南京地鐵大勝關(guān)橋與國(guó)鐵交流系統(tǒng)共地方案分析

羅利平

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，200070，上?！胃呒?jí)工程師）

南京地鐵12號(hào)線經(jīng)由大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋過(guò)江，與國(guó)鐵京滬鐵路客運(yùn)專線、滬漢蓉專線合建并共橋面運(yùn)行。合建部分分為三段：北引橋，主橋，南引橋；長(zhǎng)度分別為1.202 4 km、1.615 0 km、0.856 6 km，共計(jì)3.674 km。主橋?yàn)?線鋼結(jié)構(gòu)橋梁，引橋區(qū)段為混凝土預(yù)制箱梁。京滬高速鐵路、滬漢蓉客運(yùn)專線以及南京地鐵12號(hào)線均在橋上共橋面通過(guò)。地鐵進(jìn)入配合時(shí)大橋主體已經(jīng)施工完畢。

就常規(guī)而言，國(guó)鐵交流系統(tǒng)的“地”和地鐵直流系統(tǒng)的“地”各行其道，互不相關(guān)，相互間也不會(huì)形成影響。但大勝關(guān)橋?yàn)閲?guó)鐵和地鐵并行線路段，而且主橋區(qū)段已建成，因此，地鐵直流系統(tǒng)的“地”和國(guó)鐵交流系統(tǒng)的“地”通過(guò)此鋼結(jié)構(gòu)橋形成了自然共地。國(guó)鐵與地鐵在同橋上并行在國(guó)內(nèi)尚屬首例，無(wú)經(jīng)驗(yàn)可參考。本文主要探討國(guó)鐵交流系統(tǒng)的“地”和地鐵直流系統(tǒng)的“地”能否共地，共地后有何影響。

1 國(guó)鐵、地鐵供電系統(tǒng)與“地”的關(guān)系

使用架空接觸網(wǎng)供電，走行鋼軌作為回流回路是大勝關(guān)橋交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)的共同特點(diǎn)，但是，兩個(gè)系統(tǒng)的接地和連接方法卻有著本質(zhì)的不同。

國(guó)鐵采用交流27.5kV或2×27.5kV供電，直接牽引接地形式。交流系統(tǒng)的供電臂一般長(zhǎng)達(dá)20km，其鋼軌電位比直流1 500V（其供電臂一般不超過(guò)4km）系統(tǒng)明顯要高很多，哪怕其運(yùn)行電流很小。因此，為將鋼軌電位限制在可接受的范圍內(nèi)，必需將回流回路進(jìn)行接地；加上感性耦合作用，大地與鋼軌一樣也作為交流系統(tǒng)的回流通路，大地回流電流最大可為牽引電流的1／3。

南京地鐵為直流系統(tǒng)，采用直流1 500V供電，開放式牽引接地形式。其鋼軌作為回流通路，通過(guò)短路裝置與大地連接。在直流牽引系統(tǒng)中，流經(jīng)大地的電流會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的雜散電流腐蝕，所以必需減少這部分回流。因此，鋼軌必需與大地保證良好的絕緣，以盡可能避免雜散電流的產(chǎn)生。

2 絕緣地可行性分析

國(guó)鐵交流系統(tǒng)的“地”和地鐵直流系統(tǒng)的“地”實(shí)現(xiàn)相互絕緣，就是為了保證兩個(gè)系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行，從而避免兩個(gè)系統(tǒng)間的相互干擾。在已經(jīng)完成土建實(shí)施的大勝關(guān)6線鋼結(jié)構(gòu)橋共線路段，實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)“地”和交流系統(tǒng)“地”的絕緣（以下簡(jiǎn)稱絕緣地），形成各自獨(dú)立的供電系統(tǒng)措施如下。

2.1 完全絕緣

首先是從土建上來(lái)考慮形成完全絕緣方案。由于鋼橋已經(jīng)建成，沒(méi)有考慮任何隔離措施，因此要將國(guó)鐵的“地”和地鐵的“地”分開，必需在現(xiàn)有基礎(chǔ)上加一層絕緣材料。即在鋼結(jié)構(gòu)橋橋面和與國(guó)鐵的分界側(cè)面分隔處敷設(shè)一層絕緣材料，然后將地鐵所有的設(shè)備和材料均安裝在此上面，讓直流地和交流地完全分隔開來(lái)。

