浅议地铁杂散电流的危害与防护

摘要：杂散电流给地铁设备、设施的安全运行和使用寿命造成影响，甚至会威胁乘客的安全，有必要对其采取积极地防护和治理措施，以确保地铁的安全运营。

目前，城市轨道交通牵引供电系统一般采用直流双边供电方式，以钢轨作为回流通路。在理想的状况下，牵引电流由牵引变电所的正极出发，经由接触网（轨）、电动列车和钢轨返回牵引变电所的负极。现实中，城市轨道交通的钢轨不但是列车的走行轨，而且为供电系统、信号系统提供通路，同时为了保证乘客的安全还将屏蔽门的非带电金属部分与钢轨相连，以期达到等电位。由于钢轨及地铁附属设备采用绝缘安装的绝缘材料埋在地下，不可能做到完全绝缘，并且随着时间的推移，其绝缘水平将会逐渐下降，不可避免地造成部分负回流电流不经钢轨回流，有一部分负回流电流会泄漏进入大地，通过沿地铁线的道床钢筋、隧道、高架桥或建筑物的结构钢筋或在大地中的各种金属物体上流动，然后再回到电源系统，这部分泄漏到大地中去的电流就是杂散电流，也称作迷流。杂散电流的形成如图1所示.

图1杂散电流示意图

一、杂散电流的危害

地铁中的杂散电流是一种有害的电流，会对地铁中的电气设备、设施的正常运行造成不同程度的影响，同时还会对隧道、道床的结构钢及地铁周边的金属管线造成不同程度的危害。

1、引起地铁及周边建筑物结构钢筋、金属管线腐蚀。

若地铁附近有导电性能较好的埋地金属管线(如自来水管、煤气管道、电缆等)，则有一部分杂散电流选择电阻率较低的埋地金属管线作为流通路径，在变电所附近从金属管线中流出流回变电所。由于土壤或其它介质的作用，金属体有电流流出的部位发生电解，使金属体遭受电化学腐蚀。这种电化学反应易腐蚀地铁主体结构钢筋、地铁线路附近的埋地金属管线，减少埋地管线使用寿命，更为严重的是，由于腐蚀的隐蔽性和突发性，一旦发生事故，往往会造成灾难性的后果，如煤气或石油管道的腐蚀穿孔；结构钢筋的腐蚀，会破坏混凝土的整体性，降低其强度和耐久性，给安全运营带来严重威胁。

2、使某些地铁设备无法正常工作。

杂散电流（负回流电流）若流入电气接地装置，将引起过高的接地电位，使某些设备无法正常工作，甚至会危及人身、设备的安全。2002年12月二号线首通段进行设备联合调试时，三元里站某道岔转辙机外壳接地电缆起火，烧毁部分设备。经查为转辙机的固定角钢与钢轨垫板的绝缘失效，使负回流电流流经钢轨、角钢、转辙机外壳流入转辙机外壳接地电缆，引起接地电缆起火。

3、给地铁的安全运营带来不利影响。

由于钢轨具有纵向电阻，正常运行状态下，供电区段内列车运行时，钢轨中流过牵引负回流电流，造成钢轨对地电位的升高(正值或负值)，图2为正常运行状态下轨电位曲线简易示意图。钢轨对地电位差的大小，主要与线路上列车的数量、负回流电流、牵引变电所间距、钢轨与地间的过渡电阻等因素相关。

若钢轨局部或整体对地的绝缘变差，则对大地的泄漏电流增大，地下杂散电流增大，会使钢轨电位发生变化，进而引起钢轨与地、钢轨与直流设备框架之间的电位差发生变化。当电位差达到一定值时，会引起轨电位限制装置动作，过高的电位差会导致轨电位限制装置频繁动作，容易引起装置故障，甚至会引起电压型框架保护报警、动作跳闸，导致供电区段内接触网（轨）停电，中断列车运行。1999年9月某日，广州地铁一号线因公园前站附近的轨电位过高导致公园前站变电所发生电压型框架保护动作，联跳长寿路站变电所和烈士陵园站变电所，导致长寿路站至烈士陵园站的接触网失电、行车中断。

图2 正常运行状态下轨电位曲线简易示意图

4、对乘客人身安全及设备安全造成影响。

地铁钢轨除了作为牵引回流的通路与牵引变电所的负极相连外，为了保证乘客上下车时的人身安全还与屏蔽门框架的非带电金属部分相连，以期达到等电位。若钢轨某处或局部与大地间的绝缘比其他地方低，则该处的轨电位就会较低，而其他地方的轨电位会被抬高，造成部分地方的轨电位异常，甚至超过正常允许值。虽然在变电所内安装有轨电位限制装置，但是过高的轨电位易导致轨电位限制装置频繁动作，一旦出现轨电位限制装置故障且屏蔽门绝缘不良的情况，就会对地铁乘客的人身安全构成威胁。在广州地铁运营十多年间，由于牵引负回流异常引起轨电位偏高、部分设备出现冒火花现象时有发生。

二、杂散电流的防护

城市轨道交通直流牵引供电系统中，由于采用钢轨兼做回流导体，杂散电流的产生是不可避免的。为了减少杂散电流的危害，就应当设法减少杂散电流量。这就需要采取积极有效的防杂散电流措施，使杂散电流量及其影响控制在允许的范围内。

