钢轨电位相关影响因素现场测试及分析

1、钢轨电位相关影响因素现场测试及分析摘要：国内城市轨道交通线路运营过程中，经常出 现钢轨电位过髙，导致钢轨电位限制装置频繁动作，甚至直 流框架保护动作，大面积直流停电。钢轨电位过髙会对乘客 人身安全造成威胁，同时，屏蔽门跟钢轨连接，钢轨电位传 导到屏蔽门，当结构钢筋和屏蔽门触碰时就会发生放电，产 生火花，存在严重的安全隐患。针对钢轨电位过髙的问题， 对钢轨电位相关影响因素，如钢轨纵向电阻、轨缝电阻、机 车牵引电流、钢轨电位变化情况进行了现场测试及分析，同 时，对屏蔽门机车绝缘部分绝缘情况、及等电位连接线拆除 后屏蔽门电位进行实际测试。经过分析提出钢轨电位限制措 施，屏蔽门安全解决方案Abstra

2、ct:During the operation of domestic urbanrail transit lines, the rail potential is often too high, which leads to the frequent action of the Rail Over-Voltage Protection Device, even the DC frame protection action and the large area DC power failure. The rail potential is too high will pose a threat

3、 to the safety of passengers, while the connection of shield door with the rail, the rail potential conduces to the shield door, when the structural steel and shielded doors touch there will be discharge and spark, which has serious security risks. In view of the problem that the rail potential is t

4、oo high, the influence factors, such as rail longitudinal resistance, track resistance , locomotive traction current and rail potential change, are tested and analyzed. At the same time, the actual test of the insulation situation of the shielded door locomotive insulation and the shielded door pote

5、ntial after removal of equipotential connection cable are carried out. After the analysis, the rail potential limit measures and shielding door security solutions are proposed.关键词：城市道交通；钢轨电位；现场测试；抑制措 施;屏蔽门Key words： urban rail transit； rail potential； field test； suppression measures； shield door中图分

6、类号：U231文献标识码：A文章编号：1006-4311 (2017) 17-0081-061概述目前国内的城市轨道交通基本均采用直流750V或1500V 供电，机车由接触网(轨)获得电能，牵引电流通过轨道返 回到牵引变电所整流机组负极。由于轨道自身阻抗及杂散电 流影响，轨道和地之间会产生电位差，严重时可危及人身安 全。为了限制钢轨电位，在工程设计时采用在车站设置钢轨 电位限制装置（Rail Over-Voltage Protection Device, OVPD）,钢轨电位限制装置一端接钢轨，另一端接地母排。 钢轨电位限制装置内设置隔离开关，在正常运行方式下是处 于打开状态，当钢轨电位限制装

7、置测量到钢轨和接地母排之 间的电位差达到一段设定值时（一般I段整定值90V, II段 整定值150V, III段整定值500V）,钢轨电位限制装置合闸， 将钢轨和地短接，延迟一段时间（时间可设定）后，装置自 动打开。钢轨电位限制装置自动测量钢轨和地母排之间的电 位差，钳制钢轨电位在安全电位以下。为了保护乘客的人身 安全，在站台边沿设置了绝缘垫，绝缘垫宽度至少达到0. 9m, 屏蔽门安装在绝缘垫上，并将屏蔽门用电缆和钢轨连接保证 二者的等电位。乘客在上下车触碰屏蔽门时，保证了车辆和 屏蔽门等电位，将乘客踏脚处与手触摸处的电位差缩小到 零。当乘客踏进车厢或踏出车厢时，由于站台的绝缘性能， 即使车厢

8、上有高电压也不会产生电击或人身伤害等现象目前在国内已建成投入运行的城市轨道交通系统中，普遍 存在轨电位异常升高的问题及屏蔽门绝缘较低，打火等问 题。根据测试，当OVPD动作闭合时，钢轨与地之间的入地 电流（杂散电流）可达到800 A以上。钢轨电位限制装置动 作频繁（多条线路全线轨电位动作次数每天近千次），甚至导致直流框架保护动作，造成牵引变电所交直流开关跳闸。 当钢轨电位限制装置动作闭合时，不可避免会有大量电流经 以大地为回路流通，尤其是当有多台轨电位动作闭合时，通 过地网散发出的杂散电流对城市地下金属结构会产生很大 的腐蚀。国内部分地铁运营单位为了保证安全，采取将线路 部分轨电位限制装置运行

