地鐵雜散電流防護分析研究

上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院（集團）有限公司 申平軍

地鐵供電系統(tǒng)主要采用的直流1500V和750V供電，利用走行軌回流。從理論上說直流回路是閉合的，從牽引變電所取得的直流電流應(yīng)通過走行軌全部回到牽引變電所。實際上由于走行軌無法做到絕對的對地絕緣，少量電流將不沿回流鋼軌回到牽引變電所的負(fù)極，而是經(jīng)過大地回到牽引變電所，這些經(jīng)過大地回到牽引變電所的電流稱之為迷流或雜散電流。因此，在確保地鐵建設(shè)、地鐵運營能否正常運行時，如何防護雜散電流就是有待研究的關(guān)鍵技術(shù)問題。由于雜散電流具有諸多不容易防護的特點，比如雜散電流樣式繁多、分散性強、防護困難，難以預(yù)測等。

1 地鐵雜散電流防護方案分析

地鐵雜散電流腐蝕防護工程方案宜按整體防護類型與回流網(wǎng)的設(shè)計進行劃分，其中回流網(wǎng)可分為由專用導(dǎo)體(軌)及其連接件組成的絕緣回流系統(tǒng)和由走行軌及其連接件組成的軌道回流方案。根據(jù)《CJJ/T 49-2020地鐵雜散電流腐蝕防護技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》表4.2.3目前地鐵雜散電流防護可分為三種：

方案一采用專用軌回流方案，回流軌的絕緣水平要求需和接觸網(wǎng)保持一致。地鐵一般在工程可行性研究階段或初步設(shè)計階段已完成對雜散電流腐蝕防護工程設(shè)計方案的選擇。對于國內(nèi)地鐵通常采用圓形隧道、礦山法（馬蹄型）隧道和明挖法（矩形）隧道，以及高架橋梁和地面線路，在后期調(diào)整雜散電流防護方案有可能對其限界空間產(chǎn)生影響，以及對土建工程有可能產(chǎn)生實質(zhì)影響。采用方案一同時會增大工程投資，且目前國內(nèi)建成并運營的地鐵（不含跨坐式單軌）僅有2020年12月開通的寧波地鐵4號線采用專用軌回流，防護效果好壞并不明朗。專用軌回流方案建設(shè)和運營經(jīng)驗欠缺，缺少案例和數(shù)據(jù)分析，本文不開展過多分析。

方案二采用走行軌回流方案，做到加強絕緣和監(jiān)測。根據(jù)《CJJ/T 49-2020地鐵雜散電流腐蝕防護技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》4.2.5條規(guī)定：采用方案二走行軌對地、走行軌對結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)絕緣，其過渡電阻值不應(yīng)小于150Ω/km。由于雜散電流對鋼筋和金屬管道腐蝕是一個緩慢的的過程。在地鐵線路剛開通時，走行軌周圍無灰塵、鐵屑、油污等含鹽沉積物，此時走行軌的絕緣水平較高，雜散電流也相對較少。隨著地鐵開通年限的增長，由于列車和走行軌磨耗增加，道床周圍粉塵、油污、臟污、砂土的累積，以及道床積水等原因，將會降低鋼軌對地過渡電阻值，導(dǎo)致雜散電流增多。此時應(yīng)需相應(yīng)的排流措施。由于方案二無排流裝置措施，地鐵運營到后期過渡電阻不可避免的要減少，無法滿足當(dāng)初設(shè)計和運營要求，因此在國內(nèi)地鐵中應(yīng)用的較少。

方案三采用走行軌回流方案，做到絕緣、監(jiān)測和排流。根據(jù)《CJJ/T49-2020地鐵雜散電流腐蝕防護技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》4.2.6條規(guī)定：采用方案三走行軌對地、走行軌對結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)絕緣，其過渡電阻值不應(yīng)小于15Ω/km。該方案設(shè)計主要按照“以堵為主，加強監(jiān)測，應(yīng)急排流”的原則進行。包括“堵、測、排”三方面內(nèi)容，具體來說以堵為主首要目的：堵。運用各種措施隔離、控制所有雜散電流可能會泄漏的途徑，最大化降低回流系統(tǒng)的阻抗，最大化提高回流軌對地過渡電阻，抑制回流軌對地電流漏泄值；測。應(yīng)設(shè)置完備的雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)，對雜散電流漏泄量進行實時監(jiān)測，為軌道交通的正常運營、維護提供參考數(shù)據(jù)；排。設(shè)置有效的雜散電流排流網(wǎng)。雜散電流排流網(wǎng)是雜散電流泄漏后能遇到的阻抗較小的回流通路，將雜散電流限制在地鐵內(nèi)部，阻止其繼續(xù)向地鐵系統(tǒng)以外的地方泄漏。

