地铁杂散电流危害及防护措施分析

作者：李瑜龙

来源：《科技视界》2015年第36期

        【摘 要】本文从地铁杂散电流形成的原理及影响因素出发，以实例阐述杂散电流的危害，从技术和管理两方面分析杂散电流的防护措施，为有效开展杂散电流防护工作提供支持。

        【关键词】杂散电流；危害；防护

        目前国内各城市地铁建设步伐日益加快，据统计2014年国内36座城市在建地铁线路共3300千米，完成投资2857亿元，日均投资7.8亿元，随着地铁线路的延长、负荷的增大，牵引变电所数量的增加，杂散电流的产生形态及危害影响面也变得异常复杂。据了解，国内某地铁线路受杂散电流影响，每年钢筋结构腐蚀程度已接近1mm左右，杂散电流的危害已经显现。如何开展杂散电流防护，已成为业内急需研究解决的问题。

        1 杂散电流成因

        地铁直流牵引供电系统，从牵引变电所直流正极出发，通过架空接触网（接触轨）、地铁列车、回流轨作为电流通道，最终流回牵引变电所负极，形成电流闭环通道。理想情况下，直流电流从牵引变电所正极发出，沿着电流通路全部流回负极，但实际情况下，以上电流通道往往无法与外界环境形成完全绝缘，尤其是兼作回流通道的钢轨，随着运营时间的推移，钢轨对地过渡电阻势必减小，因而导致一部分电流从钢轨泄露到大地，通过钢筋结构、金属管线等非常规通道流回牵引变电所，不按常规通道流回的这部分电流称为杂散电流。

        2 杂散电流危害

        杂散电流是在地铁直流牵引供电系统回流过程中产生的，对地铁车站、区间、场段附属的结构钢筋、金属管线、金属部件及走行轨等具有不可抗拒的电腐蚀作用，长期作用下会引起水管穿孔漏水、锈蚀、电缆挂钩打火、道钉生锈断裂、钢轨重伤、轨电位上升等现象，减少地铁设备设施的使用寿命，严重时危害人身安全。下面列举两个实际发生的案例，说明杂散电流对地铁设备设施的危害。

        2.1 电缆保护钢管打火

        2014年4月，地铁二号线车站轨行区出现打火现象，现场查看发现信号过轨电缆保护钢管连接器烧损严重、钢轨底部与信号过轨电缆保护钢管接触处有烧伤痕迹（图1）。从现场情况不难看出钢管打火原因为：信号过轨电缆保护钢管与钢轨底部接触，导致钢轨与大地之间通过信号电缆保护钢管形成电流通路，因电缆保护钢管与钢轨属于点接触、电缆钢管连接器处属于点接触，因此造成以上两处出现打火烧损现象。

        图1 现场设备烧损图

        2.2 道岔转辙机打火

        2013年9月份，地铁一号线区间道岔转辙机出现打火现象，现场对转辙机进行分解检查，发现道岔绝缘板件严重烧损、转辙机外壳接地线烧损（图2）。初步判断为转辙机L钢与钢轨连接处为绝缘薄弱点，出现钢轨与大地之间通过转辙机外壳接地线形成杂散电流通路，在杂散电流作用下，产生道岔绝缘板件、接地线烧损现象。

        图2 现场转辙机构件烧损图

        3 杂散电流影响因素

        为做好杂散电流防护工作，首先需要辨识影响杂散电流的因素都有哪些，对症下药才能见效，因此我们将杂散电流形成通道转换为杂散电流简化电路图（图3）。

        图3 杂散电流形成的简化电路图

        根据图3，可以得出杂散电流的计算公式：

        I2=I

        根据公式，可以看出影响杂散电流I2的因素主要有三个：（1）I—牵引电流；（2）R1—回流轨纵向电阻；（3）R2和R3—回流轨对地过渡电阻。

        4 杂散电流防护技术措施

        根据公式分析得出：降低牵引电流I、减小回流轨纵向电阻R1、增大回流轨对地过渡电阻R2和R3，三者实现其一便可降低杂散电流。本节主要以此为基础，从技术层面对地铁杂散电流防护进行分析。