9、于永久合闸状态，此项措施虽然解 决了轨电位过高的问题，但这时大量的钢轨回流通过钢轨电 位限制装置流入地网，形成杂散电流，对地网和车站金属结 构产生腐蚀，影响地网和车站金属结构的使用寿命，直至影 响到车站的使用寿命。在广州地铁运营中发现，每条运营线路的部分车站均存在轨电位普遍偏髙的现象，造成 每条线路均有2至3个车站的钢轨电位限制装置频繁动作， 一旦钢轨电位限制装置动作失灵则对地铁的运营安全及乘 客的人身安全带来威胁；同时，在运营中发现，由于轨电位 的存在，屏蔽门外框结构等对相邻金属部件有火花放电现 象。为减轻轨电位升高给地铁的运营安全及乘客的人身安 全，我们对每条线路的2至3个车站临时釆取人工

10、永久合闸 钢轨电位限制装置的措施，采取该临时措施虽然解决了地铁 的运营安全及乘客的人身安全的问题，但带来了对隧道、道 床的结构钢和附近的金属管线造成不同程度的电腐蚀等问 题同样屏蔽门跟钢轨连接，钢轨电位传导到屏蔽门，当结构 钢筋和屏蔽门触碰时就会发生放电，产生火花，存在严重的 安全隐患表1为广州地铁钢轨电位限制装置整体动作情况统计因此，对钢轨电位相关影响因素进行现场测试、分析，找 出钢轨电位升髙的原因并提出抑制措施，优化屏蔽门与钢轨 连接方式对城市轨道交通安全运营具有十分重要的意义2钢轨电位相关影响因素现场测试及分析2.1钢轨电位影响因素分析钢轨电位的相关影响因素主要有钢轨纵向电阻、钢轨接缝

11、电阻、机车牵引电流、再生制动电流长距离传输、牵引变电 所间距等。由于钢轨电位的影响因素较多，应针对这些影响 因素进行实际现场测试，确定运营过程中是哪些参数导致钢 轨电位升髙。根据现场测试结果，对钢轨电位限制提出针对 性治理建议目前，普遍采用屏蔽门与钢轨等电位连接方式。由于现场 屏蔽门绝缘一般较差，在钢轨电位较高的情况下，会有电流 通过屏蔽门泄漏至大地，造成屏蔽门打火等安全隐患，因此, 应对钢轨电位影响下，屏蔽门连接方式进行测试，确定屏蔽 门与钢轨的连接方案针对上述问题，对广州地铁实际线路进行了测试2.2钢轨纵向电阻测试及分析钢轨纵向电阻直接影响钢轨电位的大小。CJJ49杂散电 流腐蚀防护规程中

12、规定：地铁轨道钢轨宜通过焊接工艺连 接成长轨，纵向电阻值不应大于O.OlQ/kmo根据标准推荐 的测试方法，对广州地铁新建线路6号线东山口站钢轨纵向 进行了离线测试。测试共进行10组，测试结果统计图如图1 所示由测试结果可知，6号线东山口站测量得到的钢轨纵向电 阻平均值为0. 0374 Q/km,即37. 4 X 10-3 Q/km。相对于厂 家给出的65kg的钢轨：Rc二26. 6X10-3Q/km较大。但四根 钢轨并联后电阻0. 00935 Q/km,小于0.01Q/km,钢轨纵向 电阻符合标注要求对广州地铁已运行线路8号线宝岗大道站轨行区钢轨纵向 电阻进行了离线测试，共进行10组测试。测

13、试结果统计图 如图2所示8号线宝岗大道站测量得到的钢轨纵向电阻平均值为 0. 034712 Q/km,即34. 7 X 10-3 Q/km。相对于厂家给出的 65kg的钢轨：Rc二26. 6X10-3 Q/km较大,但符合标准要求通过实际钢轨纵向电阻测试结果，钢轨纵向电阻一般符合 标准规定。钢轨纵向电阻不是导致钢轨电位异常升高的主要 原因2.3钢轨接缝电阻离线测试结果及分析规程CJJ49-92规定钢轨接缝电阻不得大于1米钢轨电阻, 但1米钢轨电阻不到lmQ,由于现场条件限制，难于直接测 量，为了减少误差，采用类似电桥的电压比较法测量轨道接 缝电阻值测试中U1是每米钢轨电阻与其中轨道接缝电阻上的