方案三在兼顧了地鐵雜散的泄漏特點，國內(nèi)建設(shè)和運營經(jīng)驗豐富，同時工程投資沒有方案一高，可靠性及可實施性比方案二好，本文推薦采用方案三進行地鐵雜散電流防護設(shè)計。

2 具體工程實施方案

某西南城市軌道交通3號線一期工程全長43.086km，其中地下段42.031km，高架段0.713km，敞開過渡段0.342km。地下段采取的施工方法有盾構(gòu)法、礦山法、暗挖法、明挖法。全線設(shè)置19座牽引降壓混合變電所，其中車站17座，車輛段1座，停車場1座。正線平均2.5km左右設(shè)置一座牽引降壓混合變電所，有效抑制雜散電流的產(chǎn)生。本工程采用方案三進行雜散電流防護設(shè)計。

2.1 防護方案

明挖法（或暗挖法）區(qū)間隧道：明挖法（或暗挖法）區(qū)間采用整體道床，采用絕緣法安裝走行軌。應(yīng)保證隧道與整體道床內(nèi)的鋼筋無任何電氣上連通。同時走行軌底部與整體道床面之間的間隙不小于70mm。隧道內(nèi)完善通風(fēng)和排水的措施，保持干爽的環(huán)境。

盾構(gòu)法區(qū)間：盾構(gòu)法區(qū)間隧道內(nèi)采用整體道床，采用絕緣法安裝走行軌。隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)采用隔離法防護。隧道內(nèi)完善通風(fēng)和排水的措施，保持干爽的環(huán)境。

跨越南明河高架橋段：本工程在師范學(xué)院站～東風(fēng)鎮(zhèn)站區(qū)間（360m）、東風(fēng)鎮(zhèn)～洛灣站（285m）區(qū)間采用高架橋的形式2次跨越南明河，為減小高架橋段的雜散電流泄露，采用走行軌并聯(lián)電纜的措施，每根鋼軌并聯(lián)1根WDZA-EPR-1.8kV-1x400截面的電纜，連續(xù)并聯(lián)此兩個涉及到的供電分區(qū)，可使走行軌中流過的電流減半、走行軌的縱向壓降相應(yīng)的減半，對于鋼軌電位也起到了一定的作用。南明河高架橋段道床采用整體道床，采用絕緣法安裝走行軌。為有效控制雜散電流，南明河高架橋段軌道下方采用橡膠隔振墊道床，使鋼軌與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)絕緣隔離，盡量提高鋼軌對地過渡電阻，抑制鋼軌對地電流漏泄值，減少雜散電流對橋梁的影響。須隔離橋梁主體鋼筋與道床結(jié)構(gòu)鋼筋，做到不得相碰。若橋梁表面有伸出鋼筋，則鋼筋應(yīng)采取絕緣措施，例如加裝絕緣套管。

沿線平行高壓燃?xì)夤芫€段的處理措施：本工程在花溪公園站、民族大學(xué)站均存在高壓燃?xì)夤芫€平行通過，為減弱雜散電流外泄對于外部管線的影響，采取嚴(yán)格的雜散電流控制方案，采用走行軌并聯(lián)電纜的措施。每根鋼軌并聯(lián)1根WDZA-EPR-1.8kV-1x400截面的電纜，連續(xù)并聯(lián)此兩個涉及到的供電分區(qū)，可以使走行軌中流過的電流減半、走行軌的縱向壓降相應(yīng)的減半，對于鋼軌電位也起到了一定的作用。同時，也有效降低了雜散電流的泄露。同時采用雙層物理絕緣結(jié)構(gòu)+系統(tǒng)自排污扣件減少雜散電流的泄漏。

明挖（或暗挖）車站：車站兩側(cè)的道床采用整體道床，采用絕緣法安裝走行軌。車站范圍內(nèi)，兩側(cè)線路的結(jié)構(gòu)底板鋼筋與整體道床內(nèi)鋼筋應(yīng)無任何電氣上連通。同時走行軌底部與整體道床面之間的間隙不小于70mm。車站范圍內(nèi)的隧道內(nèi)完善通風(fēng)和排水的措施，保持干爽的環(huán)境。

2.2 雜散電流排流方案

隨著地鐵開通年限的增加，走行軌對地絕緣水平的降低，雜散電流泄漏性有可能會超標(biāo)，影響運營的安全，所以需設(shè)置相應(yīng)的排流措施，以便在必要時通過相應(yīng)的排流措施將雜散電流收集回牽引變電所的負(fù)極。

