城市軌道交通雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)及其應(yīng)用

李 磊

(中鐵電氣化局集團有限公司城鐵公司 北京 100036)

城市軌道交通雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)及其應(yīng)用

李 磊

(中鐵電氣化局集團有限公司城鐵公司 北京 100036)

以深圳軌道交通5號線為背景，闡述雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計原則和結(jié)構(gòu)，分析監(jiān)測內(nèi)容的依據(jù)和測量原理，對雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)主要設(shè)備的功能、結(jié)構(gòu)和接線進行具體描述。實踐表明，該系統(tǒng)有助于運營部門及時掌握雜散電流的泄漏情況，采取有效措施，以降低雜散電流的危害。

軌道交通;雜散電流;監(jiān)測;軌電位

1 軌道交通雜散電流概述

深圳地鐵5號線是深圳市政府承辦2011年第26屆世界大學(xué)生運動會配套的城市軌道交通項目，西起前海灣，東至黃貝嶺，全長40 km，共設(shè)27座車站，1個車輛段和1個停車場，是深圳軌道交通二期工程中里程最長、工期最緊、技術(shù)復(fù)雜程度最高的地鐵項目。

深圳地鐵5號線采用的運行列車是以直流1 500 V電力作為牽引動力的。由于鋼軌很難做到完全的對地絕緣，所以牽引電流并非全部由鋼軌流回牽引變電所，而是部分通過鋼軌與大地之間的絕緣不良點流入大地，再通過埋地設(shè)施等途徑流回鋼軌并返回牽引變電所，從而形成沒有任何規(guī)律的雜散電流［1］。如圖1所示，I1和I2分別為一個供電區(qū)間的兩個牽引變電所向機車提供的電流，I3和I4分別為通過走行軌向兩個牽引變電所回流的電流，I5和I6分別為泄漏到地下的雜散電流。

圖1 雜散電流的形成

由于雜散電流的作用，引起金屬產(chǎn)生電解形式的腐蝕，而且在金屬表面常呈現(xiàn)深度的穿孔狀腐蝕。若防護不當(dāng)，嚴重時還可能發(fā)生管道漏泄，造成災(zāi)難性損失，此外結(jié)構(gòu)鋼筋的腐蝕會破壞混凝土的整體性，降低其使用強度和耐久性，給軌道交通安全運營帶來嚴重威脅。因此，有必要對雜散電流進行監(jiān)測，及時采取有效措施，確保軌道交通主體結(jié)構(gòu)及周邊設(shè)施的安全［2］。

2 雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

深圳地鐵5號線工程雜散電流監(jiān)測防護系統(tǒng)的設(shè)計按照“以防為主，以排為輔，防排結(jié)合，加強監(jiān)測”的原則進行，包括“防、排、測”三方面內(nèi)容。

“防”——隔離、控制所有雜散電流可能的泄漏途徑，盡量減小回流系統(tǒng)的阻抗，提高回流軌對地過渡電阻，抑制回流軌對地電流漏泄值，這是雜散電流腐蝕防護的根本所在［3］。

“排”——設(shè)置排流網(wǎng)，科學(xué)使用排流柜，使雜散電流有通暢的排流通路。

“測”——設(shè)置完備的雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)，對雜散電流泄漏量進行監(jiān)測，為雜散電流的防護提供依據(jù)。

雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)采用集中式監(jiān)測的方式，由參比電極、道床收集網(wǎng)測試端子、隧道收集網(wǎng)測試端子、傳感器、信號轉(zhuǎn)接器、通信電纜、監(jiān)測裝置和雜散電流監(jiān)控終端構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

由圖2可見，設(shè)置在軌道交通沿線監(jiān)測點的傳感器，將采集到的結(jié)構(gòu)鋼極化電壓和軌構(gòu)電壓，通過專用數(shù)據(jù)傳輸通道，經(jīng)信號轉(zhuǎn)接器上傳到監(jiān)測裝置，再匯總到雜散電流計算機管理系統(tǒng)。

3 監(jiān)測系統(tǒng)主要測量內(nèi)容

雜散電流監(jiān)測防護系統(tǒng)實時測量以下參數(shù)。

3.1 結(jié)構(gòu)鋼筋極化電壓正向偏移平均值

圖3 結(jié)構(gòu)鋼極化電位測量原理

地鐵軌道漏出來的雜散電流能否引起隧洞結(jié)構(gòu)鋼筋的腐蝕，需要以雜散電流引起結(jié)構(gòu)鋼筋的極化電壓偏移值來確定。CJJ 49—92《地鐵雜散電流腐蝕防護技術(shù)規(guī)程》中的 3.0.5 條規(guī)定:“對于鋼筋混凝土地鐵主體結(jié)構(gòu)的鋼筋，極化電壓30分鐘內(nèi)的正向偏移平均值不得超過 500 mV。”［4］結(jié)構(gòu)鋼極化電位的測量原理如圖3 所示［5］。

當(dāng)機車停止運行時，U2=0，所測電壓U1為參比電極的自然本體電位;當(dāng)機車運行時，所測電壓為(U2－U1)。比較兩次的測量結(jié)果，可以計算出結(jié)構(gòu)鋼極化電壓U2=(U2－U1)+U1。

3.2 參比電極本體電位

參比電極用于在測量結(jié)構(gòu)鋼極化電壓時提供基準(zhǔn)電位，但是其本體電位會隨著時間的增加而下降，當(dāng)下降到一定值時會影響測量的精度。因此，需要監(jiān)測參比電極的本體電位，當(dāng)其值過低時需更換參比電極。

