蓋下車輛段軌電位防護(hù)研究

蔡教勇

（廣州地鐵運(yùn)營(yíng)事業(yè)總部基地維修中心，廣東 廣州 510380）

1 概況

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市地鐵建設(shè)不斷推進(jìn)，蓋下形式的地鐵車輛段成為首選，在節(jié)約城市寶貴土地資源的同時(shí)，也能夠?yàn)榈罔F運(yùn)營(yíng)公司帶來(lái)更多的經(jīng)濟(jì)效益。在地鐵運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，地鐵車輛段在整段停電期間，安裝在庫(kù)內(nèi)的軌電位限制裝置出現(xiàn)較大壓差，且數(shù)值為負(fù)，甚至有時(shí)達(dá)到動(dòng)作閾值，地鐵蓋下車輛段與非蓋下車輛段中都存在類似的情況，但在蓋下車輛段內(nèi)會(huì)更加嚴(yán)重。這種現(xiàn)象與正線雜散電流有關(guān)，而通過(guò)采用單向?qū)ㄑb置可以大幅減少正線雜散電流，同時(shí)，可以降低正線運(yùn)營(yíng)期間車輛段軌電位。

地鐵車輛段一般會(huì)在出入段線鋼軌設(shè)置有絕緣節(jié)并安裝單向?qū)ㄑb置，確保鋼軌電流由車輛段向正線方向?qū)?，反向不?dǎo)通，避免正線運(yùn)營(yíng)期間鋼軌電流進(jìn)入車輛段范圍通過(guò)低過(guò)渡電阻區(qū)段流入大地，形成雜散電流而對(duì)車輛段結(jié)構(gòu)鋼筋產(chǎn)生腐蝕。但在運(yùn)營(yíng)實(shí)踐中，出入段線的單向?qū)ㄑb置能夠避免正線回流電流通過(guò)鋼軌流向車輛段，但并不能夠有效地防護(hù)正線雜散電流通過(guò)車輛段低過(guò)渡電阻區(qū)段重新返回鋼軌并流回正線。本文以廣州地鐵蓋下鎮(zhèn)龍車輛段為例，對(duì)這類現(xiàn)象進(jìn)行分析。

2 車輛段天窗點(diǎn)期間軌電位特點(diǎn)及初步分析

鎮(zhèn)龍車輛段天窗點(diǎn)期間，車輛段接觸網(wǎng)均已停電，此時(shí)，庫(kù)內(nèi)無(wú)機(jī)車取流。鎮(zhèn)龍車輛段庫(kù)內(nèi)軌電位卻以30V 左右幅度呈現(xiàn)潮汐式波動(dòng)，且主要為負(fù)值。針對(duì)這一現(xiàn)象，使用錄波儀器對(duì)車輛段庫(kù)門(mén)口的單向?qū)ㄟM(jìn)行錄波。數(shù)據(jù)顯示，大部分時(shí)間庫(kù)內(nèi)庫(kù)外壓差為0.6 ～0.7V（二極管導(dǎo)通壓降），短時(shí)出現(xiàn)庫(kù)內(nèi)庫(kù)外壓差-1 ～2V，可以判斷單向?qū)ㄑb置大部分時(shí)間處于正向?qū)顟B(tài)。使用鉗形電流表測(cè)試單向?qū)娎|電流，呈現(xiàn)潮汐式波動(dòng)，峰值幾十安培，且電流是從庫(kù)內(nèi)流向庫(kù)外。此時(shí)，正線的牽引電流從正線下地后通過(guò)車輛段鋼軌返回正線牽引所。單向?qū)ㄑb置處于正向?qū)顟B(tài)在這種路徑中實(shí)際未發(fā)揮作用。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量可以得到：

（1）正線的鋼軌電流存在下地泄露，并通過(guò)鋼軌回流返回正線牽引所負(fù)極；

（2）車輛段地電位比鋼軌電位高，差值為軌電位裝置的負(fù)值度數(shù)Ua

（3）要想降低Ua，可以通過(guò)短接鋼軌與地來(lái)降低R軌地電阻，投入鎮(zhèn)龍北排流柜來(lái)降低正線鋼軌下地泄露電流，也就是降低I軌地電流。