14、电压 降之和，U2是每米钢轨电阻上的电压降。按规程CJJ49-92 要求，钢轨接缝电阻不得大于1米钢轨电阻，则要求：？琢 二-1?燮 1根据标准规定测试方法，对广州地铁新建线路6号线东山 口站轨行区钢轨进行了接缝电阻离线测试，根据测试数据， 求？琢值，做结果统计图如图3由测试结果可知，？琢值小于1,符合标准中对钢轨接缝 电阻的规定同时，对已运行线路广州地铁8号线宝岗大道站轨行区钢 轨进行了钢轨接缝电阻离线测试，根据测试数据，求值，做 结果统计图如图4由测试结果可知，？琢值小于1,符合标准中对钢轨接缝 电阻的规定通过对实际线路钢轨纵向电阻进行测试，现场钢轨接缝电 阻一般符合标准规定。不会造成钢轨

15、电位异常升高2.4机车牵引电流在线测试机车牵引电流大小直接影响钢轨电位的大小，应在运营时 对机车牵引电流进行测试，确定钢轨电位经常升髙至闭锁设 置电压是否受机车牵引电流的影响。选择广州地铁八号线琶 洲站为测试点。由于万盛围站为降压变电所，琶洲至万盛围 站区间为单边供电区间，在琶洲-万胜围区间运行的机车取 流均来自于琶洲站牵引整流变压器。因此，对琶洲站馈电开 关流经的电流进行测量可得到琶洲站-万胜围站机车运行时 的取流情况在项目测试中，对机车运营时的牵引电流进行了连续在线 记录，结果如图5由钢轨纵向电阻离线测试结果可知，测试过程中钢轨平均 纵向电阻值为0.038Q/km,假设每根钢轨纵向电阻为

16、0. 04Q/km,每行之间两根钢轨设置均流线，每行钢轨纵向 电位为0. 02Q/km,在上下两行之间不设置均流电缆时，通 过牵引电流与钢轨纵向电阻计算得到万胜围站轨地电位计 算值如图62.5电流长距离传输对钢轨电位的影响目前，城市轨道交通线路中机车优先采用能量再生制动方 式，制动时将电流回馈至接触网，该电流会被附近运行的其 他机车吸收。运营的机车平均距离约为5km,因此，再生制 动电流传输时，距离较长，会导致钢轨电位升高。通过现场 实际测试，存在电流长距离传输的情况。如图7所示由图7可知，一机车制动时再生制动电流会通过直流馈电 开关流至另一区间加速运行的机车，这样会导致电流流通距 离加长，钢

17、轨电位升高。在钢轨v向电位、钢轨接缝电阻。2.6钢轨电位闭锁问题现场测试及分析针对钢轨电位升髙，导致钢轨电位限制装置闭锁的问题， 对广州地铁8号线万盛围站位置钢轨电位进行了现场测试， 记录到多次钢轨电位升髙至I段保护动作，延时10s后，接 触器分闸导致钢轨电位瞬间升髙至500V以上，III段保护动 作，钢轨电位限制装置闭锁。记录结果如图8-10由钢轨电位现场测试结果可知，使钢轨电位限制装置达到 闭锁的电压并不是由于回流系统参数和机车牵引电流造成 的，而是在接触器分闸时，产生的操作过电压造成的。因此, 现场经常出现的OVPD闭锁现场为误闭锁，应通过钢轨电位 限制装置控制优化避免该问题，减少钢轨电

18、位限制装置误闭 锁导致的杂散电流腐蚀严重的问题2.7屏蔽门绝缘情况测试通过现场屏蔽门绝缘情况测量，根据打火记录及绝缘测量 记录分析，打火位置主要集中在三处： 固定面板与装修吊顶之间； 端门固定面板与装修挂板之间； 端门与边门的连接拐角处通过多次的现场测量，基本可以明确屏蔽门对地绝缘基本 上达不到绝缘的要求。虽然屏蔽门采取了多种绝缘措施，但 是由于屏蔽门长度较长，预埋装修较多，客观上屏蔽门处于 接地状态，相当于钢轨进行接地，接地后造成了杂散电流的泄漏量增加屏蔽门接地，又非完全性金属接地，存在过渡电阻，电阻 值测量用兆欧表难以测出。屏蔽门对吊顶、挂板、边门的绝 缘距离较近，绝缘电阻不够，容易形成杂

