地铁停车场轮对通过绝缘关节过电压问题研究

地铁停车场轮对通过绝缘关节过电压问题研究

王小虎

（佛山市地铁运营有限公司，广东 佛山 528000）

摘  要：针对佛山地铁3号线北滘停车场内出现轮对通过绝缘关节拉弧放电（打火）的安全隐患问题，通过现场设备勘察、数据研究分析等手段，得出造成轮对与钢轨之间打火的根本原因，再提出针对该问题的解决方案，最后通过对解决措施的落实验证了其有效性，彻底解决地铁停车场轮对打火隐患。

关键词：地铁停车场；轮对；过电压

Research on Overvoltage Problem of Wheelsets Passing Through Insulated Joints in Metro Depot

（Foshan Metro Operation Co., Ltd., Foshan 528000, Guangdong）

Abstract：In order to solve the safety hazard of arcing discharge (sparking) between the wheelset and the rail in the Beijiao depot of Foshan Metro Line 3, this  article conducted on-site equipment inspections and data analysis to identify the root cause of the sparking between the wheelset and the rail. Then, this article proposed a solution to address this issue, and finally verified its effectiveness through the implementation of the solution, effectively resolving the potential risk of sparking between the wheelset and the rail in the metro parking lot.

Key words：metro depot; wheelset；overvoltage

0 引言

地铁场段轮对打火问题是地铁运营行业存在的普遍痛点[1]，涉及轨道、车辆、杂散、回流等方面，成因复杂、数据难以量化，库内外设备安全难以兼顾。佛山地铁3号线自运营开通以来，在北滘停车场内多次出现轮对与钢轨之间打火的问题，存在较大安全隐患，本文就该问题进行深入研究分析，并提出了有效的整治措施。

1 问题概述

观察发现列车通过北滘停车场双周月检库前绝缘关节时，轮对与钢轨之间出现打火现象。进一步统计显示，经过该位置的78次列车中有57次列车出现了打火情况，打火率为73.08%。对打火的现象统计汇总，发现以下规律：

（1）列车入库时轮对打火较出库时严重。

（2）无论出库还是入库，打火严重的轮对为列车通过绝缘关节的最后一组轮对。

（3）对单向导通装置的晶闸管进行强制长时间触发试验，在该状态下观察列车通过绝缘关节时，发现列车打火的频次明显减少，且均为轻微打火。

2 数据检测

对北滘停车场双周月检库的负回流设备、单向导通装置设备进行检查，设备安装与图纸相符、状态良好。现场设备数据检测情况如下：

（1）绝缘关节两端电压检测。利用示波器对列车通过绝缘关节时，绝缘关节两端的电压数值的变化情况进行长时间检测，发现电压差值在±0.35V-±0.6V之间，且存在库内钢轨及库外钢轨对地电压为负的情况。

（2）列车通过绝缘关节时电流检测。对列车通过绝缘关节时的电流数据进行在线下载并分析，列车在通过绝缘关节时，其取流电流在120A-502A之间。

（3）列车通过绝缘关节时负极柜电流检测。在开展列车通过绝缘关节时电压电流的检测试验过程中，同时对负极柜后台采集的回流电流信息进行观察，发现电流在200A-500A左右。

3 原因分析

综上设备检查及数据测量研究分析，列车通过双周月检库前的绝缘关节时，电流的路径如下：

3.1列车出库时的电流路径

列车出库前，大部分牵引电流通过单导装置二极管流至库外，并通过库外的回流箱返回至变电所负极柜，少部分电流通过钢轨绝缘薄弱处以及接地极向大地泄露，此时大地可看作一个电容，泄露电流向大地充电。

3.1.1列车出库且前轮接触及离开绝缘关节时的电流路径

当列车出库且前轮接触绝缘关节时，一部分牵引电流开始直接通过列车的第一个轮对流至库外，另一部分牵引电流主要通过单导装置二极管流至库外，少部分牵引电流通过钢轨绝缘薄弱处以及接地极向大地泄露，继续向大地充电。

