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摘要：首先对地铁钢轨电位的产生、危害及钢轨电位限制装置原理进行阐述，随后分析了地铁钢轨电位偏高的原因，最后从加强钢轨电位运行管理方面进行研究，对今后地铁钢轨电位安全运行管理工作有良好的借鉴意义。
关键词：牵引供电；钢轨电位；钢轨；负回流
1钢轨电位的产生及危害
在地铁直流牵引供电系统中，无论是采用架空式接触网还是接触轨式供电，都是利用钢轨作为牵引回流的装置，牵引电流通过钢轨回流到电源的负极，因此，钢轨是牵引供电系统中的重要组成部分。牵引电流从变电所正极出发，经接触网或接触轨、列车、钢轨回流到变电所负极。由于钢轨自身电阻的存在，列车牵引取流时钢轨中有电流通过，就会在钢轨和大地间产生纵向电压，称之为钢轨电位。
钢轨电位主要有以下几方面的危害。
（1）钢轨对地绝缘安装，被用作直流牵引电流的负极回流通路，因此钢轨对地有时存在高电位，当钢轨电位过高，产生超出安全许可的接触电压时，危及人身安全。
（2）列车运行时产生的振动使道岔转辙机固定角钢与钢轨相连处的钢垫板产生位移并接触，造成角钢与钢轨的绝缘失效，牵引负回流经钢轨→角钢→转辙机外壳→接地，引起放电打火花等。屏蔽门与钢轨负回流等电位连接，当钢轨电位升高，屏蔽门对金属装饰材料或建筑金属放电打火花现象，一般发生在屏蔽门与金属装饰材料或建筑金属部分的最小间隙处。
（3）钢轨电位大于90V及以上时，变电所的钢轨电位限制装置按照整定值的要求有效的对地短接，将钢轨电压进行抑制，确保人身和设备的安全。若钢轨电位限制装置拒动或不能可靠的工作时，此时当钢轨电位上升到150V延时0.6s后，电压型框架保护动作，该变电所的直流牵引设备全部跳闸退出运行，影响地铁安全运营。
（4）正常情况下牵引电流通路为：变电所→直流正母线→接触网（轨）→列车→走行轨→负母线→变电所，还有少许泄漏电流通过大地回路回流到直流电源负极。由于钢轨很难做到完全对地绝缘，所以泄漏电流并不是少量的，这样就形成了杂散电流。另外钢轨电位异常升高轨电位动作时，经常会有大量电流流入地网，也形成杂散电流，根据电化学理论，杂散电流对流经的隧道、道床、车站金属结构及附近的金属管线造成不同程度的电腐蚀等问题。
2钢轨电位限制装置原理
地铁在运营中普遍存在钢轨电位偏高的问题，为防止钢轨对地电压过大，威胁人员及乘客安全等事件的发生，在车站及车厂设置钢轨电位限制装置，监测负回流钢轨与地之间的电压，当其电压超过90V时，延时0.8s后将接触器闭合，闭合10s后自动复归，如果在60s内动作3次后永久合闸；当其电压超过150V时，永久合闸。钢轨电位限制装置的动作定值设置与牵引变电所框架泄漏保护配合，以达到保护人身安全和设备安全。地铁钢轨电位限制装置原理接线如图1所示，
图1钢轨电位限制装置示意图
3钢轨电位偏高的原因
在直流1500V牵引供电系统中，电源正极通过接触网（轨）送到列车，负极通过钢轨流回电源负极，牵引供电系统中钢轨采用绝缘安装的方式，系统的理想电流通路如图2所示。
图2直流供电系统电流走向示意图
在正常情况下，系统的回流通路如下：直流正母线→接触网（轨）→列车→钢轨→直流负母线，根据负回流运行特点，钢轨电位电压过高的原因可能有：负回流回路电阻过大，负回流系统绝缘薄弱，列车牵引取流变化，牵引变电所间距、列车运营时刻表等。
3.1负回流回路电阻过大
直流牵引负回流回路由回流轨、回流电缆、均流电缆、钢轨接头接续电缆、道岔接续电缆等组成，若回流系统设置不当或回流系统中的接触电阻增大，将造成回流回路的总电阻增大，从而增大钢轨电位。
3.2钢轨对地过渡电阻过小