19、散电流泄漏的电路 通路，产生打火放电现象从目前的分析来看，是由于屏蔽门对装修材料的绝缘值达 不到要求造成的，因此通过调整装修的吊顶挂件与屏蔽门的 距离，或者增加绝缘材料，可以避免打火现象2.8已运营机车绝缘情况测试由于机车与钢轨等电位，如果机车自身绝缘较好，则人体 接触机车和大地时，对人身造成的安全危害将消除。通过对 广州地铁八号线赤沙车辆段内地铁机车绝缘情况进行测试， 了解已运营机车绝缘情况测试位置示意图如图11-12所示测试位置说明见表2测试结果如表3由测试结果可知，已运营机车由于磨损等原因，多处绝缘 位置绝缘损坏，不利于钢轨电位的防护2.9屏蔽门悬浮时与钢轨之间电位测试由于现场屏蔽门对地

20、绝缘电阻普遍较低，与钢轨等电位连 接后，屏蔽门成为绝缘薄弱点，会有大量杂散电流通过屏蔽 门泄漏至大地，造成屏蔽门打火等问题。因此，应对屏蔽门 是否与钢轨等电位连接进行论证。测试中解除屏蔽门与钢轨 之间等电位连接线，使屏蔽门处于悬浮状态，测试正常运营 时，屏蔽门的悬浮电位及屏蔽门与钢轨之间的电位。测试结 果如图13-15测试结果表明，屏蔽门与钢轨等电位连接线拆除后，屏蔽 门处于悬浮状态，对地电位很低，该状态下不会发生打火现 象。但同时，屏蔽门对钢轨之间电位很高，可达到90V人身 安全电压限制。要保证人身安全，必须提髙机车自身车体绝 缘及屏蔽门绝缘3钢轨电位解决方案3.1钢轨电位限制装置与屏蔽门信

21、号联动根据实际波形记录结果分析，在屏蔽门开启时，机车已经 停车，根据测试结果，此时车站位置轨电位较低，轨电位升 高导致OVPD动作的时刻在机车出站加速时，此时屏蔽门已 经关闭，如果屏蔽门与钢轨不采取等电位连接方式，此时乘 客不会接触至轨行区钢轨。根据屏蔽门与钢轨不等电位连接 时门轨电位测试结果，门轨电位大的时刻也为机车出站加速 时，如图16在实际运营中，如果屏蔽门与走行轨非等电位连接，可增 加钢轨电位限制装置的动作条件，在其动作判断条件中增加 屏蔽门动作信号，当屏蔽门打开时钢轨电位限制装置会根据 此时轨道电压值正常动作；屏蔽门关闭时，钢轨电位限制装置不动作钢轨电位限制装置动作判断条件中是否有屏

22、蔽门动作信 号与屏蔽门连接方式有关，如果屏蔽门与走行轨为等电位连 接，则钢轨电位限制装置是否动作不应考虑屏蔽门是否开启3.2钢轨电位限制装置分闸条件改进通过现场实际测试结果得到，钢轨电位限制装置闭锁的主 要原因是由于回流系统暂态参数存在的情况下，装置分闸时 产生的操作过电压超过III段电压设定值，导致其直接合闸 闭锁。该问题导致的闭锁为装置自身操作导致的，应对装置 进行优化控制，避免该种情况的出现通过对直流牵引回流系统暂态模型及产生尖峰过电压的 理论分析，尖峰过电压峰值表达式为：UCmax=B直流牵引回流系统的自身暂态参数电感L与电容C是很难 进行改变的，只有通过降低分闸时刻流经OVPD的流来

23、减 小分闸操作产生的尖峰过电压。因此，对OVPD的控制优化 可通过改进分闸条件实现。如图17所示当OVPD合闸动作完成后，需检测流经OVPD的泄漏电流绝 对值10,如果10值较大，大于分闸电流的整定值I,则OVPD 不应该进行分闸操作，当检测到较小的泄漏电流10时，OVPD 可以进行相应的分闸操作，这样就可以避免过髙尖峰过电压 的产生，减少OVPD不必要的闭锁操作图18所示为OVPD合闸后，流经的电流曲线，根据上述控 制方法，应在电流小于设定值范围内进行分闸操作，电流大 于设定范围时，不可进行分闸操作通过该控制方法，OVPD分闸时产生的操作过电压减小，可 避免因自身操作引起的闭锁问题3. 3电