3 車輛段雜散防護(hù)及軌電位降低措施

單一考慮降低車輛段內(nèi)軌電位而言，一般會(huì)考慮合上鎮(zhèn)龍車輛段軌電位限制裝置，使車輛段內(nèi)軌與地二者等電位，能夠障天窗點(diǎn)期間作業(yè)人員的安全，但該措施不能減少通過(guò)鎮(zhèn)龍車輛段返回正線的電流，甚至因?yàn)闇p少了回流路徑的電阻，而增大了雜散電流，加劇了車輛段結(jié)構(gòu)鋼筋的腐蝕。還可以考慮投入鄰近車輛段出入段線的排流柜，暢通地下雜散電流返回負(fù)極路徑，減少通過(guò)鎮(zhèn)龍車輛段回流的雜散電流。為了更好地分析不同的措施利弊，建立簡(jiǎn)化模型如圖1 所示。其中，閉合軌電位限制裝置是將地與鋼軌短接，并沒(méi)有消除或改變回流路徑，不納入分析。

圖中 1R、2R為列車位置鋼軌泄露電阻，R1軌、R軌2為列車位置至負(fù)極母排回流電阻， 3R為單向?qū)ㄑb置反向電阻，4R為單向?qū)ㄑb置正向電阻，其中， 3R、4R默認(rèn)大地為導(dǎo)體。按照簡(jiǎn)化模型計(jì)算列車位置回流路徑電阻并判斷回流路徑。

圖1 車輛段與牽引所雜散電流示意圖

（1）當(dāng)正線、車輛段排流柜均未投入時(shí)

正線列車取流時(shí)的回流電阻 1R正為：

車輛段列車取流時(shí)的回流電阻 1R車為：

（2）當(dāng)正線排流柜投入時(shí)

正線列車取流時(shí)的回流電阻 2R正為：

車輛段列車取流時(shí)的回流電阻 2R車為：

（3）車輛段排流柜投入時(shí)

正線列車取流時(shí)的回流電阻 3R正為：

車輛段列車取流時(shí)的回流電阻 3R車為：

根據(jù)上述簡(jiǎn)化式及以下實(shí)際情況：（1）正線取流強(qiáng)度>>車輛段取流強(qiáng)度；正線運(yùn)營(yíng)列車運(yùn)行強(qiáng)度、取流強(qiáng)度均要大于車輛段內(nèi)檢調(diào)列車；（2）考慮降低從正線泄露到車輛段結(jié)構(gòu)中的電流。車輛段設(shè)置單向?qū)ㄑb置用來(lái)減少被保護(hù)區(qū)段的鋼軌電流，從而減少被保護(hù)區(qū)段雜散電流對(duì)結(jié)構(gòu)及金屬管線的電化學(xué)腐蝕，同時(shí)，能降低停車庫(kù)和檢修庫(kù)的鋼軌電位，保持檢修人員的安全。該裝置并聯(lián)在鋼軌絕緣結(jié)處，除保證列車正常軌道回流電流外，還應(yīng)保證短路電流通過(guò)。單向?qū)ㄑb置用于連接絕緣結(jié)兩端鋼軌，使鋼軌中電流僅能一個(gè)方向流通；（3）單向?qū)娮璺聪?R>>正向4R。

綜合考慮，在正線排流柜投入與車輛段排流柜投入后，正線與車輛段回流電阻均有下降。

（1）因單向?qū)ㄕ螂娮鑂4極小，R2正≈R3，正線列車取流時(shí)的回流電阻基本相同，即投正線排流柜或車輛段排流柜，對(duì)軌電位的降低效果基本相同；投入正線排流柜，將縮短正線回流路徑，大幅減少?gòu)能囕v段回流返回正線的電流強(qiáng)度；投入車輛段排流柜降低通過(guò)車輛段回流路徑電阻，但增加了通過(guò)車輛段結(jié)構(gòu)回流的電流強(qiáng)度，對(duì)車輛段結(jié)構(gòu)造成不利影響；