图1 列车出库前轮接触绝缘关节时的电流路径

当列车第一个轮对离开绝缘关节后，列车通过车体短接绝缘关节两端的钢轨，此时大部分牵引电流通过车体及位于库外的轮对流至钢轨，少部分牵引电流仍通过单导二极管进行回流以及通过泄露对大地充电。

图2 列车出库前轮离开绝缘关节时的电流路径

在轮对从接触绝缘关节到离开绝缘关节瞬间，“库内钢轨-前轮-库外钢轨”这一电流路径被瞬间切断，在轮对与钢轨表面发生以下物理变化过程：

图3 列车轮对离开钢轨瞬间示意图

当列车轮对离开钢轨瞬间，根据电压电流特性，在钢轨与轮对之间会形成过电压（又称瞬间恢复电压），此时轮对为阳极，钢轨为阴极，轮对与钢轨之间将发生类似开关瞬间断开时的打火现象，是否产生打火及打火的强度与流经“库内钢轨-前轮-库外钢轨”这一电流路径的电流强度有关。

3.1.2列车出库且中间轮接触及离开绝缘关节时的电流路径

当列车出库且中间轮对接触绝缘关节时，大部分牵引电流通过车体及轮对流至库外钢轨，其余电流流向变化主要有以下两种情况：

（1）随着大地电容的充电，库内钢轨对地的电位将逐渐降低，直至库内钢轨电位比库外钢轨电位低于0.2V时，此时二极管处于截止状态，牵引电流不再流经单导装置，直接通过车体回流及向大地泄露。

（2）当大地电位比库内钢轨电压高时，库内钢轨对地电压为负值，此时大地将向钢轨反送电流，该部分电流以及库内的牵引回路通过通过“库内钢轨-轮对-库外钢轨”或单导装置二极管回路（此时二极管正向压降需大于0.2V）流至库外。

当列车出库且中间轮对离开绝缘关节时，“库内钢轨-轮对-库外钢轨”这一电流路径将被切断，该过程中，如遇二极管电流通路被截止或大地向钢轨反送电流的情况，流经“库内钢轨-轮对-库外钢轨”通路的电流将增大，轮对与钢轨之间打火的概率及强度将增大。

3.1.3列车出库且后轮接触及离开绝缘关节时的电流路径

当列车出库且后轮接触绝缘关节时，少部分牵引回流及大地反送电流通过 “库内钢轨-轮对-库外钢轨”这一回路流至库外。

当列车出库且后轮离开绝缘关节瞬间，该电流路径被切断，且由于该状态下列车处于加速状态，牵引电流较大，因此后轮离开瞬间打火的频次以及程度较其它轮对要高。

3.2列车入库时的电流路径

列车入库前，牵引电流主要通过库外钢轨流至回流箱再返回变电所。

3.2.1列车入库且前轮接触及离开绝缘关节时的电流路径

当列车入库且前轮接触绝缘关节时，大部分牵引电流通过位于库外的轮对直接流至库外钢轨，小部分牵引回流通过“库外钢轨-轮对-库内钢轨”路径或单导装置的晶闸管（此时库外钢轨电压高于库内，且压差大于晶闸管的触发电压）流至库内，并通过泄露、接地极对大地电容进行充电。

当列车入库且前轮离开绝缘关节时，“库外钢轨-轮对-库内钢轨”的电流路径被切断，此情况下，对库内大地充电的电流主要通过列车前轮及单导装置晶闸管流至库内大地。当库外对库内钢轨的压差小于晶闸管的触发压差时，晶闸管电流通路被截止，此时电流的突变量将增大，轮对与钢轨之间打火的概率将提高。

3.2.2列车入库且中间轮接触及离开绝缘关节时的电流路径

列车入库且中间轮对接触及离开绝缘关节的过程中，存在以下几种情况：

（1）当库内电压高于库外电压且大于0.2V时，晶闸管反向导通被截止，此时库内的牵引回流通过二极管、“库内钢轨-轮对-库外钢轨”路径以及车体流至库外钢轨，当轮对离开绝缘关节时，“库内钢轨-轮对-库外钢轨”路径被切断，由于仍存在二极管及车体电流路径，此时轮对打火的概率及打火的强度较低。

