城市軌道交通雜散電流防護(hù)設(shè)計(jì)、施工及維護(hù)方案研究

張寬發(fā)

城市軌道交通雜散電流防護(hù)設(shè)計(jì)、施工及維護(hù)方案研究

張寬發(fā)

分析城市軌道交通雜散電流產(chǎn)生的原因和雜散電流對城軌設(shè)備、設(shè)施等方面的危害，提出雜散電流防護(hù)設(shè)計(jì)、施工方案，并根據(jù)以往的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)提出合理的城市軌道交通雜散電流防護(hù)系統(tǒng)運(yùn)營維護(hù)方案，這對降低運(yùn)營成本以及消除雜散電流腐蝕帶來的危害具有積極的意義。

城市軌道交通；雜散電流；設(shè)計(jì)；施工；運(yùn)營維護(hù)

0 引言

城市軌道交通在給人民生活帶來方便的同時(shí)，也出現(xiàn)一些不容忽視的問題，如列車在運(yùn)行期間產(chǎn)生的雜散電流腐蝕問題。

在城市軌道交通建成投入運(yùn)營的初期，走行軌與道床之間的絕緣程度較高，由走行軌泄漏到大地中的雜散電流也較少。隨著城市軌道交通運(yùn)營年限的增加，運(yùn)營環(huán)境受到不可避免的污染、列車對軌道的作用力等因素的影響，造成走行軌對地絕緣性能降低，使先期防護(hù)措施失效，這樣就有大量雜散電流泄漏到周圍的土壤介質(zhì)中去。由于城市軌道交通雜散電流產(chǎn)生的問題十分突出，如香港曾因軌道交通雜散電流引起煤氣管道的腐蝕穿孔而造成煤氣泄漏的事故，北京、天津軌道交通也存在著水管被雜散電流腐蝕穿孔的情況。在國外，如日本、美國、法國、意大利、英國、加拿大和俄羅斯等國的城市軌道交通也存在雜散電流腐蝕的問題。分析雜散電流的形成及危害，提出雜散電流防護(hù)設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營維護(hù)方案，為后續(xù)的城市軌道交通雜散電流防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營維護(hù)提供參考依據(jù)，這將對減少雜散電流腐蝕帶來的危害具有積極的意義。

1 雜散電流的形成和危害

1.1 雜散電流的形成

目前我國城市軌道交通供電系統(tǒng)基本采用直流牽引供電方式，所需牽引電流由牽引變電所提供，通過接觸網(wǎng)（架空線或接觸軌）向列車送電，然后經(jīng)走行軌回流至牽引變電所。由于走行軌的絕緣材料埋在地下，不可能做到完全對地絕緣，并且隨著城市軌道交通的運(yùn)營，道床受到污染，道床與鋼軌之間的過渡電阻日益減少，就不可避免有電流從鋼軌泄漏至道床結(jié)構(gòu)及車站、隧道等其他結(jié)構(gòu)和金屬管線中，這些泄漏電流就稱為雜散電流。

1.2 雜散電流的危害

雜散電流會(huì)對城市軌道交通中的電氣設(shè)備、設(shè)施的正常運(yùn)行造成不同程度的影響，對隧道、道床的結(jié)構(gòu)鋼和附近的金屬管線造成危害。主要表現(xiàn)如下。

（1）在雜散電流由混凝土進(jìn)入鋼筋之處，鋼筋呈陰極，如果陰極析氫且氫氣不能從混凝土逸出，就會(huì)形成等靜壓力，使鋼筋與混凝土脫開。如有鈉或鉀的化合物存在，則電流的通過會(huì)在鋼筋與混凝土的界面處產(chǎn)生可溶的堿式硅酸鹽或鋁酸鹽，使結(jié)合強(qiáng)度顯著降低。在電流離開鋼筋返回混凝土的部位，鋼筋呈陽極發(fā)生腐蝕，腐蝕產(chǎn)物在陽極處的堆積會(huì)以機(jī)械作用排擠混凝土而使之開裂，從而發(fā)生破壞土建結(jié)構(gòu)的重大隱患。

（2）城市軌道交通系統(tǒng)內(nèi)的埋地管線主要有消防水管、電氣管線等，在系統(tǒng)外則可能有煤氣管線、石油管線、自來水管線等公用事業(yè)管線以及各種電纜管線等。據(jù)調(diào)查這些管線不同程度地存在雜散電流電腐蝕問題，有些鐵管在數(shù)年內(nèi)甚至數(shù)月內(nèi)即發(fā)生點(diǎn)蝕。

