城市轨道交通车辆段杂散电流分布及监测系统设计

殷 爽

(上海市隧道工程轨道交通设计研究院，200235,上海//高级工程师)

城市轨道交通车辆段附近的埋地管线经常检测到杂散电流干扰超标,连接正线与车辆段轨道绝缘节两端的单向导通装置一直存在较大电流,以及在维保过程中经常出现的挂接地线打火、烧熔现象等问题均来源于车辆段杂散电流的干扰。在对上海轨道交通7号线陈太路和上海轨道交通1号线富锦路车辆段的杂散电流测试过程中发现，列车正常运行时，大地中大量的杂散电流返回至车辆段钢轨，再经车辆段轨道返回至正线，从而导致车辆段杂散电流严重增加。本文结合现场测试数据，分析了车辆段内杂散电流的产生原因及分布规律，并设计了车辆段杂散电流监测系统。

1 车辆段杂散电流现场测试

对上海轨道交通车辆段杂散电流相关参数进行了现场测试。主要测试项目有：车辆段与出入段线位置单向导通装置电流及其对应位置钢轨对地电位(以下简为轨地电位)、车辆段附近土壤电位梯度以及车辆段附近杂散电流方向等。

1.1 车辆段与出入段线位置单向导通电流与轨地电位

车辆段轨道对地整体绝缘电阻较低,其整体绝缘较差，是整条线路的绝缘薄弱点。通过现场测试发现，当正线上的杂散电流流入大地时，会有一部分电流流向车辆段;当车辆段附近正线轨道电位为负时，处于车辆段地下杂散电流会流向钢轨,并通过单向导通装置流向正线。在这种情况下，车辆段内即使没有列车运行，也存在杂散电流腐蚀及危及人身安全等问题。现场测试结果如图1所示，其中单向导通电流正方向为车辆段轨道流向正线轨道方向。由图1可知，由于单向导通装置的存在，正线轨道的电流不会流向车辆段轨道。但在白天正线列车运营时，电流会持续从车辆轨道通过单向导通装置流向正线。该电流的幅值最大可达1 000 A，且在车辆段内无列车时该电流一直存在。

1.2 车辆段附近土壤电位梯度

车辆段附近土壤电位梯度测试可判断车辆段周边杂散电流的大小和方向，其测试原理如图2所示。图2中,a、b、c、d为4个参比电极,A、B为2个电压表。其中,ac与bd的距离相等，且垂直对称布设，参比电极间距设置为5 m。建立直角坐标系，使其纵、横两轴分别与图2中的ac、bd相对应。同时测得ac和bd的电压，并将计算出的读数或读数组合的平均值分别记入坐标中，然后利用矢量合成法求其矢量和，得到土壤电位梯度和杂散电流的方向的大小[2-3]。

a) 单向导通电流

b) 钢轨对地电位

图2 土壤电阻梯度与杂散电流方向测试原理图

在列车运行过程中,平行于车辆段钢轨方向及垂直于车辆段钢轨方向的土壤电位梯度测试结果如图3所示。土壤电位梯度垂直分量与平行分量比值如图4所示，由图4可知,该比值较稳定。根据矢量合成法，得到车辆段附近土壤中杂散电流合成方向如图5所示。图5中,斜向箭头指向车辆段轨道。车辆段周边土壤电位梯度幅值变化如图6所示。由图6可知，土壤电位梯度幅值超过了GB 19285—2003《埋地钢制管道腐蚀防护工程检验》中规定的限值0.5 mV/m。

a) 平行于车辆段钢轨方向的电位梯度分量

b) 垂直于车辆段钢轨方向的电位梯度分量

图4 土壤电位梯度垂直分量与平行分量比值图

图5 土壤杂散电流方向

图6 土壤电位梯度幅值变化图

由图6可知，在车辆段无列车运行的情况下，车辆段附近土壤中仍存在较大的杂散电流，并且杂散电流方向流向车辆段轨道方向。

2 车辆段杂散电流问题分析

出入段线单向导通电流轨地电位对应变化曲线如图7所示。由图7可知,电流从单导装置中流过时，对应的轨地电位为负，且轨地电位越小，单导电流越大。

a) 单向导通电流

b) 轨地电位

由于出入段线轨道与正线轨道直接连接，故正线列车运行时产生的轨地电位变化在出入段线位置同样存在。分析正线列车处于不同运行状态时该绝缘节位置的轨地电位与单导电流，可对杂散电流分布规律进行详细说明。

图8为车辆段杂散电流分布情况。图8中，U1为绝缘节两端电压，U2为绝缘节位置轨道对地电压，I为经过绝缘节两端的单向导通电流。当正线轨地电位为正时，由于出入段线与正线轨道直接连接，此时出入段线轨地电位U1亦为正。再者由于绝缘节和单导装置的存在，出入段线轨道的电流不能流向车辆段轨道内，此时单导装置的电流为0，出入段线轨地电位为正。

