地铁车辆段轨电位问题分析与研究

地铁车辆段轨电位问题分析与研究

肖友庆

广州地铁集团有限公司 广东省广州市 510000

一、课题研究背景

1、轨电位的形成及钢轨电位限制装置的作用

地铁直流电气化轨道运输系统中以轨道作为回流导体，由于钢轨对地不完全绝缘，因而导致一部分负荷电流自轨道流入道床及地下钢轨金属设施。此时，由于钢轨与大地之间过渡电阻的存在，钢轨对地产生一定的电位差。电位差的大小，主要与线路上电客车数量、负荷电流、牵引所间距、钢轨与地间的过渡电阻等因素相关，当该电位差超出人体安全的接触电压时，将对人员造成触电安全伤害。为防止钢轨对地电位过高造成人身伤害，每个车站和车场都设有钢轨电位限制装置(ＯＶＰＤ)。当发生超出安全许可的接触电压时，此钢轨电位限制装置就将钢轨与大地快速短接，从而保证人员和设施的安全。

2、车辆段钢轨电位限制装置分合闸动作的利弊

车辆段钢轨电位限制装置在闭合将钢轨接地时，虽能较好的起到保护钢轨附近作业人员的作用。但是，也存在持续将牵引电流引入大地，造成埋地金属电化学腐蚀的风险。因此，钢轨电位限制装置不应出现频繁动作合闸的情况。

3、车辆段钢轨电位限制装置工作情况及存在问题

在2020年度，根据对某地铁车辆段钢轨电位限制装置工作的情况及录波数据情况的分析，发现存在场段轨电位动作次数频繁，轨地间电流大的问题

以2020年7月份为例，根据每日抄表数据， 况
形成曲线如下：

二、问题产生原因分析

1、研究场段轨电位产生及分布规律

根据轨电位动作报文统计发现，轨电位动作集中发生在运营时段，而列车集中在场段内取流、开行的非运营时段却极少引起钢轨高电压，导致轨电位限制装置进行合闸动作。根据这一现象，分析造成原因是由于车辆段内轨电位限制装置与正线运营电客车开行有关，在正线运营期间，有正线电流回流或者杂散电流流入了车辆段，引起了轨电位限制装置频繁动作。

2、轨电位限制装置合闸后电流曲线分析

轨电位限制装置原理上会受轨地间压差过大而动作合闸，合闸后会存在大量电流在轨电位限制装置与大地间流动。根据轨电位限制装置中录到的电流曲线做分析，发现流经轨电位限制装置电流共存在两类，该两类电流呈现交替波动:

（1）钢轨对地的正向电流;

（2）地对钢轨的反向电流；

如下图所示：图中曲线为轨电位限制装置合闸后，电流在装置中流动的情况。曲线随时间呈现正负方向交替变化，即电流从钢轨流向大地和从大地流向钢轨两类方向不断交替变化。

4、建立电流流动模型定性分析

基于以上的数据统计及电流波形，不难分析出：车辆段轨电位频繁动作、合闸后电流大的情况并非线网个例，与正线运营列车开行情况正相关且存在正负相反方向的两类电流情况。基于直流供电系统负回流、杂散电流原理及既有设备组成，建立以下电流流动模型进行分析：

（1）钢轨对地的正向电流流转通路

正向电流：正线回流—出入段线单向导通装置—车辆段钢轨—钢轨与大地绝缘电阻薄弱处—车辆段大地—正线大地—钢轨与大地绝缘电阻薄弱处—正线牵引所

正线白天地铁运营的过程中，运营电客车自接触网取流，借助钢轨回流至牵引变电所，造成正线钢轨轨电位的抬升。此时，对于场段钢轨而言，场段钢轨处于低电位状态，该类情况下即会造成正线回流流往车辆段的情况。

在既有地铁车辆段出入段线咽喉区设计中，采用单向导通装置+绝缘节的设计作为防止正线电流流入场段的措施。该组合在理论上防止正向电流流入场段，而允许场段电流流向正线。但根据实际现场测试到的流经单向导通装置一次电缆的数据显示，在单向导通装置正常工作期间，仍会有来自正线的电流通过单向导通装置流回车辆段。

对于这一客观现象，发现在单向导通装置，其里用于消除列车经过绝缘节时，绝缘节两端压差大引起拉弧的晶闸管，其触发条件为有列车经过时触发或绝缘节两端压差大于12V时触发，且在持续有正向电流（正线往车场流动）通过时，不能自主关断。造成了正线电流存在持续流入车辆段的可能。

在正线电流流入车辆段后，由于车辆段多为碎石道床，与正线的整体道床相比，轨地电阻更小，此时电流易从车辆段与大地的绝缘薄弱处流入大地。而后通过大地回到正线牵引所。

该条通路与电客车回流直接通过钢轨回到牵引所的通路相比，为并联关系。通路中的电流与电客车到场段的距离成反比，与通路中的轨地电阻、大地电阻成反比。

（2）地对钢轨的反向电流流转通路

负向电流：正线回路—正线大地—车辆段大地—钢轨与大地绝缘电阻薄弱处—车辆段钢轨—出入段线单向导通装置—正线钢轨—正线牵引所

在地铁牵引直流供电系统中，由于钢轨对地非完全绝缘，因此运营期间，正线电客车取流会在大地中产生杂散电流，产生的杂散电流流入车辆段大地，通过轨地间绝缘薄弱处，流上车辆段钢轨，并利用出入段线处设置的单向导通装置可以允许电流从场段流入正线的特性，流回正线牵引所。此条通路流转的电流大小与电客车运营时对地产生的泄露电流大小成正比，与通路中的轨地电阻成反比。

三、问题解决措施研究

针对引发轨电位问题产生的两条通路，建议可行的解决方案：

在原有的负回流系统设计上，已在场段出入段线设置了绝缘节+单向导通装置的回流阻隔设备，但由于既有单向导通装置的特性，既有生产运作中存在两条电流通路无法实现有效断路：

因此，根本有效地解决场段轨电位问题，可考虑优化既有负回流系统设计，改造既有单向导通装置，实现车辆段出入段线与正线间无车辆通过时钢轨两端电气完全断开。仅在车辆通过时，为避免车辆轮轨间拉弧打火，钢轨正线侧与车辆段侧短时接通的功能。从而保障两条通路在日常保持断路状态，隔绝正线与车辆段电流流动的目的。