城市軌道交通中雜散電流的危害及防護

付連著 范季陶

城市軌道交通中雜散電流的危害及防護

付連著*范季陶＊＊

介紹了城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)中雜散電流的產(chǎn)生、危害、破壞機理及防護措施等要素，同時參照國內(nèi)、國際標(biāo)準(zhǔn)的要求對雜散電流防護的評價指標(biāo)和測試方法進行了介紹。

雜散電流;過渡電阻;防護

雜散電流又被稱作迷流，是在城市軌道交通直流牽引供電回流中產(chǎn)生的。它對城市軌道交通系統(tǒng)內(nèi)外金屬設(shè)備、沿途管線會造成一定的危害和影響，尤其會對走行軌、道床鋼筋、結(jié)構(gòu)鋼筋、各種金屬管線等有著很強的腐蝕作用，因此，雜散電流防護成為軌道交通建設(shè)和運營過程中的一項重要內(nèi)容。

1 雜散電流產(chǎn)生的機理

目前城市軌道交通一般采用直流牽引供電，列車電源由牽引變電所提供，通過架空接觸網(wǎng)或接觸軌送向列車，機車受流后通過走行軌回流。雖然在設(shè)計中走行軌對地要求絕緣，但由于走行軌對大地始終存在過渡電阻，因此牽引回流并非全部通過走行軌回流至牽引變電所，而是有一部分通過走行軌雜散流入道床，并由道床流向結(jié)構(gòu)鋼筋、電纜外皮、以及沿線的金屬管線。在變電所附近，這些散在外部的電流又通過金屬管線、道床等媒質(zhì)流回走行軌并最終回到牽引變電所，從而形成了雜散電流，如圖1所示。

腐蝕可分為自然腐蝕和電腐蝕。雜散電流引起的腐蝕屬于電腐蝕，確切的說應(yīng)為電解腐蝕，其原理是由于直流電流在金屬和電解質(zhì)間流動產(chǎn)生的，這是城市軌道交通中金屬腐蝕的主要形式。

當(dāng)雜散電流由圖1中的陽極區(qū)——走行軌和金屬管線流出時，都會發(fā)生失掉電子的氧化反應(yīng)，該部位的金屬就會遭到腐蝕。簡單說來，電流從其中流出進入電解質(zhì)的那部分金屬極易發(fā)生腐蝕。

圖1 雜散電流產(chǎn)生及線路結(jié)構(gòu)示意圖

2 雜散電流的影響和危害

1.雜散電流對城市軌道交通隧道結(jié)構(gòu)鋼筋及道床鋼筋會產(chǎn)生強烈的腐蝕。根據(jù)法拉第電解定律，1A的雜散電流，每年可腐蝕鋼鐵金屬約9.1 kg。如果這種電腐蝕長期存在，將會嚴(yán)重?fù)p壞地鐵附近的各種結(jié)構(gòu)鋼筋和地下金屬管線，降低其使用壽命。

2.雜散電流會破壞鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。雜散電流流過時對混凝土本身并不產(chǎn)生影響，但由于鋼筋的存在，當(dāng)鋼筋受腐蝕時會產(chǎn)生鐵銹等產(chǎn)物，這些產(chǎn)物會大大增加鋼筋本身的體積，從而使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生強大的壓力，促使混凝土結(jié)構(gòu)開裂。

3.雜散電流會腐蝕沿線的金屬地埋管線。由于地埋金屬管線容易聚集雜散電流，故易被腐蝕，應(yīng)在設(shè)計和建造過程中給予重視。另外，雜散電流還會對沿線的地埋通信電纜產(chǎn)生腐蝕破壞作用。

4.雜散電流產(chǎn)生的電壓可造成人身觸電。當(dāng)牽引回流不暢，形成大量的雜散電流流入地中時，會造成鋼軌與結(jié)構(gòu)鋼筋之間電壓的升高，對站臺上的乘客安全構(gòu)成威脅。德國標(biāo)準(zhǔn)VDE0115規(guī)定，該電位差不得超過92 V。

5.若鋼軌(走行軌)局部或整體對地的絕緣特性降低，則會引起鋼軌對大地較大的漏泄電流，使地下雜散電流增大，引起過高的地電位，使某些設(shè)備無法正常工作，也有可能引起牽引變電所的框架保護動作或排流柜熔斷器的保護。

3 雜散電流防護的主要評價指標(biāo)