2.2.1 排流網(wǎng)的設(shè)置

根據(jù)地鐵運行高峰小時的車流密度、牽引供電電流及線路特征參數(shù)綜合計算，計算結(jié)果并符合排流網(wǎng)極化最高電位低于《CJJ/T 49-2020地鐵雜散電流腐蝕防護技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定要求，得出最終雜散電流排流網(wǎng)的截面。按照最新規(guī)范走行軌對地絕緣電阻值不小于15Ω/km進行計算，為使全線軌道鋼筋極化電位不大于0.5V，全線各區(qū)間的排流網(wǎng)截面如表1。

表1 全線各區(qū)間排流網(wǎng)截面

為便于工程實施，該工程雜散電流排流網(wǎng)截面統(tǒng)一為2種規(guī)格：桐木嶺站～花溪南站、花溪南站～農(nóng)學(xué)院站、太慈橋站～花果園東站、黔靈山公園站～貴醫(yī)站、茶店站～順海站、順海站～溫泉路站、溫泉路站～師范學(xué)院站、師范學(xué)院站～東風(fēng)鎮(zhèn)站、東風(fēng)鎮(zhèn)站～洛灣站的排流網(wǎng)截面為3500mm2，其余為5000mm2。本工程在正線道床均采用整體道床型式，在整體道床內(nèi)設(shè)置排流網(wǎng)。

2.2.2 排流柜

排流柜的設(shè)置方案一般為在正線的每座牽引變電所內(nèi)均設(shè)置，通過排流柜使?fàn)恳冸娝?fù)極柜的負(fù)母排和雜散電流排流網(wǎng)的排流端子相連。在開通初期，由于絕緣水平較好、雜散電流泄漏量較低，排流柜一般不投入運行。只有當(dāng)監(jiān)測到道床排流網(wǎng)鋼筋極化電位值超過設(shè)定數(shù)值時排流柜才投入運行，道床排流網(wǎng)啟動排流。排流柜應(yīng)具有如下功能：單向極性排流；自動調(diào)節(jié)排流電流值，大電流限度排流；自動監(jiān)測記錄排流網(wǎng)的排流電流值；具有與電力監(jiān)控的數(shù)據(jù)通訊功能。

2.2.3 單向?qū)ㄑb置

單向?qū)ㄑb置一般設(shè)置在車輛段、停車場出入段線與正線之間，以及在車輛段（或停車場）的電氣化庫庫內(nèi)和庫外的位置。單向?qū)ㄑb置通過電纜與絕緣結(jié)兩端回流軌相連，使回流軌中電流僅單方向流通，以利于雜散電流防護和減少雜散電流影響。單向?qū)ㄑb置通過轉(zhuǎn)接箱利用電纜與鋼軌焊接形成回路。裝置選用戶外型，主要技術(shù)參數(shù)如下：額定電壓DC1500V、最高工作電壓1800V、額定電流3000A、額定短路電流100kA(200ms)。

2.2.4 埋入型連接端子

目前國內(nèi)的道床伸縮縫兩側(cè)的連接端子基本采用3種方案，分別采用扁銅、鍍鋅扁鋼、埋入型連接端子。采用鍍鋅扁鋼或扁銅時連接端子均伸出道床面一定高度，一般是在100mm左右，且在施工單位實施時連接端子伸出的高度很高，維修人員巡視時很容易被絆倒。埋入型連接端子安裝簡單，且安裝完成后與水泥地面基本持平，維修人員行走時不易被絆倒、更加安全，且在疏散情況下更能保證乘客的安全。由于埋入式雜散端子澆筑在水泥中銅材質(zhì)的端子外露部分較少，基本不超過5mm，所以丟失銅端子的幾率接近于零。經(jīng)過以上分析比較，推薦本工程排流網(wǎng)連接端子采用埋入型連接端子。

2.3 雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)方案

本工程采用集中式雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)?？梢詫崟r監(jiān)測雜散電流泄漏情況，并及時做出判斷，采取針對性處理措施。地鐵運營管理及維護比較方便。雜散電流的監(jiān)測系統(tǒng)由兩部分組成：雜散電流監(jiān)測裝置與雜散電流監(jiān)測網(wǎng)。雜散電流監(jiān)測裝置通過監(jiān)測網(wǎng)來采集結(jié)構(gòu)鋼筋的雜散電流監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.3.1 監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成及監(jiān)測網(wǎng)

雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)由參比電極、道床鋼筋測試引出端點、結(jié)構(gòu)鋼筋測試引出端點、傳感器、信號轉(zhuǎn)接器、監(jiān)測裝置等組成。監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可實時上傳給綜合監(jiān)控系統(tǒng)。在車站的適當(dāng)位置設(shè)置雜散電流信號轉(zhuǎn)接器，信號轉(zhuǎn)接器通過傳感器經(jīng)電纜分別與結(jié)構(gòu)鋼筋監(jiān)測端子、道床鋼筋監(jiān)測端子和參比電極連接。

監(jiān)測網(wǎng)：為保證行車安全，減少雜散電流對走行軌固定金屬部件的腐蝕及避免雜散電流對結(jié)構(gòu)鋼筋及結(jié)構(gòu)外金屬管線的腐蝕，采用將隧道結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)（或橋梁鋼筋）、道床鋼筋網(wǎng)作為雜散電流監(jiān)測網(wǎng)的方法對雜散電流泄漏進行監(jiān)測。結(jié)構(gòu)鋼筋（或橋梁鋼筋）雜散電流監(jiān)測網(wǎng)由建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)鋼筋以及道床鋼筋構(gòu)成。當(dāng)監(jiān)測到鋼筋網(wǎng)的極化電位超過規(guī)程的要求時，說明走行軌對地絕緣已不符合雜散電流防護的要求。此時需對軌道加強檢查、清掃、維護及修復(fù)工作，恢復(fù)軌道與道床間良好的絕緣狀態(tài)，限制并降低雜散電流向地鐵外部的泄漏。

2.3.2 監(jiān)測點的設(shè)置

本工程正線有地下線路和高架線路，共設(shè)有29座車站。本工程地下段采用的施工方法有盾構(gòu)法、明挖法、蓋挖法和暗挖法施工。

正線明挖法、蓋挖法和暗挖法地下區(qū)段及高架段：每座車站上、下行線結(jié)構(gòu)鋼筋監(jiān)測網(wǎng)共設(shè)8個測試點，其中上、下行線測試點各設(shè)置4個：進站處結(jié)構(gòu)兩側(cè)壁各1個、出站處結(jié)構(gòu)兩側(cè)壁各1個、車站距離區(qū)間200m處隧道側(cè)壁或橋梁處各1個。在監(jiān)測點處隧道或橋梁結(jié)構(gòu)鋼筋引出測試端子。上行、下行道床鋼筋監(jiān)測網(wǎng)的監(jiān)測點共設(shè)置8個，其里程點與隧道或橋梁結(jié)構(gòu)鋼筋監(jiān)測點的里程相同。在測試端子1m范圍內(nèi)設(shè)置參比電極，且參比電極距離測試端子盡量近，參比電極安裝時不能破壞結(jié)構(gòu)防水層。

正線盾構(gòu)區(qū)段：本文推薦采用隔離法進行雜散電流防護，即相鄰盾構(gòu)管片鋼筋不進行電氣連接，盾構(gòu)管片間進行絕緣處理；出段線和入段線區(qū)段：在出段線和入段線進入隧道的洞口處，在隧道的側(cè)壁上兩側(cè)各設(shè)置1個監(jiān)測點。監(jiān)測點處雜散電流傳感器電源引自相鄰動力照明區(qū)間檢修箱。在測試端子1m范圍內(nèi)設(shè)置參比電極，且參比電極距離測試端子盡量近，參比電極安裝時不能破壞結(jié)構(gòu)防水層；車輛段（或停車場）：其檢修庫、運用庫等單體建筑的1.8m及以下的鋼筋進行焊接，每個單體建筑設(shè)置2處監(jiān)測點，在測試點引出連接端子，采用移動式監(jiān)測裝置定期進行測量。

3 結(jié)語

地鐵雜散電流防護通過“堵、測、排”等措施來控制雜散電流對外界的影響。以貴州大學(xué)站～民族大學(xué)站為本工程牽引變電所間距為例，該區(qū)間排流網(wǎng)長度為3.03km；高峰小時最大牽引電流為862A；軌道與排流網(wǎng)間的絕緣電阻為15Ω/km；排流網(wǎng)單位電阻0.071Ω/km；走行軌采用60kg/m，4根單軌并聯(lián)單位電阻為0.009Ω/km，鋼軌電位34V。雜散電流收集網(wǎng)總橫截面選擇單線5000mm2（雙線10000mm2），此時理論極化電位僅為0.18V，滿足《地鐵雜散電流腐蝕防護技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ49-2020）要求的小于0.5V。目前雜散電流防護設(shè)計滿足規(guī)范要求，雜散電流非常小，即便有部分雜散電流泄露也采取了收集措施，主要影響雜散電流防護系統(tǒng)自身的排流網(wǎng)鋼筋，對自身鋼筋和外界管線影響可忽略不計。