靳 凱

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

地鐵停車(chē)場(chǎng)內(nèi)列車(chē)牽引電流小、行車(chē)速度低、運(yùn)行時(shí)間短，還在出入場(chǎng)線、庫(kù)內(nèi)外之間、電氣化與非電氣化股道之間、電氣化股道車(chē)擋前等處設(shè)置了絕緣軌縫，且在出入場(chǎng)線、庫(kù)內(nèi)外之間設(shè)置了單向?qū)ㄑb置來(lái)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(shí)際工程中，停車(chē)場(chǎng)的雜散電流防護(hù)卻一直是地鐵工程的薄弱環(huán)節(jié)，經(jīng)常發(fā)生車(chē)場(chǎng)設(shè)備打火、軌電位頻繁動(dòng)作、車(chē)場(chǎng)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(yàn)，在既有防護(hù)措施的基礎(chǔ)上，總結(jié)了雜散電流防護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化和解決措施。

1 電氣化股道車(chē)擋前絕緣軌縫的優(yōu)化

針對(duì)停車(chē)場(chǎng)絕緣軌縫的設(shè)置，CJJ 49—1992《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》[1](以下簡(jiǎn)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(yùn)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(chē)擋裝置與電氣化軌道之前，均應(yīng)在走行軌上實(shí)現(xiàn)電氣隔離”。

其中，規(guī)程中要求在電氣化股道的車(chē)擋前設(shè)置絕緣軌縫主要基于兩點(diǎn)原因：一是為了滿足信號(hào)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(guò)車(chē)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(xiàng)目，信號(hào)系統(tǒng)已基本采用計(jì)軸設(shè)備代替軌道電路設(shè)備，沒(méi)有設(shè)置絕緣軌縫的需求；其次，部分項(xiàng)目的庫(kù)內(nèi)鋼軌采用直接接地的方式來(lái)確保檢修人員安全。由于電氣化股道已通過(guò)大地和車(chē)擋裝置相連，因此在此處設(shè)置絕緣軌縫并無(wú)意義。

綜上所述，針對(duì)庫(kù)內(nèi)鋼軌直接接地，且信號(hào)采用計(jì)軸設(shè)備的項(xiàng)目，可以取消電氣化股道車(chē)擋前的絕緣軌縫。根據(jù)車(chē)場(chǎng)規(guī)模不同，一般可減少約20～30處絕緣軌縫。

2 鏇輪庫(kù)設(shè)備打火的解決措施

鏇輪庫(kù)一般為非電化股道，且在庫(kù)前平交道口處設(shè)置了絕緣軌縫，列車(chē)通過(guò)絕緣軌縫后降弓，并通過(guò)內(nèi)燃機(jī)車(chē)牽引進(jìn)庫(kù)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及分析，鏇輪庫(kù)設(shè)備打火是由于車(chē)輛在跨越絕緣軌縫兩側(cè)的瞬間，回流電流Is通過(guò)車(chē)體流入庫(kù)內(nèi)而引起的(見(jiàn)圖1)。

圖1 鏇輪庫(kù)打火原因分析示意圖

針對(duì)上述問(wèn)題，可在鏇輪庫(kù)庫(kù)前增設(shè)1個(gè)絕緣軌縫D(見(jiàn)圖2)，列車(chē)在D處降弓并通過(guò)內(nèi)燃機(jī)車(chē)牽引進(jìn)庫(kù)。C、D兩個(gè)絕緣軌縫的間距應(yīng)大于1列列車(chē)車(chē)長(zhǎng)(如1列8A編組列車(chē)長(zhǎng)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(guò)車(chē)體流入庫(kù)內(nèi)[3]。

圖2 鏇輪庫(kù)庫(kù)前絕緣軌縫優(yōu)化方案

3 單導(dǎo)柜自動(dòng)消弧裝置反向?qū)ǖ慕鉀Q措施

3.1 問(wèn)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(dòng)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(yùn)營(yíng)人員安全。

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

圖3 單向?qū)ㄑb置示意圖

自動(dòng)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(chē)通過(guò)，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(shí)，自動(dòng)消弧裝置被觸發(fā)導(dǎo)通，即UAB=0，此時(shí)即使IAB大于80～100 mA，也不會(huì)產(chǎn)生電弧。當(dāng)電壓降低后，消弧裝置自行斷開(kāi)。

上述方案解決了列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)絕緣節(jié)兩側(cè)打火的問(wèn)題，但是當(dāng)沒(méi)有列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，IAB始終為0，而絕緣節(jié)兩側(cè)由于負(fù)載情況不同，UAB很容易達(dá)到U0以上；此時(shí)雖然沒(méi)有滿足起弧條件，不會(huì)發(fā)生打火現(xiàn)象，但是由于UAB>U0，仍會(huì)觸發(fā)消弧裝置導(dǎo)通，導(dǎo)致正線電流通過(guò)自動(dòng)消弧裝置進(jìn)入車(chē)場(chǎng)。

3.2 方案優(yōu)化

由上述分析可知，當(dāng)無(wú)列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，絕緣節(jié)兩側(cè)即使存在過(guò)電壓UAB，也不會(huì)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(hù)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(chē)是否通過(guò)也作為自動(dòng)消弧裝置導(dǎo)通的另一個(gè)判斷條件。當(dāng)檢測(cè)到列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，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(wú)列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，將可控硅的觸發(fā)電壓設(shè)置為60 V，以確保運(yùn)營(yíng)人員安全。

改進(jìn)后的方案既可以保證消弧裝置的作用，又能防止在沒(méi)有電弧產(chǎn)生時(shí)消弧裝置的頻繁誤動(dòng)作，可有效避免了正線雜散電流對(duì)車(chē)場(chǎng)的影響。

