城市軌道交通雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其應(yīng)用

李 磊

(中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司城鐵公司 北京 100036)

城市軌道交通雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其應(yīng)用

李 磊

(中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司城鐵公司 北京 100036)

以深圳軌道交通5號(hào)線為背景，闡述雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和結(jié)構(gòu)，分析監(jiān)測(cè)內(nèi)容的依據(jù)和測(cè)量原理，對(duì)雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要設(shè)備的功能、結(jié)構(gòu)和接線進(jìn)行具體描述。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)有助于運(yùn)營(yíng)部門(mén)及時(shí)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(cè);軌電位

1 軌道交通雜散電流概述

深圳地鐵5號(hào)線是深圳市政府承辦2011年第26屆世界大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)配套的城市軌道交通項(xiàng)目，西起前海灣，東至黃貝嶺，全長(zhǎng)40 km，共設(shè)27座車(chē)站，1個(gè)車(chē)輛段和1個(gè)停車(chē)場(chǎng)，是深圳軌道交通二期工程中里程最長(zhǎng)、工期最緊、技術(shù)復(fù)雜程度最高的地鐵項(xiàng)目。

深圳地鐵5號(hào)線采用的運(yùn)行列車(chē)是以直流1 500 V電力作為牽引動(dòng)力的。由于鋼軌很難做到完全的對(duì)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(guò)鋼軌與大地之間的絕緣不良點(diǎn)流入大地，再通過(guò)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(méi)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(gè)供電區(qū)間的兩個(gè)牽引變電所向機(jī)車(chē)提供的電流，I3和I4分別為通過(guò)走行軌向兩個(gè)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(hù)不當(dāng)，嚴(yán)重時(shí)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(huì)破壞混凝土的整體性，降低其使用強(qiáng)度和耐久性，給軌道交通安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)嚴(yán)重威脅。因此，有必要對(duì)雜散電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

深圳地鐵5號(hào)線工程雜散電流監(jiān)測(cè)防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)按照“以防為主，以排為輔，防排結(jié)合，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)”的原則進(jìn)行，包括“防、排、測(cè)”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(duì)地過(guò)渡電阻，抑制回流軌對(duì)地電流漏泄值，這是雜散電流腐蝕防護(hù)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(cè)”——設(shè)置完備的雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)雜散電流泄漏量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為雜散電流的防護(hù)提供依據(jù)。

雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用集中式監(jiān)測(cè)的方式，由參比電極、道床收集網(wǎng)測(cè)試端子、隧道收集網(wǎng)測(cè)試端子、傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)接器、通信電纜、監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

由圖2可見(jiàn)，設(shè)置在軌道交通沿線監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(guò)專(zhuān)用數(shù)據(jù)傳輸通道，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)接器上傳到監(jiān)測(cè)裝置，再匯總到雜散電流計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要測(cè)量?jī)?nèi)容

雜散電流監(jiān)測(cè)防護(hù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)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(cè)量原理

地鐵軌道漏出來(lái)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(lái)確定。CJJ 49—92《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》中的 3.0.5 條規(guī)定:“對(duì)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(guò) 500 mV?！保?］結(jié)構(gòu)鋼極化電位的測(cè)量原理如圖3 所示［5］。

當(dāng)機(jī)車(chē)停止運(yùn)行時(shí)，U2=0，所測(cè)電壓U1為參比電極的自然本體電位;當(dāng)機(jī)車(chē)運(yùn)行時(shí)，所測(cè)電壓為(U2－U1)。比較兩次的測(cè)量結(jié)果，可以計(jì)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(cè)量結(jié)構(gòu)鋼極化電壓時(shí)提供基準(zhǔn)電位，但是其本體電位會(huì)隨著時(shí)間的增加而下降，當(dāng)下降到一定值時(shí)會(huì)影響測(cè)量的精度。因此，需要監(jiān)測(cè)參比電極的本體電位，當(dāng)其值過(guò)低時(shí)需更換參比電極。

3.3 軌構(gòu)電壓

軌道與站臺(tái)間(鋼軌與結(jié)構(gòu)鋼間)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)異常電壓。為了保護(hù)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(guò)92 V?！?/p>

另外，軌構(gòu)電壓還是計(jì)算鋼軌縱向電阻和軌地過(guò)渡電阻的重要依據(jù)，是考察軌道運(yùn)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(cè)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(cè)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(dòng)、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，適用于較干燥混凝土結(jié)構(gòu)測(cè)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(dòng)接收監(jiān)測(cè)裝置發(fā)出的參比電極本體的電位校正信號(hào)，進(jìn)行參比電極本體電位的自動(dòng)校正。當(dāng)參比電極發(fā)生故障時(shí)，能自動(dòng)發(fā)出參比電極的故障信息。

4.3 信號(hào)轉(zhuǎn)接器

信號(hào)轉(zhuǎn)接器主要用于傳感器與監(jiān)測(cè)裝置間信號(hào)的傳輸轉(zhuǎn)換，保證信號(hào)遠(yuǎn)距離地正常傳輸，其接線如圖6所示。

4.4 監(jiān)測(cè)裝置

監(jiān)測(cè)裝置連接信號(hào)轉(zhuǎn)接器和雜散電流監(jiān)控終端，與傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)接器組成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò);收集傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并完成相應(yīng)參數(shù)的計(jì)算;可以保存一定時(shí)期的歷史數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)和報(bào)警信息上傳至雜散電流監(jiān)控終端。

4.5 計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)

圖5 傳感器接線

圖6 信號(hào)轉(zhuǎn)接器接線

雜散電流的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)由工業(yè)控制機(jī)、激光打印機(jī)、管理軟件和UPS組成，通過(guò)RS 485現(xiàn)場(chǎng)總線和監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行通信，完成整個(gè)雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，并可通過(guò)通信接口和SCADA系統(tǒng)通信，上傳報(bào)警信息。管理軟件具有歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)、打印、數(shù)據(jù)分析處理、趨勢(shì)分析等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)超限自動(dòng)報(bào)警，提示工作人員進(jìn)行相應(yīng)的處理。

5 結(jié)語(yǔ)

雜散電流監(jiān)測(cè)防護(hù)對(duì)于地鐵的長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)非常重要，是軌道交通建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中必須重視的一項(xiàng)內(nèi)容。在雜散電流監(jiān)測(cè)防護(hù)工程中，關(guān)鍵在于前期對(duì)雜散電流的“源控制”，要加強(qiáng)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(yùn)營(yíng)后，應(yīng)該重視雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，及時(shí)監(jiān)測(cè)分析相關(guān)的數(shù)據(jù)，及時(shí)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(hào)線工程為例，介紹了雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理及各項(xiàng)設(shè)備的功能。該系統(tǒng)可以幫助運(yùn)營(yíng)部門(mén)及時(shí)掌握軌道交通工程的雜散電流狀況，可為類(lèi)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(cè)防護(hù)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(hù)措施［J］，天津理工學(xué)院學(xué)報(bào)，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(hù)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(jī)理及其防護(hù)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.城市軌道交通研究，2001(1):63-65.

［8］馬永儒.基于虛擬儀器技術(shù)的雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.城市軌道交通研究，2005(2):77-78.

［9］徐光強(qiáng).大連快軌3號(hào)線雜散電流現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案及應(yīng)用［J］.繼電器，2003(9):40-42.

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(jiǎn)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)