（2）当库外电压高于库内电压但小于晶闸管触发电压或库内电压高于库外电压，但电压差小于0.2V时，单导装置二极管及晶闸管均处于截止状态，牵引回流仅通过车体路径及“库内钢轨-轮对-库外钢轨”路径留至库外，若此时大地电位比库内钢轨电位高，以上电流路径还存在大地向钢轨反送的电流，当轮对离开绝缘关节时，“库内钢轨-轮对-库外钢轨”路径被切断，由于电流路径减少，且存在大地反送电流的影响，此时轮对有较大的概率出现打火。

（3）当库外电压比库内电压高，且大于晶闸管的触发电压时，部分牵引回流通过“库外钢轨-轮对-库内钢轨”路径、库内轮对及晶闸管回路流至库内对大地电容进行充电，当列车轮对离开绝缘关节时，“库外钢轨-轮对-库内钢轨”路径被切断，由于仍存在晶闸管及车体电流路径对大地进行充电，此时轮对打火的概率及打火的强度较低。

3.2.3列车入库且后轮接触及离开绝缘关节时的电流路径

当列车入库且最后一个轮对接触绝缘关节时，大部分牵引回流以及大地反送电流通过 “库内钢轨-轮对-库外钢轨”路径以流至库外。

当列车入库且后轮对离开绝缘关节瞬间，“库内钢轨-轮对-库外钢轨”路径被切断，由于流经该路径的电流较大，因此后轮离开瞬间，轮对与钢轨打火的概率较高，打火强度较大。

4 研究结论

综上电流电压数据检测情况及列车出入库的电流变化分析，导致轮对离开绝缘关节时产生打火的因素主要有：

（1）钢轨对地之间存在泄露电流，影响库内外钢轨对地电位的稳定。

（2）列车通过绝缘关节时，库内钢轨与库外钢轨之间的压差出现不满足二极管或晶闸管导通的情况，该情况导致列车轮对离开绝缘关节瞬间，加剧了电流的突变。

（3）当大地电位比库内钢轨电位高时，大地将向钢轨反送电流，该情况使得列车轮对离开绝缘关节瞬间，被切断的电流增大。

因此，通过稳定电流的通路路径，是目前减少轮对与钢轨打火的关键。

5 解决措施

为减少轮对与钢轨打火情况的出现，考虑通过以下方案解决：

（1）安装新型设备——响应式单向导通装置[2]。该设备的智能消弧及远程控制技术，保证在列车通过绝缘节时，不会产生电弧而烧损轨道。该方案整治效果最好，但成本较高，且需全盘淘汰现有设备，性价比不高。

（2）长期对单向导通装置合闸。该方案成本最低无需做设备改造，但加大了检修库杂散电流，对库内检修人员人身安全存在隐患。

（3）采用光电传感器式[3]单向导通装置。光电传感器的作用主要用于通过红外对射检测车辆是否通过该区域，如检测到车辆有通过，则触发单向导通装置动作，晶闸管反向导通。该方案可在现有设备上进行改造，改动小且性价比高。

综合考量上述方案的安全性、有效性及性价比，选择采用方案三。在完成北滘停车场双周月检库前单向导通装置光电传感器的加装后，对228次通过该位置绝缘关节的列车进行观察，发现存在轮对打火的列车2次，打火率0.87%，较改造前降低72.21%，且均为轻微打火，打火情况大大得到改善。

6 结语

本文对佛山地铁3号线北滘停车场轮对打火问题进行了深入的研究，通过现场设备勘察、数据研究分析等手段，对造成轮对与钢轨之间打火的问题进行了剖析，得出了造成该问题的根本原因，再提出解决问题的方案，最后通过对解决措施的落实验证了其有效性，彻底解决轮对打火隐患，为行业内解决轮对打火问题提供案例思路。

[参考文献]

[1]王宝顺.地铁车辆段/停车场的杂散电流打火问题分析及回流系统优化[J].城市轨道交通研究,2020,23(11):160-163

[2]何竹君.地铁车辆基地回流系统杂散电流防护措施改进[J].国防交通工程与技术,2024,22(2):93-96

[3]常巍.光电传感器的应用研究[J].通信电源技术,2023,40(3):121-123