2.2 局部絕緣

其次可考慮采取局部絕緣措施。即：凡跟直流地有關(guān)的設(shè)備材料考慮采用絕緣安裝。因此，如要實(shí)現(xiàn)絕緣地，首先必須保證接觸網(wǎng)支柱或支撐安裝裝置在鋼橋上絕緣安裝，因?yàn)榻佑|網(wǎng)支柱或支撐安裝裝置是與架空地線連在一起的；其次要保證電纜支架上全線貫通的接地扁鋼絕緣安裝，因?yàn)檠鼐€所有設(shè)備材料的保護(hù)地均接在此直流地的接地扁鋼上。

模糊決策采用 Mamdani推理法進(jìn)行，現(xiàn)以XOZ平面上的偏移量與偏移變化量為例進(jìn)行介紹?；谏衔闹贫ê玫哪：刂埔?guī)則，令偏移εXOZ=Ai,偏移改變量ΔεXOZ=Bj，液壓缸壓力差ΔPXOZ1=Cij(其中， i、j=1、2、…、7，i、j分別為模糊控制規(guī)則的行、列數(shù))，則總的模糊關(guān)系R可由49個(gè)模糊關(guān)系按下式計(jì)算得到：

2.3 絕緣地導(dǎo)致的問(wèn)題

1）雜散電流問(wèn)題。采用完全絕緣地方案，有利于雜散電流防護(hù)，只要絕緣材料足夠好，形成的電阻值足夠大，理論上地鐵的回流電流一旦從鋼軌泄漏至地，也不會(huì)穿透這層絕緣材料，雜散電流就不會(huì)迷散，當(dāng)然也不會(huì)形成腐蝕。采用局部絕緣地方案與共地方案相同，由于運(yùn)營(yíng)環(huán)境及其它方面的限制，走行軌不可能完全絕緣于安裝的結(jié)構(gòu)，因此牽引回流電流不可避免地經(jīng)走行軌向其它結(jié)構(gòu)泄漏而產(chǎn)生雜散電流。相對(duì)共地方案來(lái)說(shuō)，完全絕緣地方案的雜散電流泄漏量會(huì)減少很多。

2）人身安全問(wèn)題。如采用完全絕緣，主鋼橋全長(zhǎng)1.615km，全程敷設(shè)一層絕緣材料，不僅增加大量投資，而且絕緣材料老化后易形成擊穿。一旦交流系統(tǒng)短路，交流地和直流地之間電流至少高達(dá)幾千安培。如絕緣薄弱處被擊穿，或某處已形成通路，就可能在兩個(gè)系統(tǒng)間產(chǎn)生很高的可接近電壓，直接危及地鐵維修人員的生命安全。這與“安全為先”的設(shè)計(jì)理念是相矛盾的。

如采用局部絕緣，在鋼橋區(qū)段地鐵系統(tǒng)同時(shí)存在直流地和交流地，兩“地”間必然會(huì)存在電位差，一旦形成通路，超過(guò)可接觸電壓，會(huì)造成不良后果。

3）絕緣壽命及維護(hù)問(wèn)題。根據(jù)目前市場(chǎng)調(diào)查，絕緣材料的壽命一般不會(huì)超過(guò)30年。因?yàn)榻^緣材料的壽命不僅跟本身耐熱等級(jí)有關(guān)，更重要的是使用條件。而敷設(shè)在大勝關(guān)橋上，除遭受日曬雨淋外，還需承受劇烈的振動(dòng)和國(guó)鐵高速帶來(lái)的疾風(fēng)，因此其壽命更不可期；況且30年后在不影響運(yùn)營(yíng)的情況下又不易更換（因?yàn)樗性O(shè)備材料包括鋼軌均安裝在絕緣材料上面）。因此，就算初近期做到了絕緣地，遠(yuǎn)期也難以實(shí)現(xiàn)。這與大勝關(guān)橋百年大計(jì)相沖突。

相對(duì)完全絕緣，局部絕緣方案使用的絕緣材料少，也便于更換，有利于今后的維護(hù)運(yùn)營(yíng)，但如何保證大量的接觸網(wǎng)安裝裝置的絕緣安裝，與絕緣材料如何配何好，又成了一個(gè)新的問(wèn)題。如果接觸網(wǎng)的安裝裝置不能實(shí)現(xiàn)與交流地的絕緣，那么局部絕緣就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