（3）若雜散電流流入電氣接地裝置，將引起過高的接地電位，使某些設(shè)備無法正常工作。同時(shí)接地的各類設(shè)備機(jī)架上形成高電位，危及設(shè)備和人員的安全。

2 雜散電流防護(hù)設(shè)計(jì)方案

雜散電流防護(hù)是一項(xiàng)綜合性的工程，需要各專業(yè)之間緊密配合?？傮w的設(shè)計(jì)方案如下。

2.1 牽引回流系統(tǒng)

（1）牽引回流系統(tǒng)由鋼軌、負(fù)回流電纜、上下行均流電纜等組成。

（2）正線采用60 kg/m的鋼軌，車場線盡量采用60 kg/m的鋼軌。

（3）連接牽引變電所負(fù)母排至上下行鋼軌的負(fù)回流電纜采用400 mm2或800 mm2截面銅電纜。各牽引變電所的負(fù)回流電纜根數(shù)應(yīng)根據(jù)牽引供電系統(tǒng)仿真確定。

（4）在正線各車站兩端上下行鋼軌間設(shè)置均流電纜，但在有負(fù)回流電纜的一端，上下行鋼軌間不再設(shè)均流電纜；另外，若上下行隧道有區(qū)間逃生通道，則利用該通道設(shè)置上下行均流電纜。均流電纜選擇2根150 mm2截面的銅電纜。

（5）隨著信號系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展，不再采用鋼軌作為信號系統(tǒng)的通路。此時(shí)鋼軌僅僅作為列車行駛通道和牽引回流通路，為了回流更加暢通，同一行的2根鋼軌每隔200 m設(shè)1處均流電纜。均流電纜選擇2根150 mm2截面的銅電纜。

2.2 排流系統(tǒng)

（1）將整體道床（或浮制板道床）結(jié)構(gòu)鋼筋按一定要求焊接，作為主要雜散電流收集網(wǎng)。

（2）將隧道結(jié)構(gòu)鋼筋按一定要求焊接，作為隧道輔助雜散電流收集網(wǎng)。

（3）從車站的兩端進(jìn)出站附近的結(jié)構(gòu)鋼筋引出雜散電流防護(hù)測量端子，測量端子采用長50 mm、寬50 mm、厚5 mm的T2扁銅，測量端子的引出方式與連接端子相同。

（4）在牽引變電所附近設(shè)置道床及隧道結(jié)構(gòu)鋼筋的排流端子，以便將雜散電流收集網(wǎng)連接至牽引變電所內(nèi)排流柜。

（5）牽引變電所設(shè)置排流柜。根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)對雜散電流腐蝕狀況的監(jiān)測結(jié)果判斷其是否投入運(yùn)行。

2.3 監(jiān)測系統(tǒng)

集中式雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)由參考電極、道床收集網(wǎng)測防端子、傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器、測試電纜及雜散電流綜合測試裝置構(gòu)成。

在每個(gè)測試點(diǎn)，將參考電極端子和測防端子接至傳感器，將該車站區(qū)段內(nèi)的上下行傳感器通過測試電纜連接到位于車站內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器將處理后的數(shù)據(jù)通過通信電纜傳送到雜散電流綜合監(jiān)測裝置，對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

2.4 車輛段雜散電流防護(hù)方案

（1）車輛段一般采用碎石道床，雜散電流防護(hù)主要是設(shè)計(jì)暢通的回流，減少雜散電流的產(chǎn)生，同時(shí)阻止回流電流流進(jìn)車庫。

（2）通過恰當(dāng)設(shè)置回流點(diǎn)和均流電纜來降低鋼軌電位以減少雜散電流的泄漏。

（3）車輛段內(nèi)線路與正線之間、車輛段各種電化庫內(nèi)線路與庫外線路之間設(shè)置鋼軌絕緣結(jié)并裝設(shè)單向?qū)ㄑb置。

（4）車輛段內(nèi)電化股道和非電化股道之間、電化股道盡頭線與車檔設(shè)備之間設(shè)置鋼軌絕緣結(jié)。

（5）在車輛段靜調(diào)庫內(nèi)，各鋼軌通過均流電纜直接接地。在檢修庫和停車庫，鋼軌通過鋼軌電位限制裝置接地。

3 雜散電流防護(hù)系統(tǒng)施工方案

雜散電流防護(hù)系統(tǒng)具有安裝位置比較分散、技術(shù)含量相對較高的特點(diǎn)。根據(jù)該系統(tǒng)工程的特點(diǎn)制訂相應(yīng)的施工方案如下。

