蓋下車輛段軌電位防護研究

蔡教勇

（廣州地鐵運營事業總部基地維修中心，廣東 廣州 510380）

1 概況

隨著經濟發展，城市地鐵建設不斷推進，蓋下形式的地鐵車輛段成為首選，在節約城市寶貴土地資源的同時，也能夠為地鐵運營公司帶來更多的經濟效益。在地鐵運營過程中，地鐵車輛段在整段停電期間，安裝在庫內的軌電位限制裝置出現較大壓差，且數值為負，甚至有時達到動作閾值，地鐵蓋下車輛段與非蓋下車輛段中都存在類似的情況，但在蓋下車輛段內會更加嚴重。這種現象與正線雜散電流有關，而通過采用單向導通裝置可以大幅減少正線雜散電流，同時，可以降低正線運營期間車輛段軌電位。

地鐵車輛段一般會在出入段線鋼軌設置有絕緣節并安裝單向導通裝置，確保鋼軌電流由車輛段向正線方向導通，反向不導通，避免正線運營期間鋼軌電流進入車輛段范圍通過低過渡電阻區段流入大地，形成雜散電流而對車輛段結構鋼筋產生腐蝕。但在運營實踐中，出入段線的單向導通裝置能夠避免正線回流電流通過鋼軌流向車輛段，但并不能夠有效地防護正線雜散電流通過車輛段低過渡電阻區段重新返回鋼軌并流回正線。本文以廣州地鐵蓋下鎮龍車輛段為例，對這類現象進行分析。

2 車輛段天窗點期間軌電位特點及初步分析

鎮龍車輛段天窗點期間，車輛段接觸網均已停電，此時，庫內無機車取流。鎮龍車輛段庫內軌電位卻以30V 左右幅度呈現潮汐式波動，且主要為負值。針對這一現象，使用錄波儀器對車輛段庫門口的單向導通進行錄波。數據顯示，大部分時間庫內庫外壓差為0.6 ～0.7V（二極管導通壓降），短時出現庫內庫外壓差-1 ～2V，可以判斷單向導通裝置大部分時間處于正向導通狀態。使用鉗形電流表測試單向導通電纜電流，呈現潮汐式波動，峰值幾十安培，且電流是從庫內流向庫外。此時，正線的牽引電流從正線下地后通過車輛段鋼軌返回正線牽引所。單向導通裝置處于正向導通狀態在這種路徑中實際未發揮作用。

通過現場測量可以得到：

（1）正線的鋼軌電流存在下地泄露，并通過鋼軌回流返回正線牽引所負極；

（2）車輛段地電位比鋼軌電位高，差值為軌電位裝置的負值度數Ua

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

3 車輛段雜散防護及軌電位降低措施

單一考慮降低車輛段內軌電位而言，一般會考慮合上鎮龍車輛段軌電位限制裝置，使車輛段內軌與地二者等電位，能夠障天窗點期間作業人員的安全，但該措施不能減少通過鎮龍車輛段返回正線的電流，甚至因為減少了回流路徑的電阻，而增大了雜散電流，加劇了車輛段結構鋼筋的腐蝕。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極路徑，減少通過鎮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為列車位置至負極母排回流電阻， 3R為單向導通裝置反向電阻，4R為單向導通裝置正向電阻，其中， 3R、4R默認大地為導體。按照簡化模型計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）當正線、車輛段排流柜均未投入時

正線列車取流時的回流電阻 1R正為：

車輛段列車取流時的回流電阻 1R車為：

（2）當正線排流柜投入時

正線列車取流時的回流電阻 2R正為：

車輛段列車取流時的回流電阻 2R車為：

（3）車輛段排流柜投入時

正線列車取流時的回流電阻 3R正為：

車輛段列車取流時的回流電阻 3R車為：

根據上述簡化式及以下實際情況：（1）正線取流強度>>車輛段取流強度；正線運營列車運行強度、取流強度均要大于車輛段內檢調列車；（2）考慮降低從正線泄露到車輛段結構中的電流。車輛段設置單向導通裝置用來減少被保護區段的鋼軌電流，從而減少被保護區段雜散電流對結構及金屬管線的電化學腐蝕，同時，能降低停車庫和檢修庫的鋼軌電位，保持檢修人員的安全。該裝置并聯在鋼軌絕緣結處，除保證列車正常軌道回流電流外，還應保證短路電流通過。單向導通裝置用于連接絕緣結兩端鋼軌，使鋼軌中電流僅能一個方向流通；（3）單向導通電阻反向3R>>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）因單向導通正向電阻R4極小，R2正≈R3，正線列車取流時的回流電阻基本相同，即投正線排流柜或車輛段排流柜，對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，大幅減少從車輛段回流返回正線的電流強度；投入車輛段排流柜降低通過車輛段回流路徑電阻，但增加了通過車輛段結構回流的電流強度，對車輛段結構造成不利影響；