当正线轨地电位为负时，绝缘节位置钢轨电位与电流情况。当靠近车辆段的正线轨地电位为负时，出入段线轨地电位亦为负值。当车辆段轨地电位大于出入段线轨地电位时，电流可以通过单导装置流至正线。由于出入段线轨地电位为负，车辆段轨道与出入段线轨道为电气联通，因此车辆段轨地电位亦呈现负值。再者因车辆段轨道对地绝缘较差，大量大地中的杂散电流通过车辆段轨道汇集，并通过单导装置流向正线,此时单向导通装置会有大量电流流向正线的现象。

a) 正线轨地电位为正情况

b) 正线轨地电位为负情况

由上述分析可知，车辆段整体绝缘较差，且单导装置将车辆段轨道与正线轨道通过电气进行连通。当正线运行过程中,连接车辆段轨道的轨地电位为负值时，大地中的杂散电流会通过绝缘电阻更低的车辆段轨道收集，并经单导装置流向正线。该杂散电流幅值可达上千安培，大大加剧了车辆段杂散电流问题。

3 车辆段杂散电流监测系统设计

目前,城市轨道交通线路杂散电流监测中，一般仅针对正线设置杂散电流监测系统，而针对杂散电流问题严重的车辆段，缺乏相应的杂散电流监测装置。针对上海轨道交通实际线路车辆段杂散电流测试，提出车辆段杂散电流、土壤电位梯度的监测系统构架，以实现车辆段杂散电流的系统监测及评估。

3.1 监测系统参数及原理

车辆段杂散电流监测系统主要监测参数如下：

(1) 车辆段周边土壤电位梯度。文献[2]与文献[4]规定：处于直流电气化铁路、阴极保护系统及其他直流干扰源附近的管道，应进行干扰源侧和管道侧两方面的调查测试。当管道任意点上的管地电位较自然电位偏移20 mV或管道附近土壤电位梯度大于0.5 mV/m时，确认为直流干扰;当管道任一点上的管地电位较自然电位正向偏移100 mV或者管道附近土壤电位梯度大于2.5 mV/m时，管道应及时采取直流排流保护或其他防护措施。而城市轨道交通车辆段一般都建设在地面上，且车辆段周边一般存在土壤，具备对土壤电位梯度测试的条件。因此车辆段杂散电流监测系统中应包含土壤电位梯度监测项目，用以判别车辆段周边土壤中杂散电流是否超标。

(2) 杂散电流方向。车辆段周边在进行土壤电位梯度测试时，可根据对参比电极监测得到的垂直坐标下，土壤中杂散电流的矢量合成方向，判断同一时刻下不同位置杂散电流的方向。该监测参数可为电流流通方向及路径提供判断依据。

(3) 车辆段附近建筑物极化电位。车辆段一般存在较多的建筑物，甚至一些车辆段设计时，为节省面积以及提高车辆段利用率，一般会在车辆段中上盖建筑物。由于车辆段杂散电流问题相对严重，有必要在车辆段监测系统中设置建筑物极化电位测试点，以监测车辆段上盖建筑物整体结构钢筋的安全。

(4) 轨地电位。轨地电位监测可辅助进行车辆段杂散电流评估，亦可反映轨道对地之间的电流流向。

(5) 单导装置电流。单导装置是连接车辆段轨道与正线轨道之间绝缘节两端的设备。单导装置的存在，使得车辆段轨道与正线轨道之间为电气联通。在正线运营过程中，杂散电流会持续通过车辆段轨道进行电流汇集，并通过单导装置流向正线。因此，通过对单导装置电流监测，可得到经车辆段流回的杂散电流幅值大小，该参数可确定车辆段杂散电流的干扰情况。

3.2 监测方案分析

车辆段杂散电流监测系统主要由监测装置、监测终端传感器及参比电极等构成。每个车辆段须设置1台监测装置，用以负责监测数据的收集、分析以及车辆段杂散电流问题的评估。监测终端传感器负责将采集信号进行模数转换，并上传至监测装置。同时车辆段监测装置通过变电所SCADA(数据采集与监视控制系统)通道向线路杂散电流监控中心上传状态信号。

根据车辆段特点，监测终端传感器与监测装置之间的通讯方式可采用无线自组网方式或现场总线的有线通讯方式。车辆段杂散电流监测系统构架如图9所示。该监测系统通过监测车辆段内杂散电流的相关参数，可实现对车辆段杂散电流的针对性监测和防护。

图9 车辆段杂散电流监测系统架构图

4 结语

针对上海轨道交通车辆段杂散电流过大的现象，结合上海轨道交通车辆段杂散电流相关参数测试结果、分析了车辆段杂散电流的产生原因，并设计了车辆段杂散电流监测系统。