广州地铁设计研究院股份有限公司 田 彩

本文介绍了既有线路的钢轨电位现状，分析了钢轨电位异常升高的原因，提出了针对既有线路以及新建线路钢轨电位的建议措施，分析了沿着钢轨纵向焊接电缆短接方案对于降低钢轨电位的影响，相关结论可以为地铁钢轨电位的降低与控制提供建议和参考。

在城市轨道交通中，由牵引所输出的电流路径为牵引所-接触网-受电弓-列车-钢轨-牵引所，流入钢轨的电流不能全部经由钢轨流回至牵引所负极柜，其中一部分会泄漏到大地，由大地流回至牵引所，这部分电流就是杂散电流。杂散电流会导致部分设备损坏，引起附近建筑物的钢筋以及金属管线发生电化学腐蚀，破坏其结构强度，缩短使用寿命。为了减少杂散电流对地铁车站结构、隧道结构及相关设备设施的危害，钢轨通过绝缘安装实现对地绝缘，站台门设备也采用绝缘安装。

由于轨道自身阻抗以及杂散电流的影响，当供电区段有运行的列车时轨道与地之间会产生电位差，电位差严重时会危害乘客人身安全。在目前的工程设计中，大多通过采用钢轨电位限制装置来避免钢轨电压过高造成的人身危害。钢轨电位限制装置的工作原理一般为：当轨电位大于90V时，接触器在短接闭合3次后永久闭合；大于150V时，接触器永久闭合；大于600V时，晶闸管快速接通，在接触器闭合后断开。

1 既有线路的钢轨电位现状

广州城市轨道交通线路大多采用DC1500V接触网（或接触轨）供电、钢轨回流系统，钢轨采取绝缘安装，钢轨和地之间会产生电位差，严重时危及人身安全。鉴于车体与钢轨电气连通，为避免上下车过程中的跨步电压对乘客造成伤害，在目前工程设计中，常用解决方案是采用站台门绝缘安装，利用电缆将钢轨与站台门连接以保证二者的等电位。在广州地铁既有线路的运营过程中发现，运营线路的部分车站均存在钢轨电位偏高现象（目前主要采用轨电位限制装置常闭来解决这一问题），站台门外框结构等与相邻金属部件存在火花放电现象，当站台门绝缘性能减弱时，钢轨与站台门连接电缆电流过大，严重时出现电缆烧断等现象。

2 钢轨电位异常原因分析

2.1 回流电阻过大

直流牵引供电系统的回流回路主要由钢轨、均回流电缆等组成，若回流回路电阻过大，当有回流电流通过时，就产生较高的钢轨电位，钢轨的电阻越大，轨电位越高。同时随着运营时间的增加，若钢轨与均回流电缆的连接处、回流电缆与负极柜的连接处出现接触不良现象，长期运行后钢轨的腐蚀将逐渐严重，进而导致接触电阻增加，从而使得轨电位进一步升高，导致杂散电流逐步增加，形成恶性循环。

2.2 回流系统绝缘性能不佳

钢轨与大地间的过渡电阻与钢轨绝缘垫、站台门门框等设备的制作工艺以及安装精度紧密相关，其绝缘性能直接影响回流系统的性能。目前钢轨绝缘垫、站台门等设备由于制造工艺以及现场安装环境及精度的影响，导致其绝缘性能不佳，是造成站台门附近位置轨电位高及出现打火现象的主要原因之一。为了避免跨步电压的危害，车站位置采用钢轨与站台门短接方案，但如果站台门绝缘性能薄弱，就相当于站台门位置存在参考接地点，进而导致轨电位变高，出现打火现象。

2.3 电流不断变化

列车运行时，电流由牵引所经隔离开关输送至接触网，通过受电弓给列车供电，最后通过回流系统回至牵引所。当供电区段有列车运行时，列车启动和停车时会导致牵引电流的不断变化，特别是行车密度大的时段，负荷量大，牵引电流也更大，进而引起钢轨电位随之升高。

3 钢轨电位异常升高的解决建议

3.1 既有线路

对于既有线路，其行车组织、列车编组、机车功率、钢轨纵向电阻、钢轨泄漏阻抗、牵引所间距、整流机组内阻等参数已经固定，由于调整的成本过高，基本无法再进行修改，针对既有线路，主要原则就是增大回流系统导流能力，减少内阻，除了在钢轨接头处、道岔接头处、鱼尾板处等采用电缆短接外，还可以采用沿着钢轨纵向，焊接电缆进行短接方案减小钢轨的回流电流，从而降低轨电位、减少因钢轨绝缘性能不佳引起的杂散电流，本方案目前只应用在钢轨与油气管道并行区域、河流附近等重点防护位置。

针对沿钢轨纵向，焊接电缆进行短接方案的效果分析如下：

简化后的电路图如图1所示，R1为钢轨电阻，取37.32μΩ/m，R2为短接电缆的电阻，短接电缆采用150mm2电缆，取129μΩ/m。根据欧姆定律列方程计算电缆电流占比如式(1)所示。

图1 简化电路图

根据深圳某线路的设计数据，油气管道并行距离为26m，考虑电缆裕量，本文分析单根电缆长度取值30m。计算得到的电缆电流占总电流比例如表1所示。

表1 电缆电流相对总电流占比/%

由表1可知，短接4根150mm2电缆时电缆电流占比能达到53.6%。目前150mm2电缆价格约为170元/米，按照4根30m计算，则需40800元。由此可见，焊接电缆短接方案的投入成本很高，目前只应用在钢轨与油气管道并行区域、河流附近等重点防护位置，不适合全线路推广使用。因此解决钢轨电位异常问题需从设计阶段开始进行分析和综合考虑，才能更有效的解决问题，降低成本。

3.2 新建线路

对于新建线路，建议从牵引所间距、钢轨纵向电阻、整流机组内阻、钢轨对地绝缘性能、站台门绝缘性能、排流柜布置等多因素综合考虑，在满足各方功能要求的前提下，选择相对最优的钢轨电位及杂散电流设计方案。确定设计方案后，要求供应商和施工单位严格按照设计要求进行供货和施工，特别是钢轨纵向电阻、现场安装精度等关键因素，应严格按照设计规格书要求执行，严格控制施工误差。这对于有效控制钢轨电位、减少杂散电流具有重要作用。

3.3 注意事项

注意加强运维阶段的检测、检修及养护，定期查看钢轨电位限制装置及排流柜的动作情况，检测钢轨对地绝缘性能，检测站台门的绝缘性能，提前发现问题，解决问题，尽可能减少杂散电流造成的危害。

钢轨电位与杂散电流紧密相关，本文介绍了既有线路的钢轨电位现状，分析了钢轨电位异常升高的原因，提出了针对既有线路以及新建线路钢轨电位的建议措施，分析了沿着钢轨纵向焊接电缆短接方案的效果和效益，相关结论可以为地铁钢轨电位的降低提供建议和参考。