地鐵停車場雜散電流防護設(shè)計的幾個關(guān)鍵問題

靳 凱

(上海市隧道工程軌道交通設(shè)計研究院，200235，上海 ∥ 工程師)

地鐵停車場內(nèi)列車牽引電流小、行車速度低、運行時間短，還在出入場線、庫內(nèi)外之間、電氣化與非電氣化股道之間、電氣化股道車擋前等處設(shè)置了絕緣軌縫，且在出入場線、庫內(nèi)外之間設(shè)置了單向?qū)ㄑb置來隔離牽引回流電流，因此，理論上其雜散電流泄漏水平較低。但實際工程中，停車場的雜散電流防護卻一直是地鐵工程的薄弱環(huán)節(jié)，經(jīng)常發(fā)生車場設(shè)備打火、軌電位頻繁動作、車場附近管線腐蝕嚴(yán)重等情況。

本文結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗，在既有防護措施的基礎(chǔ)上，總結(jié)了雜散電流防護設(shè)計應(yīng)注意的幾個關(guān)鍵問題，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化和解決措施。

1 電氣化股道車擋前絕緣軌縫的優(yōu)化

針對停車場絕緣軌縫的設(shè)置，CJJ 49—1992《地鐵雜散電流腐蝕防護技術(shù)規(guī)程》[1](以下簡稱“規(guī)程”)第4.1.2.14條規(guī)定：“電氣化與非電氣化區(qū)段之間，運行線路與正在建設(shè)的線路區(qū)段之間，地鐵與地面鐵道線路之間，盡頭線每條軌道的車擋裝置與電氣化軌道之前，均應(yīng)在走行軌上實現(xiàn)電氣隔離”。

其中，規(guī)程中要求在電氣化股道的車擋前設(shè)置絕緣軌縫主要基于兩點原因：一是為了滿足信號專業(yè)50 Hz相敏軌道電路極性交叉的要求，二是避免鋼軌回流電流通過車擋的等電位接地而造成雜散電流泄漏。

目前在建的城市軌道交通項目，信號系統(tǒng)已基本采用計軸設(shè)備代替軌道電路設(shè)備，沒有設(shè)置絕緣軌縫的需求；其次，部分項目的庫內(nèi)鋼軌采用直接接地的方式來確保檢修人員安全。由于電氣化股道已通過大地和車擋裝置相連，因此在此處設(shè)置絕緣軌縫并無意義。

綜上所述，針對庫內(nèi)鋼軌直接接地，且信號采用計軸設(shè)備的項目，可以取消電氣化股道車擋前的絕緣軌縫。根據(jù)車場規(guī)模不同，一般可減少約20～30處絕緣軌縫。

2 鏇輪庫設(shè)備打火的解決措施

鏇輪庫一般為非電化股道，且在庫前平交道口處設(shè)置了絕緣軌縫，列車通過絕緣軌縫后降弓，并通過內(nèi)燃機車牽引進庫。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查及分析，鏇輪庫設(shè)備打火是由于車輛在跨越絕緣軌縫兩側(cè)的瞬間，回流電流Is通過車體流入庫內(nèi)而引起的(見圖1)。

圖1 鏇輪庫打火原因分析示意圖

針對上述問題，可在鏇輪庫庫前增設(shè)1個絕緣軌縫D(見圖2)，列車在D處降弓并通過內(nèi)燃機車牽引進庫。C、D兩個絕緣軌縫的間距應(yīng)大于1列列車車長(如1列8A編組列車長約185.6 m[2]，C與D的間距可按200 m設(shè)置)，這樣便可以避免變電所至D處區(qū)域的回流通過車體流入庫內(nèi)[3]。

圖2 鏇輪庫庫前絕緣軌縫優(yōu)化方案

3 單導(dǎo)柜自動消弧裝置反向?qū)ǖ慕鉀Q措施

3.1 問題及原因分析

單向?qū)ㄑb置的示意圖如圖3所示。其中，二極管支路主要用于減小雜散電流的影響；自動消弧裝置則用于限制絕緣節(jié)兩端電壓差，避免鋼軌打火，保證運營人員安全。

根據(jù)電弧理論可知，當(dāng)電路中開斷電源電壓大于10～12 V，電流大于80～100 mA時，分開的觸頭就會產(chǎn)生電弧[4]。即當(dāng)絕緣節(jié)兩端電壓UAB(見圖3)和電流IAB分別大于極限起弧點的電壓和電流值時，絕緣節(jié)處就會發(fā)生打火現(xiàn)象。

圖3 單向?qū)ㄑb置示意圖

自動消弧裝置主要由可控硅構(gòu)成。根據(jù)電弧產(chǎn)生的條件，可控硅的正向?qū)妷篣0一般也設(shè)置為10～12 V。當(dāng)絕緣節(jié)附近有列車通過，且可控硅(即絕緣節(jié))兩側(cè)施加的電壓UAB大于其正向?qū)妷篣0時，自動消弧裝置被觸發(fā)導(dǎo)通，即UAB=0，此時即使IAB大于80～100 mA，也不會產(chǎn)生電弧。當(dāng)電壓降低后，消弧裝置自行斷開。

上述方案解決了列車經(jīng)過時絕緣節(jié)兩側(cè)打火的問題，但是當(dāng)沒有列車經(jīng)過時，IAB始終為0，而絕緣節(jié)兩側(cè)由于負載情況不同，UAB很容易達到U0以上；此時雖然沒有滿足起弧條件，不會發(fā)生打火現(xiàn)象，但是由于UAB>U0，仍會觸發(fā)消弧裝置導(dǎo)通，導(dǎo)致正線電流通過自動消弧裝置進入車場。