由于雜散電流對城市建筑和軌道交通系統(tǒng)本身均具有較大的腐蝕和破壞作用，為了有效地限制地鐵雜散電流，降低與消除其不利影響，國家頒布了GJJ49-92《地鐵雜散電流腐蝕防護技術(shù)規(guī)程》，歐洲頒布了EN50122-2:1999標(biāo)準(zhǔn)，對地鐵雜散電流防護的相關(guān)要求作出了詳細(xì)規(guī)定。

3.1 過渡電阻

鋼軌對大地(或道床)的過渡電阻(或?qū)Ъ{)是軌道交通工程雜散電流防護領(lǐng)域驗收檢查時重要的評價指標(biāo)。

標(biāo)準(zhǔn)EN50122-2:1999規(guī)定，對于鐵路系統(tǒng)，鋼軌對大地的導(dǎo)納不應(yīng)超過0.5 S/km，即過渡電阻不應(yīng)小于2Ω·km。對于軌道交通系統(tǒng)，也根據(jù)建設(shè)類別規(guī)定了相應(yīng)的過渡導(dǎo)納限值。

GJJ 49-92《地鐵雜散電流腐蝕防護技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，兼用作回流的地鐵走行軌與隧洞主體結(jié)構(gòu)(或大地)之間的過渡電阻值，對于新建線路不應(yīng)小于15Ω·km，運行線路不應(yīng)小于3Ω·km。

關(guān)于過渡電阻的測試方法，GJJ 49-92規(guī)定走行軌和主體結(jié)構(gòu)之間的過渡電阻值可使用接地電阻測試儀進行測量，測量工作應(yīng)在停電后進行，并應(yīng)斷開相應(yīng)的電氣連接。測試完成后，應(yīng)將各個閉塞區(qū)間過渡電阻的測試結(jié)果，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法(即按并聯(lián)方式計算)折合成1 km長度走行軌的等值過渡電阻值。

標(biāo)準(zhǔn)EN50122-2:1999規(guī)定了2種過渡電阻的測試方法，均為經(jīng)典的電壓電流法(歐姆定律)。一種方法需要斷開相鄰閉塞區(qū)間的鋼軌連接，這種方法的優(yōu)點是測試工作相對簡單，但斷開連接的準(zhǔn)備工作比較復(fù)雜。另一種方法無需斷開鋼軌連接，但需要多塊電流表監(jiān)測各個斷面的流出電流，以便計算出通過道床泄漏的入地電流，該方法注入電流很大，測試電壓較高，測試工作非常復(fù)雜，可在不方便斷開鋼軌連接的時候使用。具體測試方法參見EN50122-2:1999附錄A。

3.2 鋼軌的回流阻抗

鋼軌的回流阻抗應(yīng)盡可能的低，以便使?fàn)恳亓鞅M可能多的暢通流回牽引變電所，減少雜散電流的泄漏。GJJ 49-92規(guī)定:回流走行軌應(yīng)焊接成長鋼軌，其連接質(zhì)量應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，且能滿足相應(yīng)等級鋼軌縱向電阻值的要求。回流走行軌系統(tǒng)中，每處扼流變壓器所增加的電阻值不應(yīng)超過36 m長度軌道的等值電阻。

標(biāo)準(zhǔn)EN50121-2:1999規(guī)定，鋼軌在焊接處或連接處引入的電阻不應(yīng)超過整個縱向電阻的5%。

3.3 監(jiān)測

監(jiān)測可以動態(tài)地評價金屬設(shè)施受雜散電流腐蝕的危害程度。GJJ 49-92規(guī)定:電腐蝕危險性的直接定量指標(biāo)為漏泄電流密度;腐蝕危險性的間接指標(biāo)為漏泄電流引起的結(jié)構(gòu)電位極化偏移(電壓)值，該值應(yīng)取列車運行高峰時間內(nèi)測得的小時平均值。隧洞結(jié)構(gòu)的外表面，受雜散電流腐蝕危害的控制指標(biāo)是由漏泄電流引起的結(jié)構(gòu)電壓偏離其自然電位數(shù)值。對于鋼筋混凝土質(zhì)地鐵主體結(jié)構(gòu)鋼筋，上述極化電壓的正向偏移平均值不應(yīng)超過0.5 V。