        4.1 降低牵引电流

        （1）在牵引整流机组功率一定的情况下，提高牵引电压，可适当降低牵引电流。

        （2）在满足运营服务及行车安全的前提下，采用轻量化材料减少电客车自重，可减少牵引负荷，降低牵引电流。

        （3）根据客流强度采用灵活编组方式，提高列车的满载率，对降低牵引负荷、减少牵引电流具有一定的作用，此方式还对降低列车的牵引能耗有一定的帮助。

        4.2 减小回流轨纵向电阻

        （1）供电臂距离越长，牵引回流流通的钢轨距离越长、回流轨纵向电阻越大，相反缩短供电臂距离，可有效减少回流轨纵向电阻。

        （2）尽量减少短钢轨的使用数量，在短钢轨焊接成长钢轨时，如果钢轨之间采用鱼尾板连接，则两段钢轨间要加装电缆，减少钢缝处的电阻。

        （3）回流轨尽量选用截面积较大的钢轨或采用电阻率较低的材料制作，可减少回流纵向电阻。

        （4）合理装设均、回流电缆，将钢轨并联起来，可减少回流轨纵向电阻。

        4.3 增大回流轨对地过渡电阻

        （1）回流轨底的绝缘垫选用绝缘水平较高的绝缘材质，并对螺栓道钉、铁垫板、扣件等轨道部件做绝缘处理。

        （2）加强与钢轨连接设备的绝缘设计，如道岔转辙机等，隔离、控制所有杂散电流可能的泄露路径。

        5 杂散电流防护管理措施

        本节主要结合地铁运营关于杂散电流防护工作的现状，力争从管理层面不断剖析杂散电流的防护措施。

        5.1 提高重视程度

        杂散电流影响一般在短期内体现不明显，多数地铁运营单位在开通初期对于杂散电流防护工作的重视程度不高，主要体现在规章制度不完整，未有效将杂散电流监测装置维护、杂散电流防护等要求规范化、制度化，无法有效的指导日常工作；人员技术不达标，运营人员对杂散电流普遍接触的较少，对于监测系统终端设备的功能、维护方法、数据分析等关键内容掌握的不是很全面，为分析工作带来困难。这就要求运营单位要提高重视，完善杂散电流防护规章制度，组织培训提高人员技术水平，将杂散电流防护工作始终贯穿于整个运营工作中，形成长效化机制。

        5.2 加强监测分析

        地铁供电系统均设置有杂散电流监测系统，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，实时测量和计算钢筋网的极化电位，并通过传感器将数据传给监测装置，由监测装置进行转换后上传至综合监控系统进行分析，当监测到钢筋网的极化电位超过设定数值要求时，监测系统向排流柜发出投入运行的信号并开始排流。排流只作为一种应急手段，日常运营中需要专业技术人员定期对监测结果进行分析，制定针对性的预防措施，避免地铁附属设备设施过早出现腐化趋势。

        5.3 强化日常维护

        地铁杂散电流防护要求的接口专业繁多，杂散电流防护工作不是一两个专业能够完成的，需要各接口专业联动整治，如轨道专业需定期清扫线路，清除粉尘、油污、脏污、沙土；供电专业需定期对均、回流电缆联机情况进行检查等。因此，运营单位需辨识各专业存在的杂散电流防护源，明确各专业在杂散电流防护工作中的责任，确保各项日常维护工作能够有效开展。

        5.4 优化新线介入

        经观察，一般地铁在新线建设过程中，运营人员都会提前介入施工现场，但对于杂散电流工程的介入时间往往比较滞后，介入力度不够，运营人员无法从源头上进行盯控，例如排流网等隐蔽工程，一旦施工完成将很难进行质量鉴定，即使发现问题也很难改变。因此要求运营优化杂散电流工程新线介入工作安排，加强运营人员在地铁建设阶段对杂散电流隐蔽工程的质量盯控，力争早发现问题、早进行整改。

        6 总结

        杂散电流防护工作要以“防”、“排”、“测”为主要路线，按照建设和运营两手抓的原则开展。在地铁建设阶段要优化系统设计、严把工程质量，从源头上进行预防；在地铁运营阶段要加强日常维护、开展定期监测，确保杂散电流腐蚀防护获得长期效果，将杂散电流对地铁设备设施的危害降至最低。

        [责任编辑：王楠]