3.2 方案優(yōu)化

由上述分析可知，當(dāng)無列車經(jīng)過時，絕緣節(jié)兩側(cè)即使存在過電壓UAB，也不會產(chǎn)生電弧。因此，只需將UAB限制在合理的范圍內(nèi)，確保檢修維護人員安全即可。

因此，可以在絕緣節(jié)前設(shè)置1套光電位置傳感器，將列車是否通過也作為自動消弧裝置導(dǎo)通的另一個判斷條件。當(dāng)檢測到列車經(jīng)過時，將可控硅的觸發(fā)電壓設(shè)置為10～12 V，以避免發(fā)生打火現(xiàn)象；當(dāng)無列車經(jīng)過時，將可控硅的觸發(fā)電壓設(shè)置為60 V，以確保運營人員安全。

改進后的方案既可以保證消弧裝置的作用，又能防止在沒有電弧產(chǎn)生時消弧裝置的頻繁誤動作，可有效避免了正線雜散電流對車場的影響。

4 減少正線雜散電流進入車場的措施

4.1 存在問題

上海軌道交通1號線富錦路停車場、3號線石龍路停車場、7號線陳太路車輛段,曾對流經(jīng)單導(dǎo)的電流及停車場軌電位專門做過測試和研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)停車場內(nèi)沒有列車運行時，也會檢測到車場內(nèi)存在回流電流。這會導(dǎo)致鋼軌電位限制裝置頻繁動作，影響檢修安全。而且該電流出現(xiàn)的頻次和幅值，與正線車輛的運行情況密切相關(guān)。當(dāng)軌地電位為負時，單導(dǎo)電流為正值，最大幅值可以分別達到1 000 A、920 A和300 A[5]。

4.2 原因分析

當(dāng)正線車輛加速起動時，正線對車場無影響;當(dāng)正線靠近停車場附近的車輛處于制動狀態(tài)時，電流從鋼軌流向列車并向接觸網(wǎng)反饋，此時鋼軌對地電位U1為負值，出入場線處鋼軌對地電位U2也為負值。地鐵停車場受軌道制式及環(huán)境影響，絕緣性能相對比較薄弱，正線大地中的雜散電流Is1很容易通過停車場軌道匯集，并經(jīng)過單向?qū)ㄑb置再流回正線車輛(見圖4)。

圖4 車輛制動時，正線電流通過大地進入車場

上述結(jié)果表明，在出入場線處設(shè)置單向?qū)ㄑb置，反而為雜散電流提供了順暢的通路：正線雜散電流Is1可以通過“正線大地→停車場大地→停車場走行軌→單向?qū)ㄑb置→正線走行軌”的通路進入停車場，對停車場內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋、埋地管線等會造成腐蝕。

4.3 解決措施

解決該問題既要保證車輛經(jīng)過時牽引回流暢通，又要使車場與正線走行軌在電氣回路上完全斷開，以避免正線和車場的回流電流和雜散電流相互亂串。針對上述問題，上海、寧波等地的城市軌道交通工程均提出了新的解決措施。

4.3.1 措施1——斷開單導(dǎo)柜二極管支路

寧波地鐵1號線天童莊車輛段將車場與正線在電氣回路上做了明顯的物理隔斷，采用接觸器來代替二極管。接觸器回路平時斷開，只有列車通過時，才將絕緣節(jié)兩側(cè)導(dǎo)通(見圖5)。

圖5 用接觸器來代替二極管支路示意圖

該解決措施主要由1個接觸器支路、1個電動隔離開關(guān)支路、1套自動消弧裝置和1套位置傳感器等構(gòu)成。接觸器支路平時處于斷開狀態(tài)，光電位置傳感器負責(zé)檢測列車位置。當(dāng)檢測到列車第1個輪對進入時，絕緣節(jié)兩側(cè)接觸器進行完全導(dǎo)通，以保證回流的暢通；當(dāng)檢測到列車最后1個輪對離開時，接觸器斷開，絕緣節(jié)兩側(cè)恢復(fù)完全斷開狀態(tài)，這樣可以有效減少正線雜散電流通過地下鋼筋或管線進入車場。由于列車運行頻率較高，接觸器動作頻繁，還可以采用多回路并聯(lián)的方式來提高可靠性。

4.3.2 措施2——正線和車場分別回流

上海軌道交通18號線航頭定修段則是通過增加二極管等定向?qū)ㄔ?，將車場、正線的牽引回流和雜散電流分別引回各自變電所。

如圖6所示，在原有“單絕緣節(jié)+單向?qū)ㄑb置”方案的基礎(chǔ)上，在靠近車場側(cè)增加1組絕緣節(jié)和1套定向回流裝置。定向回流裝置主要由2個二極管支路、1個電動隔離開關(guān)和1套自動消弧裝置構(gòu)成。2個二極管正極分別接在鋼軌絕緣節(jié)兩側(cè)，負極通過電纜接至車場變電所負極，這樣也可以避免正線雜散電流進入車場(即AB段)。

圖6 增加1組絕緣節(jié)和1套定向回流裝置示意圖

4.3.3 兩種解決措施的優(yōu)缺點比較

兩種解決措施的優(yōu)缺點比較，如表1所示。

表1 兩種解決措施的優(yōu)缺點比較

5 結(jié)語

本文通過對停車場雜散電流既有防護措施中存在的幾個問題進行分析，優(yōu)化了電氣化股道車擋前絕緣軌縫的設(shè)置；解決了鏇輪庫設(shè)備的打火問題；通過改進自動消弧裝置動作條件，解決了單導(dǎo)柜的反向?qū)▎栴}；并對減少正線雜散電流通過大地進入車場的兩種解決措施進行了優(yōu)缺點比較。