城轨杂散电流与钢轨电位限制装置的关系探讨
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摘 要：在城市轨道交通系统中，会同时存在钢轨电位过高以及杂散电流过大的问题。一方面，当钢轨电位超过限定值时，钢轨电位限制装置就会通过接触器动作，将钢轨与大地快速短接，达到保障人身安全的目的。但同时由于钢轨电位限制装置闭合时，将会造成通过钢轨泄漏的杂散电流增大，对金属管线的腐蚀更大。另一方面，在杂散电流的防护过程中，虽然排流网的投入，可以有效地减少杂散电流的危害，但在泄漏杂散电流的时候，也会引起钢轨电位的增大，可能引发钢轨电位限制装置动作。所以，两者是互相影响的。
关键词：杂散电流 钢轨电位限制装置 防护措施
中图分类号：U231.8 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）12（a）-0062-02
1 杂散电流简介
1.1 杂散电流定义
在城市轨道交通供电系统中，由于采用的是直流供电，电流从牵引变电所的正极出发，经由馈电线、接触网、电动列车、走行轨、回流线返回牵引变电所负极。由于钢轨与隧道或道床等结构之间的绝缘电阻不是无穷大，这样会造成部分电流不从钢轨回流，而是通过沿线的道床钢筋、隧道、高架桥或建筑物的结构钢筋或土壤回流到牵引变电所（甚至不回流而散入大地），这一部分电流就是杂散电流（见图1）。
杂散电流对城市轨道交通的危害很大，首先，若地下杂散电流流入电气接地装置，会引起过高的接地电位，使某些设备无法正常工作。其次，若钢轨局部或整体对地的绝缘变差，则此钢轨对地的泄露电流增大，地下杂散电流增大，这样就有可能引起牵引变电所的框架保护动作。更严重的是，对城市轨道隧道、道床或其他建筑物的结构钢以及地下的金属管线造成电腐蚀。因此，杂散电流的腐蚀防护和综合治理对城市轨道交通的安全、可靠运行具有重要的意义。
1.2 杂散电流的防护
杂散电流腐蚀防护系统的功能是减少因直流牵引供电引起的杂散电流并防止其对外扩散，避免对道床、金属管道等的腐蚀，主要从“防”和“排”两方面来谈杂散电流的综合治理。
1.2.1 “防”的具体措施
（1）合理设置牵引变电所，牵引变电所间距不宜过长。
（2）牵引网采用双边供电。
（3）加强走行轨对地绝缘。主要有在走行轨下设置绝缘垫、让走行轨对地保持一定间隙、合理设置道床排水沟、合理设置道床混凝土4种方法。
（4）降低走行轨的电阻值，保持牵引回流通路顺畅。
（5）重视日常运营维护。
1.2.2 “排”的具体措施
虽然杂散电流的防护能够有效减少杂散电流产生，但随着运行时间的推移，走行轨对地绝缘水平会下降，杂散电流会超标，此时可考虑投入排流装置。所谓“排”就是在床下设置排流网，使泄漏的杂散电流从排流网集中收集、集中监测、集中控制。采用排流法进行杂散电流的腐蚀防护时，在正线的牵引变电所内需设置排流柜。其一端通过电缆与牵引变电所负极柜相连接，另一端与杂散电流收集网的排流端子相连接。排流柜通过其控制装置与杂散电流监测系统通过通信电缆连接，实现杂散电流的实时监控。
2 钢轨电位限制装置简介
由于钢轨与大地间存在电阻，当流向大地的杂散电流不断增大时，钢轨与大地之间产生电位差，特別是大双边供电或系统发生短路故障时，钢轨对地电位有可能很高。列车与钢轨是等电位的，乘客有可能通过列车车体接触到这一高电位，特別是站台上安装了屏蔽门之后，由于站台屏蔽门保护接地直接与钢轨相连，更增加了乘客接触钢轨高电位的几率。为保护车站乘客和运营维护人员的人身安全，就需要在每个车站变电所装设一套钢轨电位限制装置，在车站范围钢轨过高电位时，钢轨电位限制装置动作将钢轨与地短接，钢轨与地等电位，避免接触电压超出安全许可值。
轨电位限制装置由接触器、晶闸管回路、测量和操作回路、信号接口端子、保护装置、PLC等组成。控制原理采用了闭环控制，即使在辅助电源失去的情况下，也可以保证将钢轨和大地短接，保证人身安全。
一般正常情部，直流接触器的触头是断开的;但是当出现故障时，钢轨电位限制装置会通过三级电压检测系统控制短路装置与大地有效短接。
（1）第一级电压检测U>（90V），延时0.8S直流接触器动作，将钢轨与大地短接，经10S延时后恢复断开。
（2）第二级电压检测U》（150V），无延时短接，接触器将闭锁，保持合闸状态。
（3）第三级电压检测U>>>（600V），晶闸管快速接通，在接触器闭合后，晶闸管恢复高阻状态，此时接触器将闭锁，保持合闸状态。
当短路装置短接時，若在钢轨和大地之间仍有一个电压，则设备被认为出了故障，此时将由接点向SCADA系统发出故障信息。
当电压检测系统检测到钢轨与地之间低于2V持续时间超过24h，则设备也被认为出了故障，此时接触器闭合，并由接点向SCADA系统发出故障信息。
3 杂散电流与钢轨电位限制装置的关系
在城市轨道交通系统中，会同时存在钢轨电位过高以及杂散电流过大的问题。一方面，当钢轨电位超过限定值时，钢轨电位限制装置就会通过接触器动作，将钢轨与大地快速短接，达到保障人身安全的目的。但同时由于钢轨电位限制装置闭合时，将会造成通过钢轨泄漏的杂散电流增大，对金属管线的腐蚀更大。另一方面，在杂散电流的防护过程中，虽然排流网的投入，可以有效地减少杂散电流的危害，但在泄漏杂散电流的时候，也会引起钢轨电位的增大，可能引发钢轨电位限制装置动作。所以，两者是互相影响的。
但是，由于钢轨电位限制装置是通过限制钢轨电位来控制电压，保护的是人身安全，其重要程度比排流柜更高，所以，在实际运行过程中当出现钢轨电位超过规定值时，钢轨电位限制装置必须得动作。此时，为了防止钢轨电位限制装置与排流柜通过大地连接导致杂散电流剧增，需要对排流柜进行短暂的屏蔽，待钢轨电位限制装置断开后再投入排流柜。在这里流需要通过Scada系统在后台进行监测，对钢轨电位限制装置及排流柜进行连锁控制，达到最优的控制方案。
参考文献
[1] 徐亚辉.城市轨道交通供变电技术[M].北京：机械工业出版社，2012.
[2] 周悦.城市轨道交通杂散电流腐蚀防护的影响因素及对策分析[J].城市轨道交通研究，2018（12）：30-33.
[3] 李国欣，吴培林，裴文龙.钢轨电位与杂散电流综合抑制研究[J].城市轨道交通研究，201（4）：56-62.
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