4）泄漏通道問(wèn)題。接觸網(wǎng)在絕緣材料上進(jìn)行絕緣安裝后，接觸網(wǎng)架空地線與接觸網(wǎng)支柱或其它接地端需連接，并間隔一段與直流地聯(lián)接。因此，如果考慮采取絕緣地，還必需在絕緣材料上面新建一個(gè)接地系統(tǒng)，或新增對(duì)交流地的瞬間等電位連接設(shè)備，否則主鋼橋上沒(méi)有了直流系統(tǒng)的大地回路，無(wú)法象常規(guī)一樣接地，架空地線只能每隔一定距離與直流系統(tǒng)全線貫通的接地線相連。這種情況下一旦遭受雷擊，泄漏通道非常長(zhǎng)，不利于雷電保護(hù)。如新增瞬間等電位連接器，但在什么沖擊電壓下讓其連通、間隔多少米連通一次等問(wèn)題，在國(guó)內(nèi)尚無(wú)實(shí)施案例，需有待研究和測(cè)試。

因此基于人身、設(shè)備安全考慮，已經(jīng)實(shí)施的大勝關(guān)橋不建議采用直流地與交流地絕緣的方案。

3 共地方案可行性分析

由前述可知，國(guó)鐵接地系統(tǒng)與地鐵接地系統(tǒng)的目的及要求不同，將兩者相連，形成共地，必須研究其對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備絕緣、軌電位以及雜散電流等方面的影響進(jìn)行分析。

3.1 雜散電流問(wèn)題

交、直流系統(tǒng)共地后，直流對(duì)交流系統(tǒng)的影響主要就是直流系統(tǒng)導(dǎo)致的雜散電流腐蝕的問(wèn)題。眾所周知，直流系統(tǒng)的回流電流一旦泄漏到地上，就成為雜散電流；該電流流動(dòng)方向總是相同的，很容易與電解質(zhì)相接觸的金屬物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)雜散電流進(jìn)入金屬構(gòu)件時(shí)，對(duì)其不產(chǎn)生腐蝕；而當(dāng)雜散電流從金屬構(gòu)件流出至非金屬介質(zhì)時(shí)，對(duì)其產(chǎn)生腐蝕。對(duì)于結(jié)構(gòu)鋼筋，其腐蝕的原理就是鋼筋與其周圍的水泥硅酸鹽發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，鋼筋釋放鐵離子與周圍電解質(zhì)反應(yīng)生成其它化合物。

因此，為確保交流系統(tǒng)的土建結(jié)構(gòu)安全，采用共地后，如何防止雜散電流的腐蝕就成為非常重要的一個(gè)問(wèn)題。在回流回路中保持較低的縱向電壓降，以及鋼軌與大地的良好絕緣，可有效地限制雜散電流。

對(duì)于大勝關(guān)橋，在交、直流系統(tǒng)共地后，采取以下措施來(lái)防護(hù)雜散電流：

首先，采取的就是“堵流”的措施，以從源頭上控制和減小雜散電流泄漏量。即采用合成軌枕、絕緣安裝、加絕緣墊板、涂絕緣漆并設(shè)絕緣結(jié)等措施。

其次，采取的是加強(qiáng)回流通路，減少鋼梁主橋的雜散電流水平。如主橋絕緣結(jié)間加一根并聯(lián)的回流電纜，上下行或同方向鋼軌間增加均流線等，以保持暢通的回流通路。

最后還設(shè)置收集網(wǎng)，一旦雜散電流泄漏，通過(guò)收集網(wǎng)收集，可基本保證大部分雜散電流的回收。

3.2 軌電位的影響

根據(jù)歐標(biāo)EN 50122－1，國(guó)鐵交流系統(tǒng)的長(zhǎng)期安全可按觸電壓為60V，0.1s要允許的短時(shí)最大接觸電壓為842V；地鐵直流系統(tǒng)長(zhǎng)期安全可按觸電壓為120V，短時(shí)最大接觸電壓為660V。

為確保人身安全，地鐵設(shè)置軌電位限制裝置。一旦鋼軌電位超過(guò)歐標(biāo)允許長(zhǎng)期可接觸電壓120 V，軌電位限制裝置動(dòng)作，將鋼軌和大地短接起來(lái)。國(guó)鐵采取等電位聯(lián)接，即根據(jù)60V的安全電壓進(jìn)行計(jì)算，隔一段距離將鋼軌與地進(jìn)行連接，確保軌電位在可受的范圍內(nèi)。