3.3 軌構(gòu)電壓

軌道與站臺間(鋼軌與結(jié)構(gòu)鋼間)有時會出現(xiàn)異常電壓。為了保護乘客和鐵路員工的安全，使他們免遭鋼軌與結(jié)構(gòu)鋼間接觸電壓的傷害，標(biāo)準(zhǔn)VDE0115第一部分(6/82)規(guī)定:“軌道與結(jié)構(gòu)鋼間的電位差(軌構(gòu)電壓)不得超過92 V?！?/p>

另外，軌構(gòu)電壓還是計算鋼軌縱向電阻和軌地過渡電阻的重要依據(jù)，是考察軌道運行狀態(tài)和軌地絕緣狀況的重要參數(shù)。

4 雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備

4.1 參比電極

圖4 參比電極外形尺寸

參比電極安裝(埋設(shè))在整體道床、地下結(jié)構(gòu)側(cè)壁，用于測試雜散電流引起隧道、整體道床內(nèi)的結(jié)構(gòu)鋼筋電位，從而反映結(jié)構(gòu)鋼筋的腐蝕情況。本工程采用氧化鉬參比電極，具有體積小、電位穩(wěn)定、耐震動、長壽命的特點，適用于較干燥混凝土結(jié)構(gòu)測試，其外形尺寸如圖4所示。

4.2 傳感器

傳感器主要完成結(jié)構(gòu)鋼極化電壓和軌構(gòu)電壓的數(shù)據(jù)采集，其接線如圖5所示。當(dāng)接觸網(wǎng)停電后，傳感器能自動接收監(jiān)測裝置發(fā)出的參比電極本體的電位校正信號，進行參比電極本體電位的自動校正。當(dāng)參比電極發(fā)生故障時，能自動發(fā)出參比電極的故障信息。

4.3 信號轉(zhuǎn)接器

信號轉(zhuǎn)接器主要用于傳感器與監(jiān)測裝置間信號的傳輸轉(zhuǎn)換，保證信號遠距離地正常傳輸，其接線如圖6所示。

4.4 監(jiān)測裝置

監(jiān)測裝置連接信號轉(zhuǎn)接器和雜散電流監(jiān)控終端，與傳感器、信號轉(zhuǎn)接器組成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò);收集傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并完成相應(yīng)參數(shù)的計算;可以保存一定時期的歷史數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)和報警信息上傳至雜散電流監(jiān)控終端。

4.5 計算機管理系統(tǒng)

圖5 傳感器接線

圖6 信號轉(zhuǎn)接器接線

雜散電流的計算機管理系統(tǒng)由工業(yè)控制機、激光打印機、管理軟件和UPS組成，通過RS 485現(xiàn)場總線和監(jiān)測裝置進行通信，完成整個雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，并可通過通信接口和SCADA系統(tǒng)通信，上傳報警信息。管理軟件具有歷史數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計、打印、數(shù)據(jù)分析處理、趨勢分析等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)超限自動報警，提示工作人員進行相應(yīng)的處理。

5 結(jié)語

雜散電流監(jiān)測防護對于地鐵的長期安全運營非常重要，是軌道交通建設(shè)和運營中必須重視的一項內(nèi)容。在雜散電流監(jiān)測防護工程中，關(guān)鍵在于前期對雜散電流的“源控制”，要加強軌道的絕緣，減小供電區(qū)間的距離，合理選擇結(jié)構(gòu)鋼筋的截面積，保證全線結(jié)構(gòu)鋼筋的可靠連接，等等。在軌道交通運營后，應(yīng)該重視雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，及時監(jiān)測分析相關(guān)的數(shù)據(jù)，及時采取有效措施，將雜散電流的危害降低到最小。

本文以深圳地鐵5號線工程為例，介紹了雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理及各項設(shè)備的功能。該系統(tǒng)可以幫助運營部門及時掌握軌道交通工程的雜散電流狀況，可為類似工程提供借鑒。

［1］張健，夏文忠.地鐵牽引供電工程中的雜散電流監(jiān)測防護系統(tǒng)［J］.電氣化鐵道，2003(5):47-49.

［2］高敬宇，易凡，地鐵及輕軌雜散電流腐蝕的防護措施［J］，天津理工學(xué)院學(xué)報，1996，12(1):32-36.

［3］EN50122-2 Protective provisions against the effects of stray currents caused by DC traction systems［S］.Kingdom，2003.

［4］CJJ 49—92地鐵雜散電流腐蝕防護技術(shù)規(guī)程［S］.北京:北京市地下鐵道科學(xué)技術(shù)研究所，1993.

［5］Jin M，Mu L H.A novel on-line monitoring device of stray current in DC rail transit systems［C］//2006 International Conference on Power System Technology.Chongqing，2006.

［6］吳祥祖，張慶賀，高衛(wèi)平.地鐵雜散電流產(chǎn)生機理及其防護措施［J］.建筑安全，2003(5):28-30.

［7］趙煜，李威.廣州地鐵雜散電流實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用［J］.城市軌道交通研究，2001(1):63-65.

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Urban Rail Transit Stray Current Monitoring System and Its Application

Li Lei
(Urban Railway Company，China Railway Electrification Bureau Group，Beijing 100036)

Abstract:With Line 5 of Shenzhen rail transit as the background，the paper introduces the design principles and structure of stray current monitoring system，analyzes the basis of monitoring contents and monitoring principles，and elaborates the functions， structure， wiring method of main equipment.Practice indicated that the stray current monitoring system is helpful for the operation department to manage the leakage conditions of stray current in time，and to take effective measures to alleviate the harm of stray current.

Key words:rail transit;stray current;monitoring;rail potential

U29-39

A

1672-6073(2012)02-0099-03

10.3969/j.issn.1672-6073.2012.02.025

收稿日期:2011-07-28

2011-09-01

作者簡介:李磊，男，碩士，工程師，從事軌道交通供電系統(tǒng)的研究，eeblei@163.com

(編輯:郭 潔)