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摘要：分析直流牵引负回流系统各部分的工作原理和功能，对容易出现的典型问题进行分析，并针对如何有效减小系统外泄杂散电流的问题，研究基于极性排流的排流柜的工作原理。
关键词：牵引回流系统；杂散电流；排流柜
1 概述
地铁直流牵引负回流系统是由钢轨、回流电缆、钢轨电位限制装置、单向导通装置、排流柜等组成的，各部分相辅相成，保证牵引电流常规情况和故障情况下都能顺利回流到电源负极。但直流牵引系统杂散电流问题一直是地铁行业难题，为减少杂散电流对城市轨道交通自身及周边设施的腐蚀影响，通过在牵引变电所设置排流柜，将排流网中的杂散回流至负极母线，减少杂散电流对周边的扩散。
2 钢轨及钢轨电位限制装置
2.1 钢轨及其附件
直流牵引供电系统中往往采用钢轨作为负回流导体。机车由接触网（轨）供电，电流经钢轨回流，通过回流电缆流回整流器机组的负母线。钢轨一般选用具有硬度高、耐磨性强等特点的碳锰钢材质，采用无缝焊接方式将钢轨全线连通，钢轨通过扣件采用绝缘方式安装，采取轨道均流的措施将上下行轨道进行有效短接。
2.2 钢轨电位限制装置作用及原理
由于钢轨无法做到完全对地绝缘，且钢轨电阻不可避免的存在，因此当牵引电流通过钢轨回流时，钢轨和地之间存在钢轨对地电位。乘客在进出车厢时会触碰到列车金属车体，双脚在列车与站台之间会产生跨步电压，如果此时钢轨对地电位过高，会危及乘客人身安全。同时，钢轨对地电位过高会使直流框架保护误动作跳闸，影响正常牵引供电。
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图1 钢轨电位限制装置原理图
钢轨电位限制装置的动作整定为：当检测到钢轨电位超过Ⅰ段动作电压时，接触器延时合闸，经一定时间恢复开断；如连续动作3次则闭锁在合闸状态。当检测到钢轨电位大于Ⅱ段动作电压时，接触器无延时合闸，且闭锁在合闸状态。当检测到钢轨电位大于Ⅲ段动作电压时，晶闸管回路首先快速导通，同时接触器合闸且闭锁在合闸状态，将钢轨与大地快速短接，从而保障人身安全和设备安全。
3 杂散电流及其监测系统
3.1杂散电流
随着地铁运行时间的推移，在隧道恶劣的环境下，钢轨与大地间的绝缘电阻将会减小。牵引电流流经钢轨回流至负极时，将会有一部分牵引电流泄漏至大地中的结构钢或管道中，经过地下金属结构回流至牵引变电所负极，此部分泄漏至大地的牵引电流称为杂散电流。杂散电流会对附近的地下金属产生电化学腐蚀，对金属结构有严重的危害。
杂散电流难以直接测量，一般都采用间接的办法来反映杂散电流的腐蚀情况。地铁结构与设备受杂散电流腐蚀的危险性指标，是由结构表面向周围电解质的电流密度和由此引起的电位极化偏移来确定的。而电流密度难以直接测量，只有通过测量电位极化偏移来判断。地铁杂散电流腐蚀主要监测的参数有轨道电位、埋地金属结构的极化电位、轨地过渡电阻和轨道纵向电阻等。
3.2 杂散电流监测系统
杂散电流综合监测系统由参考电极、传感器、监测装置、微机管理系统及通讯电缆构成。可以实时对杂散电流的腐蚀情况进行监视，地铁运营维护人员可根据监测情况采取必要的措施，减少杂散电流的腐蚀，保证地铁的安全运营。
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图3 杂散电流综合监测系统
（1）参考电极
由于杂散电流的极化作用，使得接地极零电位产生偏移，所以不能用接地极作为电压测量的基准点。Mo/MoO3参考电极具有电压稳定、耐极化性能好、使用寿命长、内阻小等特点，完全符合阴极保护工程中对参考电极的要求，可以作为地铁杂散电流极化电压测量的基准点。
（2）智能传感器
为满足杂散电流监测遥测的需要，需要把参考电极与结构钢、轨道与结构钢的模拟信号转换为一定编码的数字信号进行远程传输，传感器主要完成这项工作。传感器是由单片机为核心的智能数据采集系统，通过A/D转换器把两路模拟信号数字化送入单片机，按相应的数学模型计算公式，半小时进行平均值运算，最终结果为杂散电流极化电压。计算得到的数字信号采用总线式485标准通讯，通过智自动监测装置转发，最终送入计算机系统，完成杂散电流的远程在线监测。