24、流长距离传输的钢轨电位升高解决方案目前，机车再生制动导致电流长距离传输是导致钢轨电位 升高的主要原因。解决该因素对钢轨电位的影响应限制电流 长距离传输。目前普遍釆用再生制动能量回馈装置或车载超 级电容等装置可以在机车再生制动时，将能量回馈或储存， 不但使能量再生利用，还能抑制再生制动电流长距离传输， 因此，还应针对该方案进行验证。3.4轨电位波形振荡的抑制通过现场实际测试与数据分析，发现轨电位波形存在较大 程度的振荡，如果将该振荡进行抑制，可在一定程度上减小 轨电位的峰值对现场测试得到的轨电位数据进行数字化滤波处理。设置 不同截至频率，得到滤波前后轨电位波形对比如图20-21所 示在沿线装设电

25、容器后，轨地电压的变化趋于平缓，抑制了 轨地电压的极值。当然，增设了电容器后杂散电流也会增大, 但由于通过抑制轨地电压的极值可以减少轨电位的动作，对 应轨电位动作时泄漏的杂散电流，增设电容器增加的杂散电 流是微不足道的3.5排流柜退出运行在实际现场中，当排流柜投入运行时，由于二极管的钳制 作用，使得钢轨电位负电位钳制为零，而正电位升高到原来 的两倍。因此在杂散电流控制在盾化范围内时，将排流柜退 出运行。排流柜投入作为没有其他办法解决时的一种极端措 施3.6其他建议方案轨电位异常升髙是多种原因共同导致，除以上治理方案 外，还应在供电系统设计时尽量减少单边供电问题，在建设 时尽量减小钢轨纵向电阻，

26、增加每行之间与上下行之间的均 流电缆等方式，来抑制钢轨电位异常升高4屏蔽门绝缘及安全解决方案通过对万胜围站的钢轨与屏蔽门、钢轨与大地间的电位的 现场测试，在列车未进站时，屏蔽门对钢轨电位不大于36 V, 小于人体能接受的安全电压，车辆加速驶出期间，屏蔽门与 钢轨电位差升髙，电位能达到钢轨电位限制装置动作值，其 持续时间在510S理论上，屏蔽门绝缘阻值良好，且大于0.5MQ的情况下, 可较好地保护乘客的乘车安全。但由于外部环境、施工等因 素的影响，目前多数屏蔽门绝缘状况不理想，普遍存在绝缘 失效的情况根据万胜围现场测量数据分析推断，屏蔽门与钢轨间不进 行等电位连接，对乘客乘车的安全影响较小，加上

27、钢轨电位 限制装置的保护作用，异常情况下钢轨电位可限制在合理的 范围内，所以屏蔽门与钢轨不作等电位连接，根据目前的测 量数据分析及运行情况，初步判断是可行的。根据测试结果 及分析，屏蔽门的安全解决方案可以有4.1屏蔽门绝缘及安全解决方案一屏蔽门不作绝缘设计、安装，同时对门体集中接地处理本方案中，屏蔽门与土建站台板及土建顶梁间不作绝缘安 装。如图22所示本方案会导致列车与屏蔽门间产生电位差，影响乘客安全 通过。对乘客在乘车时可能碰到的区域采取绝缘处理的方式 解决，该区域包括：门槛板、门楣、立柱装饰板、滑动门、 应急门、后封板等。同时，应对车辆相应区域作绝缘防护处 理，避免因屏蔽门绝缘防护失效，危

28、及乘客安全相对于目前屏蔽门的绝缘方式，该方案具有如下特点： 施工质量容易保障.本方案仅对滑动门区域作绝缘处理，与 其它专业间的接口较少，不会因其它专业的施工影响屏蔽门 整体绝缘效果。整体钢构强度易保障。目前的屏蔽门设计 方案是：钢构立柱底部通过绝缘件与底座相连，顶部通过绝 缘套与上部固定件相连，因绝缘件属于非金属材料，其强度 与金属材料相差较大，因此屏蔽门整体刚度较弱。维护方 便。目前的屏蔽门设计方案中的绝缘件和顶部绝缘套因受周 期性结构压力作用，并受空气氧化等因素的影响，将逐渐老 化，机械性能、绝缘性等降低，因此须定期更换。绝缘件的 更换一般在非运营期钢轨侧作业，作业强度和作业难度较 高。减少杂散电流对车站建筑结构的腐蚀。由于屏蔽门与 钢轨不作等电位连接，可有效避免回流轨杂散电流通过屏蔽 门腐蚀车站建筑结构，确保车站寿命总之，本方案釆用屏蔽门集中接地