正常運(yùn)行時(shí)，不考慮電磁感應(yīng)的影響，各軌電位均滿足設(shè)計(jì)安全電壓值的要求。一旦國(guó)鐵或地鐵發(fā)生短路，可能引起共地的地電位升高，但不一定引起軌電位升高。

大勝關(guān)橋合建段長(zhǎng)3.674km，而該區(qū)間則長(zhǎng)達(dá)11.28km，大勝關(guān)橋段基本位于區(qū)間中段。在正常運(yùn)行時(shí)，地鐵系統(tǒng)不會(huì)有人到大勝關(guān)橋段作業(yè)，或運(yùn)行期間限制人員上橋作業(yè)。因此筆者認(rèn)為，該區(qū)間軌電位值可適當(dāng)放寬。如果地鐵系統(tǒng)出現(xiàn)故障，必需上橋作業(yè)，此時(shí)此段地鐵系統(tǒng)已經(jīng)停運(yùn)，需結(jié)合國(guó)鐵對(duì)本線的電磁感應(yīng)，并考慮國(guó)鐵運(yùn)行期間可能發(fā)生短路，通過(guò)計(jì)算，將地鐵鋼軌跟接觸網(wǎng)一樣按一定間距掛地線，以確保人身安全。

3.3 絕緣配合的問(wèn)題

地鐵采用直流1 500V供電，國(guó)鐵采用交流27.5kV供電。因此，一旦國(guó)鐵某條線路短路，形成大電流高電壓沖擊直流系統(tǒng)時(shí)，會(huì)造成直流系統(tǒng)的絕緣是否會(huì)被擊穿的問(wèn)題。首先，地鐵供電系統(tǒng)沿線路上敷設(shè)安裝的主要設(shè)備（接觸網(wǎng)及其安裝的相關(guān)零配件和支撐結(jié)構(gòu)等，還有電纜支架）中，除接觸網(wǎng)外，其它的設(shè)備均與地是等電位；因此如要考慮絕緣擊穿，首先面臨沖擊的是直流1 500V系統(tǒng)接觸網(wǎng)支撐采用的絕緣子能否耐受27.5kV國(guó)鐵系統(tǒng)的短路沖擊。

根據(jù)常規(guī)設(shè)計(jì)，直流1 500V系統(tǒng)接觸網(wǎng)采用的絕緣子一般設(shè)計(jì)的干閃電壓是60kV、1min，濕閃是30kV、1min。

假設(shè)國(guó)鐵27.5kV某條線路短路，形成大電流高電壓沖擊直流系統(tǒng)時(shí)，其短路電流（Id）假設(shè)為20 kA，綜合接地電阻（R）假設(shè)為0.5Ω，入地短路電流分流系數(shù)（K）為0.5，則造成的沖擊電壓U＝K·Id·R＝5kV。就算分流系數(shù)為1，這樣的反沖擊電壓是不會(huì)造成地鐵直流系統(tǒng)的絕緣破壞的，因此也不會(huì)影響直流系統(tǒng)接觸網(wǎng)的正常運(yùn)行。

當(dāng)然，如果國(guó)鐵27.5kV長(zhǎng)期短路不跳，其自身的設(shè)備和系統(tǒng)都會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，何況地鐵。這時(shí)地鐵系統(tǒng)可考慮通過(guò)軌電位等來(lái)設(shè)置閉鎖或跳閘。

4 結(jié)語(yǔ)

大勝關(guān)橋共建段的接地方案對(duì)于供電系統(tǒng)及橋梁結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，采用共地方案還是絕緣地方案直接影響到所有需在橋上安裝的供電設(shè)備材料，處理好“地”的問(wèn)題才能有助于保證人身設(shè)備的安全。

國(guó)鐵與地鐵在同橋上并行在國(guó)內(nèi)尚屬首例，無(wú)經(jīng)驗(yàn)可參考。筆者只根據(jù)相關(guān)理論進(jìn)行了初步分析，認(rèn)為在采取相應(yīng)的防護(hù)措施后，共地方案是可行的，而且比絕緣地方案對(duì)人身、設(shè)備影響更小。目前共地方案已經(jīng)獲得采納并正在實(shí)施中。希望通過(guò)后續(xù)的檢測(cè)對(duì)本文的理論作進(jìn)一步的證明，也希望本文對(duì)同類方案分析起到一定的借鑒意義。

[1]KieBling，Puschmann，Schmieder，et al.電氣化鐵道接觸網(wǎng)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004.