖（或暗挖）车站：车站两侧的道床采用整体道床，采用绝缘法安装走行轨。车站范围内，两侧线路的结构底板钢筋与整体道床内钢筋应无任何电气上连通。同时走行轨底部与整体道床面之间的间隙不小于70mm。车站范围内的隧道内完善通风和排水的措施，保持干爽的环境。

2.2 杂散电流排流方案

随着地铁开通年限的增加，走行轨对地绝缘水平的降低，杂散电流泄漏性有可能会超标，影响运营的安全，所以需设置相应的排流措施，以便在必要时通过相应的排流措施将杂散电流收集回牵引变电所的负极。

2.2.1 排流网的设置

根据地铁运行高峰小时的车流密度、牵引供电电流及线路特征参数综合计算，计算结果并符合排流网极化最高电位低于《CJJ/T 49-2020地铁杂散电流腐蚀防护技术标准》的规定要求，得出最终杂散电流排流网的截面。按照最新规范走行轨对地绝缘电阻值不小于15Ω/km进行计算，为使全线轨道钢筋极化电位不大于0.5V，全线各区间的排流网截面如表1。

表1 全线各区间排流网截面

为便于工程实施，该工程杂散电流排流网截面统一为2种规格：桐木岭站～花溪南站、花溪南站～农学院站、太慈桥站～花果园东站、黔灵山公园站～贵医站、茶店站～顺海站、顺海站～温泉路站、温泉路站～师范学院站、师范学院站～东风镇站、东风镇站～洛湾站的排流网截面为3500mm²，其余为5000mm²。本工程在正线道床均采用整体道床型式，在整体道床内设置排流网。

2.2.2 排流柜

排流柜的设置方案一般为在正线的每座牵引变电所内均设置，通过排流柜使牵引变电所负极柜的负母排和杂散电流排流网的排流端子相连。在开通初期，由于绝缘水平较好、杂散电流泄漏量较低，排流柜一般不投入运行。只有当监测到道床排流网钢筋极化电位值超过设定数值时排流柜才投入运行，道床排流网启动排流。排流柜应具有如下功能：单向极性排流；自动调节排流电流值，大电流限度排流；自动监测记录排流网的排流电流值；具有与电力监控的数据通讯功能。

2.2.3 单向导通装置

单向导通装置一般设置在车辆段、停车场出入段线与正线之间，以及在车辆段（或停车场）的电气化库库内和库外的位置。单向导通装置通过电缆与绝缘结两端回流轨相连，使回流轨中电流仅单方向流通，以利于杂散电流防护和减少杂散电流影响。单向导通装置通过转接箱利用电缆与钢轨焊接形成回路。装置选用户外型，主要技术参数如下：额定电压DC1500V、最高工作电压1800V、额定电流3000A、额定短路电流100kA(200ms)。

2.2.4 埋入型连接端子

目前国内的道床伸缩缝两侧的连接端子基本采用3种方案，分别采用扁铜、镀锌扁钢、埋入型连接端子。采用镀锌扁钢或扁铜时连接端子均伸出道床面一定高度，一般是在100mm左右，且在施工单位实施时连接端子伸出的高度很高，维修人员巡视时很容易被绊倒。埋入型连接端子安装简单，且安装完成后与水泥地面基本持平，维修人员行走时不易被绊倒、更加安全，且在疏散情况下更能保证乘客的安全。由于埋入式杂散端子浇筑在水泥中铜材质的端子外露部分较少，基本不超过5mm，所以丢失铜端子的几率接近于零。经过以上分析比较，推荐本工程排流网连接端子采用埋入型连接端子。

2.3 杂散电流监测系统方案

本工程采用集中式杂散电流监测系统。可以实时监测杂散电流泄漏情况，并及时做出判断，采取针对性处理措施。地铁运营管理及维护比较方便。杂散电流的监测系统由两部分组成：杂散电流监测装置与杂散电流监测网。杂散电流监测装置通过监测网来采集结构钢筋的杂散电流监测数据。

2.3.1 监测系统的构成及监测网

杂散电流监测系统由参比电极、道床钢筋测试引出端点、结构钢筋测试引出端点、传感器、信号转接器、监测装置等组成。监测系统的数据可实时上传给综合监控系统。在车站的适当位置设置杂散电流信号转接器，信号转接器通过传感器经电缆分别与结构钢筋监测端子、道床钢筋监测端子和参比电极连接。

监测网：为保证行车安全，减少杂散电流对走行轨固定金属部件的腐蚀及避免杂散电流对结构钢筋及结构外金属管线的腐蚀，采用将隧道结构钢筋网（或桥梁钢筋）、道床钢筋网作为杂散电流监测网的方法对杂散电流泄漏进行监测。结构钢筋（或桥梁钢筋）杂散电流监测网由建筑结构内部的结构钢筋以及道床钢筋构成。当监测到钢筋网的极化电位超过规程的要求时，说明走行轨对地绝缘已不符合杂散电流防护的要求。此时需对轨道加强检查、清扫、维护及修复工作，恢复轨道与道床间良好的绝缘状态，限制并降低杂散电流向地铁外部的泄漏。

2.3.2 监测点的设置

本工程正线有地下线路和高架线路，共设有29座车站。本工程地下段采用的施工方法有盾构法、明挖法、盖挖法和暗挖法施工。

正线明挖法、盖挖法和暗挖法地下区段及高架段：每座车站上、下行线结构钢筋监测网共设8个测试点，其中上、下行线测试点各设置4个：进站处结构两侧壁各1个、出站处结构两侧壁各1个、车站距离区间200m处隧道侧壁或桥梁处各1个。在监测点处隧道或桥梁结构钢筋引出测试端子。上行、下行道床钢筋监测网的监测点共设置8个，其里程点与隧道或桥梁结构钢筋监测点的里程相同。在测试端子1m范围内设置参比电极，且参比电极距离测试端子尽量近，参比电极安装时不能破坏结构防水层。

正线盾构区段：本文推荐采用隔离法进行杂散电流防护，即相邻盾构管片钢筋不进行电气连接，盾构管片间进行绝缘处理；出段线和入段线区段：在出段线和入段线进入隧道的洞口处，在隧道的侧壁上两侧各设置1个监测点。监测点处杂散电流传感器电源引自相邻动力照明区间检修箱。在测试端子1m范围内设置参比电极，且参比电极距离测试端子尽量近，参比电极安装时不能破坏结构防水层；车辆段（或停车场）：其检修库、运用库等单体建筑的1.8m及以下的钢筋进行焊接，每个单体建筑设置2处监测点，在测试点引出连接端子，采用移动式监测装置定期进行测量。

3 结语

地铁杂散电流防护通过“堵、测、排”等措施来控制杂散电流对外界的影响。以贵州大学站～民族大学站为本工程牵引变电所间距为例，该区间排流网长度为3.03km；高峰小时最大牵引电流为862A；轨道与排流网间的绝缘电阻为15Ω/km；排流网单位电阻0.071Ω/km；走行轨采用60kg/m，4根单轨并联单位电阻为0.009Ω/km，钢轨电位34V。杂散电流收集网总横截面选择单线5000mm2（双线10000mm2），此时理论极化电位仅为0.18V，满足《地铁杂散电流腐蚀防护技术标准》（CJJ49-2020）要求的小于0.5V。目前杂散电流防护设计满足规范要求，杂散电流非常小，即便有部分杂散电流泄露也采取了收集措施，主要影响杂散电流防护系统自身的排流网钢筋，对自身钢筋和外界管线影响可忽略不计。