杂散电流的防护应采取“以堵为主，以排为辅，防排结合，加强监测”的原则。

以堵为主，就是隔离和控制所有可能的杂散电流泄漏途径，减少杂散电流进入地铁的主体结构、设备及相关设施。一是在钢轨下加绝缘垫、使用绝缘扣件、枕轨下加绝缘垫、道岔处加强绝缘等，整体加强钢轨及部件对地的绝缘状况。二是在条件允许的情况下，尽可能增强整体道床结构与隧道、车站间的绝缘。三是在高架桥区段，桥梁与桥墩之间加橡胶绝缘垫，实现桥梁内部结构钢筋与桥墩结构钢筋绝缘，防止杂散电流对桥墩结构钢筋的腐蚀。四是在盾构区间隧道，采用隔离法对盾构管片结构钢筋进行保护。五是在过江隧道的轨道两端设立单向导通装置，与其他线路单向隔离。六是直流供电设备、屏蔽门设备和站台之间采用绝缘法安装。七是各类管线设备应尽量从材质或其它方面采取措施，减少杂散电流对其腐蚀及通过其向地铁外部泄漏。

以排为辅，就是通过杂散电流的收集及排流系统，提供杂散电流返回至牵引变电所负母线的通路，防止其继续向本系统外泄漏，以减少腐蚀。将每个道床结构段内部的纵向钢筋搭接处以焊接方式焊接，形成可靠电气连接，形成主要的杂散电流收集网；同时将隧道结构钢筋实现可靠焊接，形成辅助杂散电流收集网；杂散电流收集网与隧道的结构钢筋间应绝缘，不能相连。车辆段出入线与正线间、停车库内钢轨与库外钢轨间设单向导通设备。

加强监测，定期利用杂散电流综合测试装置，监测整体道床结构钢筋、车站隧道结构钢筋、高架桥梁结构钢筋相对周围混凝土介质的电位，从而加强对钢轨等负回流设备的维护。

提供顺畅、多路径的负回流回路，降低负回流回路的阻值和压降。

钢轨本身具有电阻，当电流流过钢轨时在电阻上就产生电位差。如果钢轨电阻高，将导致轨道压降增加，在一定的轨-地回路电阻下，将导致杂散电流泄漏增加。可以采取以下方法减少沿回流轨的压降：

1）、在条件允许的情况下，尽可能采用截面积大的钢轨或选用重型轨。

2）、采用长钢轨，钢轨越长，钢轨接头就越少，钢轨的阻抗也就越小。对钢轨接头除了用鱼尾板螺栓连接外，还应在两根钢轨之间采用接续绝缘铜电缆进行连接，并做到焊接可靠。必要时可将全线钢轨焊接成无缝轨。

3）、各钢轨之间应有畅通的电气连接，同时用绝缘铜电缆作为均流电缆在正线各车站两端将上下行线的钢轨进行连接；在信号系统允许的情况下，在相隔一定距离，用一定长度的均流电缆将同一行车方向的左右两条钢轨进行错开连接。这样就为负回流提供顺畅、多路径的负回流通路，减少同一钢轨点在同一时间的电位叠加，有效地降低钢轨电位。

3、合理地设置保护装置，确保乘客人身安全、设备安全和行车安全。

1）、 为了保护乘客人身安全，按人体耐受电压――时间特性曲线（EN50122-1:12.97标准规定）进行轨电位限制装置的整定。当轨电位限制装置检测到钢轨对地电压高于整定值时而动作，将钢轨与接地网短接，降低钢轨电位，从而保护人身安全。当钢轨对地电压大于600V时，晶闸管在100ms之内导通，钳制钢轨对地电位，同时向接触器发出合闸命令；当钢轨对地电位大于90V时，轨电位限制装置延时动作，且连续3次后永久合闸；当钢轨对地电位大于150V时，轨电位限制装置无延时永久合闸。

2）、电压型框架保护的作用是保护直流供电设备，动作于跳闸，切除短路故障。牵引供电系统在正常运行情况下，当车辆运行时，轨电位限制装置和电压型框架保护的电压元件均处检测状态，但由于牵引供电系统是在正常运行情况下，框架保护不动作，其动作延时长于轨电位限制装置。当钢轨――地的电位差出现异常时，轨电位限制装置和电压型框架保护的电压元件均检测到一个瞬时的高电压。两者均启动同，由于轨电位限制装置动作较快，使钢轨与地立即连通，电压型框架保护失去作用，不动作。若发生轨电位限制装置拒动情况，电压型框架保护的电压元件检测钢轨对地电位达到定值时，跳闸。前述一号线公园前站变电所发生电压型框架保护动作事件 ，经调整轨电位限制装置和电压型框架保护的配合关系后，牵引供电系统设备运行良好。

4、在日常运营中，定期对全线轨道线路清扫，保持线路清洁干燥，尤其是轨道扣件及钢轨绝缘垫，不能有易导电的物质在钢轨扣件和绝缘垫表面，避免由此而产生的轨道对地泄漏电阻的下降。定期检查各杂散电流收集网之间的连接线是否连接良好，及时进行修复。定期检查负回流线、均流电缆、负回流铜排、轨缝绝缘结、绝缘轨缝处设置的单向导通装置、负极柜（负母线）的绝缘完好性。定期检查与钢轨有相连接的相关设备，如：道岔转辙机、过江隧道防淹门等设备与钢轨的绝缘是否完好。定期对屏蔽门框架进行绝缘性能测试，确保屏蔽门及其附属设备与地的绝缘良好。

三、结束语

地铁杂散电流给地铁主体结构钢筋、电气设备设施及地铁周边管线和设备造成多方面的危害，必须对其采取积极有效地防护和治理措施，以确保地铁的安全运营。