一是钢轨与轨枕之间安装垫板或者绝缘垫，减少列车的冲击和振动，同时减少杂散电流的泄漏。但是随着列车的长期运行，绝缘垫会被灰尘污物等覆盖，导致钢轨对地电阻减小，使得泄漏电流增多，钢轨电位也会随之增大。二是为防止接触电压，屏蔽门与钢轨等电位连接，而屏蔽门对地绝缘较为薄弱，相当于有强制性的参考接地点存在，这样会抬高绝缘良好点的钢轨电位电压，引起钢轨电位升高。
3.3列车牵引电流变化
钢轨电位随着负荷电流变化而变化，列车不同方式下取流运行造成钢轨电位变化，在列车启动运行时，钢轨电位沿正方向变化，当列车启动负荷电流增大时，钢轨电位正向增大。相反地，在列车制动时，列车相当于一个直流电源，向DC1500V系统进行反向供电，导致钢轨电位向负方向变化，钢轨电位装置电压随着负荷电流呈现上述规律性变化。
3.4牵引变电所间距
钢轨电位的产生是由于牵引回流电流在钢轨上产生的纵向电压，牵引回流电流的路径越长，钢轨电位越高。当牵引变电所正常双边供电时，牵引所间距符合设计标准，钢轨电位低，当某一牵引所解列退出运行，通过相邻牵引变电所越区大双边供电，此时大双边供电距离长，钢轨电位增加较大，牵引变电所的间距对钢轨电位的高低有一定的影响。
3.5列车运营时刻表
列车运营时刻表是牵引供电系统负荷计算的基础，不同的运营时刻表对钢轨电位有一定影响，如在确定的时刻表中，线路上的1座车站（尤其是未设置牵引变电所的车站）不存在2列列车同时在车站进站、停车、启动的情况，此时只考虑1列列车在该站启动时对钢轨的影响，钢轨电位较低，但在行车高峰期上行和下行均有列车时，可能存在2列列车同时在该车站上下行进站、停车、启动的情况，此时回流电流叠加，钢轨电位升高。
4.钢轨电位偏高的改进措施
钢轨电位异常升高对地铁及周围设施造成损害，甚至对人身安全存在威胁，因此针对导致钢轨电位异常升高的原因，提出了一些相应的改进方法。
（1）增大钢轨对大地的过渡电阻，钢轨与大地之间有绝缘垫、轨枕、道床等，则钢轨对大地的过渡电阻与绝缘垫、轨枕、道床有着密切关系，轨枕、道床的电阻率和导电性与环境有关，改善钢轨周围环境，有助于增大过渡电阻；同时使绝缘垫与轨枕保持洁净，可以增大钢轨与大地的绝缘性能，从而增大过渡电阻。
（2）降低负回流回路的电阻，钢轨的纵向阻抗与其自身材质电气性能有关，当选定钢轨型号以后，纵向电阻很难改变，但是回流通路中存在许多接头，例如：回流电缆与钢轨连接处、道岔的回流连接处、回流电缆与回流负母排以及负母排与负极柜的连接处等。应保证这些接续头的接触良好，在这些有接头连接处适当采用并联电缆的方法，在车站和区间增加均流点及均流电缆，可以减少负回流回路的电阻。
(3)加强与钢轨有接口的屏蔽门和道岔转辙机绝缘部分的检修及维护，确保绝缘状态良好，消除钢轨电位对道岔转辙机、屏蔽门放电打火花等故障。加强对变电所的钢轨电位限制装置的检修和质量要求，当钢轨电位过高时确保准确、灵敏和可靠的动作，将钢轨与地短接，以降低钢轨电位。
(4)优化牵引变电所间距设置和运营时刻表，工程设计时充分考虑正常双边供电及越区供电方式下的钢轨电位高低，避免供电系统正常运行时出现钢轨电位过高的情况，合理设置牵引变电所间距。合理编制运营时刻表，可实现对总牵引电流进行控制，通过调整列车的停站时间，减少多列车启动重合度，降低总牵引电流冲击值，进而降低钢轨电位。
5.结束语
钢轨电位异常升高也属于轨道交通直流牵引供电的一个技术难题，成因相对比较复杂，涉及到钢轨电阻、列车牵引电流、负回流钢轨绝缘、牵引所间距设置等因素，在地铁设计中要考虑到使用时可能出现的轨道状况及运行情况，来进行总体的规划，从而从根本上解决钢轨电位过高的问题，平时需要进行日常维护，或者调节钢轨电位装置进一步降低钢轨电位。
通过分析得出降低钢轨电位的措施，保障了人身安全，也消除了运营的安全隐患，可以在直流牵引供电城市轨道交通中开展应用。
参考文献
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