（2）車輛段列車取流時(shí)回流電阻，R2車>R3，從簡(jiǎn)化模型中看（車輛檢調(diào)庫(kù)內(nèi)取流為主，回流箱設(shè)在庫(kù)外至單向?qū)ㄖg），不論正線或車輛排流柜是否投入，從車輛段向正線方向泄露并回流的電流均很??；投入車輛段排流柜降低了車輛段下地回流路徑電阻，增加了通過(guò)車輛段內(nèi)的雜散電流強(qiáng)度，對(duì)車輛段結(jié)構(gòu)造成了不利影響。

從以上分析看，在不進(jìn)行設(shè)備改造的基礎(chǔ)上，合上離車輛段最近的牽引所的排流柜對(duì)結(jié)構(gòu)防護(hù)效果更好，同時(shí)，可以降低從正線回流至車輛段的雜散電流，軌電位過(guò)高的情況也將得以改善。

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及分析

為了驗(yàn)證理論分析結(jié)果，筆者在天窗點(diǎn)期間選取了鎮(zhèn)龍車輛段其中負(fù)回流分區(qū)來(lái)模擬鎮(zhèn)龍車輛段與正線間的關(guān)系，來(lái)測(cè)試?yán)碚摲治鰩追N措施的實(shí)際效果。測(cè)試期間，鎮(zhèn)龍車輛段所有供電區(qū)均停電，車輛段內(nèi)無(wú)電客車運(yùn)行，對(duì)應(yīng)正線正常運(yùn)營(yíng)。

本次測(cè)試選取了圖2 中L12 道A-B 段平交道口位置的OV3 以及L-10 道尾端鋼軌作為測(cè)試點(diǎn)。由于L-1 道L-13 道鋼軌通過(guò)均回流電纜連接，為排除干擾，測(cè)試前拆除單向?qū)ㄑb置DT8 電纜。此時(shí)，庫(kù)內(nèi)與庫(kù)外之間僅能夠通過(guò)DT7 進(jìn)行導(dǎo)通，且呈現(xiàn)由庫(kù)內(nèi)流向庫(kù)外的特征。

圖2 車輛段測(cè)試區(qū)域均回流電纜連接情況

通過(guò)庫(kù)內(nèi)庫(kù)外、車輛段與正線之間的相似性，模擬車輛段在單向?qū)ㄑb置、軌電位裝置不同狀態(tài)下雜散電流以及軌電位的特征。測(cè)試項(xiàng)目與結(jié)果如表1 所示。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出：

當(dāng)鎮(zhèn)龍車輛段、鎮(zhèn)龍北站軌電位裝置全部斷開(kāi)時(shí)，車輛段OV3 處軌地電位最高可達(dá)148V，地電位高于軌電位，單向?qū)ㄑb置存在由庫(kù)內(nèi)流向庫(kù)外的電流；當(dāng)鎮(zhèn)龍北站軌電位裝置閉合時(shí)，車輛段OV3 處軌地電位下降至0V。

當(dāng)鎮(zhèn)龍車輛段軌電位裝置閉合、鎮(zhèn)龍北站軌電位裝置斷開(kāi)時(shí)，車輛段軌地電位裝置OV3 最大電流達(dá)38A，方向?yàn)榈亓飨蜍?，單向?qū)ㄑb置存在由庫(kù)內(nèi)流向庫(kù)外的電流，此時(shí)，鎮(zhèn)龍車輛段扮演了一個(gè)規(guī)模巨大的“排流柜”的角色，通過(guò)上蓋車輛段建筑大量的金屬結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)了大量雜散電流聚集在段內(nèi)，同時(shí)，鎮(zhèn)龍車輛段內(nèi)軌電位裝置閉合，更是暢通了雜散電流通過(guò)車輛段返回正線的路徑。

表1 車輛段天窗點(diǎn)期間模擬測(cè)試數(shù)據(jù)