（3）智能监测装置
智能监测装置与传感器进行通信联络，并把传感器的信号实时传递到监测中心计算机系统。
（4）微机管理系统
该系统利用微型计算机自动检测地铁杂散电流极化电压、钢轨——结构钢电压的动态参数，并对数据进行自动分析，打印有关报表及曲线，预测地铁设备的杂散电流腐蚀情况。
4 牵引负回流系统典型问题分析
4.1 轨电位升高或超标
当发生接触网对钢轨短路故障，或回流电缆部分或全部由于某种原因不能导电时，由于回流通路不畅，从列车流至钢轨上的电荷将不断的累积，从而引起钢轨电位的抬升。当钢轨电位升高到轨电位限制装置的整定值时，接触器将会闭合将钢轨与变电所内接地网连通，将这部分无法顺利回流的电荷排入地铁接地系统，从而使钢轨电位下降至人体的安全电压以下。这部分非常规回流最终都将在经杂散电流收集装置由排流柜回流至牵引所负极直流母排。
4.2 直流牵引系统短路故障
牵引变电所内的直流牵引供电设备的柜体外壳对地绝缘安装并用电缆连通，形成一个保护人员的框架，该框架在负极柜内经小电阻与变电所接地系统连接。当发生整流器正极对外壳短路、直流开关电气部分对外壳短路时，所有短路电流都将经过负极柜内的小电阻流入接地系统，最后经排流柜回流至牵引所负极直流母排。
4.3 杂散电流增大
轨道对地的过渡电阻大小成为杂散电流扩散的主因。轨道通过绝缘垫与道床衔接，但隧道内异常潮湿的环境甚至积水，还有污秽及绝缘失效等也是原因。轨电位升高及列车取流较大，使得轨电位升高与杂散电流扩散互相交织而形成恶性循环。个别线路发生杂散电流泄漏，长时间会造成对土建主体结构钢筋的腐蚀现象。
5 排流柜的应用
5.1 排流柜的作用及原理
通过截断杂散电流的泄漏即可防止杂散电流腐蚀，但目前完全消除杂散电流的技术难度还很大，而且经济上耗费很高。采用排流法，在道床内铺设钢筋网并进行电气连接，形成排流网，通过电缆连接至排流柜装置，极性排流使电流回流至牵引变电所整流器负极。
排流柜采用极性排流原理，当排流网电位比钢轨电位高时，才有电流通过，为杂散电流提供可靠通路回流至整流器负极，能有效地防止杂散电流对地下金属设备、隧道结构钢筋的电腐蚀破坏，同时也防止杂散电流的进一步扩散，避免继续泄漏扩大危害范围。
5.2 KDPL-2型智能排流柜的应用
KDPL-2型智能排流柜是为地铁（轻轨）减少杂散电流造成的结构钢电化学腐蚀而设计的专用设备。它采用极性排流的原理，即只有当埋地结构钢相对于负母线的电位为正时，才有电流通过，从而减少杂散电流的腐蚀。主回路的主体为一硅二极管，另配以保护和检测电路，排流柜的控制由一单片机控制系统来控制，可以采集排流柜的工作电压和工作电流以及主回路的故障状态，通过RS485接口远传到杂散电流自动监测系统的上位机中，在控制室可实时观察排流柜的工作情况，本装置可与杂散电流自动监测系统配套使用，也可以独立使用。
排流柜装置由主回路和检测控制用的单片机控制系统两部分组成。主回路的核心是由1个硅二极管组成，在主回路中串有一个电阻用于调节排流电流大小，而且还串有一个带辅助接点的快速熔断器和一个分流器，快速熔断器还与并联的ＲＣ回路共同组成了保护系统。单片机控制系统由电流变送电路和开关量变送电路构成输入检测电路，把排流电流转换为数字量送入存储器存储，并实时检测快速熔断器的开关状态，单片机控制系统自身带有数码管和发光二极管显示被测电流和电压及工作状态。
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图4 KDPL-2型排流柜工作原理图
6 结语
在地铁建成并投入运营的初期，泄漏的杂散电流很小，不会造成严重的腐蚀，但随着地铁运营时间的推移，受各种因素的影响，先期的防护措施失效，势必增大了泄漏的杂散电流。此时需要将排流柜投入使用，通过杂散电流监测系统判断杂散电流腐蚀情况，比较严重则需投入排流柜，减少杂散电流对周边的扩散。
参考文献
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