（2）車輛段列車取流時回流電阻，R2車>R3，從簡化模型中看（車輛檢調庫內取流為主，回流箱設在庫外至單向導通之間），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，增加了通過車輛段內的雜散電流強度，對車輛段結構造成了不利影響。

從以上分析看，在不進行設備改造的基礎上，合上離車輛段最近的牽引所的排流柜對結構防護效果更好，同時，可以降低從正線回流至車輛段的雜散電流，軌電位過高的情況也將得以改善。

4 現場測試及分析

為了驗證理論分析結果，筆者在天窗點期間選取了鎮龍車輛段其中負回流分區來模擬鎮龍車輛段與正線間的關系，來測試理論分析幾種措施的實際效果。測試期間，鎮龍車輛段所有供電區均停電，車輛段內無電客車運行，對應正線正常運營。

本次測試選取了圖2 中L12 道A-B 段平交道口位置的OV3 以及L-10 道尾端鋼軌作為測試點。由于L-1 道L-13 道鋼軌通過均回流電纜連接，為排除干擾，測試前拆除單向導通裝置DT8 電纜。此時，庫內與庫外之間僅能夠通過DT7 進行導通，且呈現由庫內流向庫外的特征。

圖2 車輛段測試區域均回流電纜連接情況

通過庫內庫外、車輛段與正線之間的相似性，模擬車輛段在單向導通裝置、軌電位裝置不同狀態下雜散電流以及軌電位的特征。測試項目與結果如表1 所示。

根據測試數據可以看出：

當鎮龍車輛段、鎮龍北站軌電位裝置全部斷開時，車輛段OV3 處軌地電位最高可達148V，地電位高于軌電位，單向導通裝置存在由庫內流向庫外的電流；當鎮龍北站軌電位裝置閉合時，車輛段OV3 處軌地電位下降至0V。

當鎮龍車輛段軌電位裝置閉合、鎮龍北站軌電位裝置斷開時，車輛段軌地電位裝置OV3 最大電流達38A，方向為地流向軌，單向導通裝置存在由庫內流向庫外的電流，此時，鎮龍車輛段扮演了一個規模巨大的“排流柜”的角色，通過上蓋車輛段建筑大量的金屬結構，引導了大量雜散電流聚集在段內，同時，鎮龍車輛段內軌電位裝置閉合，更是暢通了雜散電流通過車輛段返回正線的路徑。

表1 車輛段天窗點期間模擬測試數據

當鎮龍車輛段軌電位裝置、鎮龍北站軌電位裝置全部閉合時，流經軌電位裝置、單向導通裝置電流都為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。

當鎮龍車輛段軌電位裝置斷開、鎮龍北站軌電位裝置閉合時，流經鎮龍站軌電位裝置電流極值為603A，方向為由軌流向地；當鎮龍車輛段軌電位裝置閉合、鎮龍北站軌電位裝置閉合時，流經鎮龍北站軌電位裝置電流極值為668A，方向為軌流向地?，F場測試發現，鎮龍北站軌電位裝置電壓、電流情況存在較大波動，呈現潮汐特性，判斷與正線行車情況存在關聯。

當拆除單向導通裝置DT07、DT08 電纜時，車輛段軌地電位裝置OV3 電壓穩定在0V。模擬了正線與車輛段之間鋼軌不導通狀態，在此狀態下，減少了雜散，同時，降低了軌電位，且無須對正線設備進行調整。

5 結語

通過對鎮龍車輛段天窗點期間庫內軌電位的研究，我們能夠得出以下結論：

（1）車輛段天窗點期間正線雜散電流是影響行車軌電位的關鍵因素。車輛段無電客車運行而正線有電客車運行時，正線雜散電流會通過大地流向車輛段鋼軌并最終流回正線，導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絡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比非蓋下車輛段更嚴重。

（3）閉合車輛段或正線相鄰站點軌電位裝置，會降低鋼軌對地之間電位差。而拆除單向導通裝置后，切斷雜散電流通向正線的路徑后，能夠有效降低通過車輛段絕緣差區域上軌返回正線的雜散電流，降低車輛段內鋼軌對地之間電位差，同時，減少雜散電流對車輛段建筑結構的腐蝕。

（4）通過對出入段線單向導通裝置進行改造優化，可以減少正線雜散通過車輛段回流。車輛段出入段線單向導通裝置可以通過光電傳感器來感應是否有車輛通過，有車輛通過時導通，無車輛通過時斷開，相當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，避免雜散電流進入車輛段內，緩解了車輛段金屬結構被腐蝕情況，同時，降低了車輛段天窗點期間的軌電位。

防治車輛段天窗點期間的軌電位時，不能單純通過閉合軌電位限制裝置來達到目的，還需要同時考慮對雜散電流的防護，通過分析軌電位的產生原因更有針對性地達到防護的目的。