當(dāng)鎮(zhèn)龍車輛段軌電位裝置、鎮(zhèn)龍北站軌電位裝置全部閉合時(shí)，流經(jīng)軌電位裝置、單向?qū)ㄑb置電流都為0，牽引電流向阻力最小的方向，排流柜的上吸效果非常明顯。

當(dāng)鎮(zhèn)龍車輛段軌電位裝置斷開(kāi)、鎮(zhèn)龍北站軌電位裝置閉合時(shí)，流經(jīng)鎮(zhèn)龍站軌電位裝置電流極值為603A，方向?yàn)橛绍壛飨虻兀划?dāng)鎮(zhèn)龍車輛段軌電位裝置閉合、鎮(zhèn)龍北站軌電位裝置閉合時(shí)，流經(jīng)鎮(zhèn)龍北站軌電位裝置電流極值為668A，方向?yàn)檐壛飨虻亍，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，鎮(zhèn)龍北站軌電位裝置電壓、電流情況存在較大波動(dòng)，呈現(xiàn)潮汐特性，判斷與正線行車情況存在關(guān)聯(lián)。

當(dāng)拆除單向?qū)ㄑb置DT07、DT08 電纜時(shí)，車輛段軌地電位裝置OV3 電壓穩(wěn)定在0V。模擬了正線與車輛段之間鋼軌不導(dǎo)通狀態(tài)，在此狀態(tài)下，減少了雜散，同時(shí)，降低了軌電位，且無(wú)須對(duì)正線設(shè)備進(jìn)行調(diào)整。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鎮(zhèn)龍車輛段天窗點(diǎn)期間庫(kù)內(nèi)軌電位的研究，我們能夠得出以下結(jié)論：

（1）車輛段天窗點(diǎn)期間正線雜散電流是影響行車軌電位的關(guān)鍵因素。車輛段無(wú)電客車運(yùn)行而正線有電客車運(yùn)行時(shí)，正線雜散電流會(huì)通過(guò)大地流向車輛段鋼軌并最終流回正線，導(dǎo)致車輛段軌地間存在電位差，且地電位高于軌電位。

（2）蓋下車輛段豐富地下金屬網(wǎng)絡(luò)為雜散電流的回流提供了阻值更小的路徑，因此，蓋下車輛段的軌電位超限情況會(huì)比非蓋下車輛段更嚴(yán)重。

（3）閉合車輛段或正線相鄰站點(diǎn)軌電位裝置，會(huì)降低鋼軌對(duì)地之間電位差。而拆除單向?qū)ㄑb置后，切斷雜散電流通向正線的路徑后，能夠有效降低通過(guò)車輛段絕緣差區(qū)域上軌返回正線的雜散電流，降低車輛段內(nèi)鋼軌對(duì)地之間電位差，同時(shí)，減少雜散電流對(duì)車輛段建筑結(jié)構(gòu)的腐蝕。

（4）通過(guò)對(duì)出入段線單向?qū)ㄑb置進(jìn)行改造優(yōu)化，可以減少正線雜散通過(guò)車輛段回流。車輛段出入段線單向?qū)ㄑb置可以通過(guò)光電傳感器來(lái)感應(yīng)是否有車輛通過(guò)，有車輛通過(guò)時(shí)導(dǎo)通，無(wú)車輛通過(guò)時(shí)斷開(kāi)，相當(dāng)于切斷了車輛段雜散電流流入正線牽引所的通路，使雜散電流盡量流回就近的牽引變電所，避免雜散電流進(jìn)入車輛段內(nèi)，緩解了車輛段金屬結(jié)構(gòu)被腐蝕情況，同時(shí)，降低了車輛段天窗點(diǎn)期間的軌電位。

防治車輛段天窗點(diǎn)期間的軌電位時(shí)，不能單純通過(guò)閉合軌電位限制裝置來(lái)達(dá)到目的，還需要同時(shí)考慮對(duì)雜散電流的防護(hù)，通過(guò)分析軌電位的產(chǎn)生原因更有針對(duì)性地達(dá)到防護(hù)的目的。