4 減少正線雜散電流進(jìn)入車(chē)場(chǎng)的措施

4.1 存在問(wèn)題

上海軌道交通1號(hào)線富錦路停車(chē)場(chǎng)、3號(hào)線石龍路停車(chē)場(chǎng)、7號(hào)線陳太路車(chē)輛段,曾對(duì)流經(jīng)單導(dǎo)的電流及停車(chē)場(chǎng)軌電位專門(mén)做過(guò)測(cè)試和研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)停車(chē)場(chǎng)內(nèi)沒(méi)有列車(chē)運(yùn)行時(shí)，也會(huì)檢測(cè)到車(chē)場(chǎng)內(nèi)存在回流電流。這會(huì)導(dǎo)致鋼軌電位限制裝置頻繁動(dòng)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(chē)輛的運(yùn)行情況密切相關(guān)。當(dāng)軌地電位為負(fù)時(shí)，單導(dǎo)電流為正值，最大幅值可以分別達(dá)到1 000 A、920 A和300 A[5]。

4.2 原因分析

當(dāng)正線車(chē)輛加速起動(dòng)時(shí)，正線對(duì)車(chē)場(chǎng)無(wú)影響;當(dāng)正線靠近停車(chē)場(chǎng)附近的車(chē)輛處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電流從鋼軌流向列車(chē)并向接觸網(wǎng)反饋，此時(shí)鋼軌對(duì)地電位U1為負(fù)值，出入場(chǎng)線處鋼軌對(duì)地電位U2也為負(fù)值。地鐵停車(chē)場(chǎng)受軌道制式及環(huán)境影響，絕緣性能相對(duì)比較薄弱，正線大地中的雜散電流Is1很容易通過(guò)停車(chē)場(chǎng)軌道匯集，并經(jīng)過(guò)單向?qū)ㄑb置再流回正線車(chē)輛(見(jiàn)圖4)。

圖4 車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，正線電流通過(guò)大地進(jìn)入車(chē)場(chǎng)

上述結(jié)果表明，在出入場(chǎng)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(guò)“正線大地→停車(chē)場(chǎng)大地→停車(chē)場(chǎng)走行軌→單向?qū)ㄑb置→正線走行軌”的通路進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)，對(duì)停車(chē)場(chǎng)內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋、埋地管線等會(huì)造成腐蝕。

4.3 解決措施

解決該問(wèn)題既要保證車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)牽引回流暢通，又要使車(chē)場(chǎng)與正線走行軌在電氣回路上完全斷開(kāi)，以避免正線和車(chē)場(chǎng)的回流電流和雜散電流相互亂串。針對(duì)上述問(wèn)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(kāi)單導(dǎo)柜二極管支路

寧波地鐵1號(hào)線天童莊車(chē)輛段將車(chē)場(chǎng)與正線在電氣回路上做了明顯的物理隔斷，采用接觸器來(lái)代替二極管。接觸器回路平時(shí)斷開(kāi)，只有列車(chē)通過(guò)時(shí)，才將絕緣節(jié)兩側(cè)導(dǎo)通(見(jiàn)圖5)。

圖5 用接觸器來(lái)代替二極管支路示意圖

該解決措施主要由1個(gè)接觸器支路、1個(gè)電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)支路、1套自動(dòng)消弧裝置和1套位置傳感器等構(gòu)成。接觸器支路平時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)，光電位置傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)列車(chē)位置。當(dāng)檢測(cè)到列車(chē)第1個(gè)輪對(duì)進(jìn)入時(shí)，絕緣節(jié)兩側(cè)接觸器進(jìn)行完全導(dǎo)通，以保證回流的暢通；當(dāng)檢測(cè)到列車(chē)最后1個(gè)輪對(duì)離開(kāi)時(shí)，接觸器斷開(kāi)，絕緣節(jié)兩側(cè)恢復(fù)完全斷開(kāi)狀態(tài)，這樣可以有效減少正線雜散電流通過(guò)地下鋼筋或管線進(jìn)入車(chē)場(chǎng)。由于列車(chē)運(yùn)行頻率較高，接觸器動(dòng)作頻繁，還可以采用多回路并聯(lián)的方式來(lái)提高可靠性。

4.3.2 措施2——正線和車(chē)場(chǎng)分別回流

上海軌道交通18號(hào)線航頭定修段則是通過(guò)增加二極管等定向?qū)ㄔ瑢④?chē)場(chǎng)、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(chē)場(chǎng)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(gè)二極管支路、1個(gè)電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)和1套自動(dòng)消弧裝置構(gòu)成。2個(gè)二極管正極分別接在鋼軌絕緣節(jié)兩側(cè)，負(fù)極通過(guò)電纜接至車(chē)場(chǎng)變電所負(fù)極，這樣也可以避免正線雜散電流進(jìn)入車(chē)場(chǎng)(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(diǎn)比較

兩種解決措施的優(yōu)缺點(diǎn)比較，如表1所示。

表1 兩種解決措施的優(yōu)缺點(diǎn)比較

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)停車(chē)場(chǎng)雜散電流既有防護(hù)措施中存在的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行分析，優(yōu)化了電氣化股道車(chē)擋前絕緣軌縫的設(shè)置；解決了鏇輪庫(kù)設(shè)備的打火問(wèn)題；通過(guò)改進(jìn)自動(dòng)消弧裝置動(dòng)作條件，解決了單導(dǎo)柜的反向?qū)▎?wèn)題；并對(duì)減少正線雜散電流通過(guò)大地進(jìn)入車(chē)場(chǎng)的兩種解決措施進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)比較。