3.1 施工調(diào)查及準(zhǔn)備

3.1.1 施工圖紙審核

根據(jù)雜散電流監(jiān)測點(diǎn)布置及測量電纜的路徑走向圖，熟悉雜散電流防護(hù)系統(tǒng)參考電極、傳感器、轉(zhuǎn)接器、監(jiān)測裝置之間接線以及整個(gè)系統(tǒng)的組成；核對設(shè)計(jì)圖紙內(nèi)容是否與施工現(xiàn)場一致。

3.1.2 施工現(xiàn)場調(diào)查

（1）線路情況。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，掌握土建和軌道的施工斷面和計(jì)劃，以便于合理安排，盡量避免和軌道專業(yè)的交叉施工，以提高施工效率。

（2）電纜路徑。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，現(xiàn)場進(jìn)行電纜路徑調(diào)查，檢查路徑的通暢性和正確性。

（3）對預(yù)埋件的調(diào)查。根據(jù)平面圖檢查各區(qū)間、車站是否預(yù)埋整體道床結(jié)構(gòu)鋼筋的連接端子、測防端子及排流端子等。

3.2 施工測量

對設(shè)備安裝位置、雜散電流收集網(wǎng)連接、測試、排流端子等預(yù)留位置進(jìn)行實(shí)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場與設(shè)計(jì)中間的差異，如限界、預(yù)留不符合要求等，提出解決處理意見，為后續(xù)施工掃清障礙。

施工測量根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，首先確定測防端子、排流端子的位置，然后利用模板、鋼卷尺測量出各設(shè)備鉆孔位置，做好標(biāo)記。

3.3 參考電極安裝

3.3.1 測量定位和電極準(zhǔn)備

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，參照雜散電流測防端子引出位置，測量出參考電極的安裝位置，在安裝位置做好標(biāo)記。安裝使用前，必須將馬上要安裝的電極在潔凈的自來水中浸泡8～10 h后備用。

3.3.2 鉆孔、安裝

（1）參考電極必須埋設(shè)在被測結(jié)構(gòu)物的鋼筋附近，距鋼筋（或鋼）距離小于15 mm。電極垂直放置，將電極全部埋置在混凝土介質(zhì)中。

（2）在選定的地點(diǎn)，采用電鉆和空心鉆頭鉆取直徑大于60 mm、深度大于160 mm的孔洞。除掉孔洞中的混凝土粉塊或浮塵，用自來水淋濕內(nèi)表面。

（3）將事先配好的水泥砂漿填料用自來水調(diào)勻，稠度適宜，然后將少許砂漿放入孔洞或方槽底部，用適當(dāng)?shù)墓ぞ邔⑸皾{涂抹在四周壁上，注意涂抹均勻。

（4）將參考電極陶瓷外殼涂抹薄薄1層砂漿，輕輕放入孔洞中，直到達(dá)到理想深度為止。

（5）將電極引線穿過鋼套管引向傳感器，并與傳感器內(nèi)接線端子連接。

（6）在電極埋置處上方，用砂漿抹平并與周圍混凝土表層盡量取平。

3.4 傳感器、轉(zhuǎn)接器安裝

（1）按照安裝標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合傳感器、轉(zhuǎn)接器箱體固定孔尺寸，測出準(zhǔn)確的安裝位置，做好標(biāo)記。

（2）用沖擊鉆鉆出與安裝螺栓相適應(yīng)的孔洞，并將孔內(nèi)粉末清理干凈。

（3）用絕緣膨脹螺栓將箱體懸掛固定，螺栓不得與結(jié)構(gòu)鋼筋接觸。

3.5 設(shè)備接線

設(shè)備接線前先進(jìn)行校線或全線統(tǒng)一根據(jù)線芯顏色確定回路，同時(shí)穿上標(biāo)號頭標(biāo)明回路名稱，然后按照圖紙將各導(dǎo)線連接。

4 雜散電流防護(hù)系統(tǒng)調(diào)試

4.1 排流系統(tǒng)調(diào)試

排流系統(tǒng)調(diào)試主要包括設(shè)備（排流柜）本體調(diào)試、排流網(wǎng)復(fù)測及整個(gè)排流系統(tǒng)的測試3個(gè)部分。

4.1.1 排流柜調(diào)試

（1）絕緣測試。用500 V兆歐表測試排流柜主回路（與結(jié)構(gòu)鋼筋，主排流網(wǎng)、接地母排及直流負(fù)母排的搭接端）與柜體的絕緣電阻大于2 MΩ。