4 雜散電流的防護措施

雜散電流的防護設(shè)計應(yīng)采取“以防為主，以排為輔，防排結(jié)合，加強監(jiān)測”的原則。

4.1 防

雜散電流腐蝕防護首先是“以防為主”，其目的是從源頭上根本控制和減小雜散電流漏泄量。具體做法如下。

1.合理的設(shè)置牽引變電所，所間距離不宜過長，同時牽引網(wǎng)采用雙邊供電模式，因為雜散電流值與列車到牽引變電所的距離的平方成正比。

2.加強走行軌對地絕緣，如走行軌下設(shè)置絕緣墊，走行軌對地保持一定間隙，設(shè)置道床排水溝，合理設(shè)置鋼軌下面的道床混凝土層的厚度。

3.保持牽引回路的暢通，使?fàn)恳娏鞅M可能多地通過鋼軌或?qū)ｉT的回流線流回變電所，減少其對地漏泄，進而從根本上減少雜散電流的產(chǎn)生，如采用重鋼軌，降低鋼軌連接處的阻抗，設(shè)置均流線等措施。

4.重視日常維護，如定時清掃線路上的油污、雜物等，保持走行軌的清潔和絕緣水平良好。

5.對地埋金屬管線，應(yīng)采用絕緣方式進行敷設(shè)，如設(shè)置絕緣保護層、絕緣套管等。對于穿越軌道交通系統(tǒng)的管線應(yīng)在系統(tǒng)內(nèi)外接口處設(shè)置絕緣接頭或絕緣法蘭等。必要時，經(jīng)過論證也可采用陰極保護或保護陽極等防護方法。

4.2 排

隨著建成線路運行時間的增加，走行軌對地的絕緣水平會下降，雜散電流有可能會超標(biāo)，此時可以適當(dāng)考慮投入排流裝置，因此在工程建設(shè)時適當(dāng)設(shè)置合理的雜散電流收集網(wǎng)及排流裝置，以便在必要時將雜散電流引回牽引變電所負(fù)極。在城市軌道交通設(shè)計中，通常將道床鋼筋和結(jié)構(gòu)鋼筋用作排流網(wǎng)，收集由鋼軌漏泄出來的雜散電流，并在變電所內(nèi)設(shè)置雜散電流排流柜，當(dāng)監(jiān)測到道床結(jié)構(gòu)鋼筋極化電位值超過設(shè)定數(shù)值時，排流柜投入運行，道床收集網(wǎng)開始排流，使之通過排流網(wǎng)直接流回牽引變電所。排流只能作為一種應(yīng)急手段。

4.3 監(jiān)測

監(jiān)測就是指設(shè)計完備的雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)視、測量雜散電流的大小，為運營維護提供依據(jù)。監(jiān)測的主要內(nèi)容包括漏泄量及極化電位。雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成方式目前可分為分散式和集中式2類。

分散式監(jiān)測系統(tǒng)由測試端子、參比電極、信號電纜、信號盒、便攜式綜合測試裝置構(gòu)成。其監(jiān)測方法是通過便攜式綜合測試裝置，在各個測點分別進行人工測量，主要是測量結(jié)構(gòu)鋼筋極化電壓偏移值和道床鋼筋極化電壓偏移值，最后將測量值匯總在一起，傳送到綜合測試裝置中。

集中式監(jiān)測系統(tǒng)由參比電極、信號電纜、傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、監(jiān)測裝置和上位計算機組成，如圖2。

圖2 雜散電流集中式監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖

集中式監(jiān)測系統(tǒng)是將雜散電流監(jiān)測納入電力監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)統(tǒng)一進行管理。由電力監(jiān)控系統(tǒng)對全線車站及區(qū)間的雜散電流進行監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，并進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、整理和存檔。控制中心調(diào)度員可通過電力監(jiān)控系統(tǒng)的畫面對全線車站及區(qū)間的結(jié)構(gòu)鋼筋極化電壓和道床鋼筋極化電壓的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行查詢，如車站或區(qū)間某點雜散電流(極化電壓)超標(biāo)，系統(tǒng)自動產(chǎn)生報警，提醒調(diào)度員及時處理。目前廣州地鐵、深圳地鐵、武漢地鐵等均采用了集中式雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)。

［1］于松偉，楊興山．城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計原理與應(yīng)用［M］．北京:西南交通大學(xué)出版社，2008．

［2］中華人民共和國建設(shè)部．CJJ49-92雜散電流腐蝕防護技術(shù)規(guī)程［M］．北京:中國計劃出版社，1993．

The paper expounded the generation，risk，damage mechanism，and protection measures of stray current in DC traction system of urban rail transit．Furthermore，the paper introduced the assessment parameters and testingmethods according to domestic and international standards．

Stray current;Transition resistance;Prevention

*中國鐵道科學(xué)研究院科研開發(fā)處助理研究員，100081北京

＊＊中國鐵道科學(xué)研究院通信信號研究所助理研究員，100081北京

2011-10-21

(責(zé)任編輯:張利)