（2）加電測試。合交流220 V電源開關(guān)，柜體面板上電源指示燈亮，否則對電源進(jìn)行檢查。

（3）二極管故障信號測試。撥動(dòng)快速熔斷器連動(dòng)開關(guān)使其接點(diǎn)閉合，排流柜面板上二極管故障指示燈點(diǎn)亮，否則檢查二次回路接線及指示燈。

（4）二極管支路電流測量。用繼電保護(hù)測試儀分別在每個(gè)二極管支路加直流電流（如5 A），排流柜面板上相應(yīng)二極管支路電流表及智能監(jiān)測裝置控制器面板電流值顯示正確。

（5）電壓測量。用繼電保護(hù)測試儀在總母排與變電所接地母排間加直流電壓（如50 V），排流柜面板數(shù)字電壓表及智能監(jiān)測裝置控制器面板電壓值顯示正確。

（6）報(bào)警功能測試。在監(jiān)測裝置上預(yù)先將排流極限定值輸入（如設(shè)電流值為10 A，延時(shí)1 s），然后用繼電保護(hù)測試儀在要測試的二極管支路（排流回路）加直流電流，超過設(shè)定值，監(jiān)測裝置發(fā)出報(bào)警信號。

（7）通信功能測試。通信功能測試配合變電所自動(dòng)化系統(tǒng)（SCADA）調(diào)試進(jìn)行。

4.1.2 排流網(wǎng)復(fù)測

為了檢驗(yàn)測防端子的連接可靠性和排流回路的通暢，線路測防端子連接完畢、結(jié)構(gòu)區(qū)段間連接電纜及結(jié)構(gòu)或道床測防端子至排流柜的排流電纜敷設(shè)連接完畢后，對全線的排流網(wǎng)（雜散電流收集網(wǎng)）進(jìn)行1次復(fù)測。

4.1.3 排流系統(tǒng)測試

整個(gè)排流系統(tǒng)測試在設(shè)備安裝調(diào)試結(jié)束、排流電纜敷設(shè)連接完畢、排流網(wǎng)復(fù)測合格并在牽引供電系統(tǒng)投入試運(yùn)行開始后進(jìn)行，主要目的是在線路有車輛運(yùn)行的情況下，檢驗(yàn)排流系統(tǒng)完整性和良好性。

4.2 雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試

（1）測量功能測試。監(jiān)測道床、隧道結(jié)構(gòu)鋼筋的極化電位，在現(xiàn)場測量以上數(shù)據(jù)并與上位機(jī)上數(shù)據(jù)對比，其誤差在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)。

（2）通信接口測試。通信功能測試包括與排流柜智能監(jiān)測模塊的通信接口測試，與鋼軌電位限制裝置接口通信測試及與SCADA接口的通信測試。

（3）計(jì)算功能測試。測試道床、隧道結(jié)構(gòu)鋼對參考電極的電位變化情況；監(jiān)測30 min平均電位超標(biāo)值；檢查程序計(jì)算公式及系數(shù)，根據(jù)測量值校核監(jiān)測裝置計(jì)算的正確性。

（4）顯示功能測試。監(jiān)測裝置就地顯示道床結(jié)構(gòu)鋼和隧道結(jié)構(gòu)鋼的極化電位。根據(jù)現(xiàn)場測量及監(jiān)測裝置的計(jì)算數(shù)值，觀察顯示數(shù)據(jù)是否正確。

（5）信息報(bào)警測試。模擬故障并在上位機(jī)及現(xiàn)場觀察報(bào)警類別顯示、報(bào)警音響等信息，要符合設(shè)計(jì)要求。

5 雜散電流防護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)營維護(hù)

5.1 雜散電流防護(hù)系統(tǒng)日常維護(hù)

（1）參比電極。主要檢查參比電極安裝處混凝土是否有開裂損壞現(xiàn)象；傳感器連接線是否緊固。

（2）傳感器。主要檢查傳感器工作是否正常；傳感器表面封裝螺絲是否緊固；指示燈是否工作正常；傳感器和參比電極、鋼軌、排流網(wǎng)之間連接線是否緊固。

（3）監(jiān)測裝置。主要檢查監(jiān)測裝置工作是否正常；監(jiān)測裝置屏幕顯示傳感器和排流柜狀態(tài)是否正常。

（4）排流柜。主要檢查排流柜工作是否正常；柜門開關(guān)是否正常；柜內(nèi)檢修照明燈是否工作正常；柜體表面狀態(tài)指示燈顯示是否正常；排流柜內(nèi)部接線是否緊固。

（5）單向?qū)ㄑb置。主要檢查單向?qū)ㄑb置工作是否正常；柜門開關(guān)是否正常；柜內(nèi)檢修照明燈是否工作正常；柜內(nèi)溫濕度感應(yīng)器和加熱裝置是否工作正常；整個(gè)裝置外觀封閉是否正常。

（6）連接電纜。對回流電纜、測防端子連接電纜、與傳感器連接的電纜定期進(jìn)行巡視，如有破損或接觸不良及時(shí)更換。

5.2 雜散電流防護(hù)系統(tǒng)的周期性維修

（1）雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)。定期維護(hù)傳感器并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；對監(jiān)測裝置工作狀態(tài)和處理數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；進(jìn)行一般故障維修、處理等。

（2）排流柜。定期對排流柜狀態(tài)、排流電壓和排流電流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；進(jìn)行排流柜投切試驗(yàn)；進(jìn)行一般故障維修、處理等。

（3）單向?qū)ㄑb置。定期對單向?qū)ㄑb置狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；進(jìn)行電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)投切試驗(yàn)；進(jìn)行一般故障維修、處理等。

5.3 雜散電流防護(hù)系統(tǒng)常見故障及處理方法

5.3.1 傳感器常見故障及處理方法

（1）電源指示燈熄滅。①可能是配電箱斷電，送電即可；②可能是保險(xiǎn)絲熔斷，更換保險(xiǎn)管即可；③可能是電源指示燈損壞，更換指示燈即可；④可能是主板有故障，更換傳感器電路板即可。

（2）通信指示燈或故障燈常亮。①可能是通信接線接觸不良，重新檢查，緊固接線端子即可；②可能是通信線有斷線，檢查通信線路，重新接續(xù)。③可能是板卡故障，更換傳感器電路板。

（3）通信燈與故障燈同時(shí)以2 s間隔閃爍，可能是通信地址有沖突造成的，檢查在同一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器下面的其他傳感器地址(地址相同的傳感器通信燈閃爍)，重新設(shè)置即可。

5.3.2 排流柜常見故障及處理方法

（1）門面板故障指示燈亮。①可能是快速熔斷器熔斷造成的，重新更換快速熔斷器；②可能是二極管反向擊穿造成的，重新更換整流二極管。

（2）電流表顯示異常，可能是電流變送器插頭未插牢造成的。

5.3.3 單向?qū)ㄑb置常見故障及處理方法

（1）信號盤收到故障信號。①可能是快速熔斷器熔斷造成的，重新更換快速熔斷器；②可能是二極管反向擊穿造成的，重新更換整流二極管。

（2）電加熱器不加熱。①可能是電加熱器未通電造成的，重新檢查工作電源；②可能是電加熱器損壞造成的，重新更換電加熱器。

6 結(jié)束語

雜散電流會(huì)對城市軌道交通中的電氣設(shè)備、設(shè)施的正常運(yùn)行造成不同程度的影響，還會(huì)對隧道、道床的結(jié)構(gòu)和附近的金屬管線造成不同程度的危害，甚至?xí)＜叭松戆踩?，給城市軌道交通的安全運(yùn)營帶來不利影響，因此，對雜散電流的腐蝕及其可能造成的嚴(yán)重后果必須給予足夠的重視。城市軌道交通雜散電流防護(hù)應(yīng)貫徹“以堵為主，以排為輔”的原則，制訂合理、有效的雜散電流設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營維護(hù)方案，以保障城市軌道交通的運(yùn)營安全。

[1] CJJ49-92 地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].

[2] GB50157-2013 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 鄭瞳熾，張明悅．城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)[M]．北京：中國鐵道出版社，2000.

[4] 馬沂文，馬宏儒．必須重視城市軌道交通雜散電流腐蝕的防護(hù)[J]．城市管理與科技，2001，3(3) ：19-21.

責(zé)任編輯 冒一平

Study on Design, Construction and Maintenance of Stray Current Protection in Transit

Zhang Kuanfa

The paper makes analysis of the causes of stray current in rail transit and the harm of stray current in the equipment and facilities, puts forward the design and construction scheme of stray current protection. Based on the past operational experience, it works out the practical maintenance solutions to stray current protection in rail transit and it will has a significant meaning in reducing the operational costs and eliminating stray current corrosion harm.

rail transit, stray current, design, construction, operation and maintenance

U231.8

2014-11-07

張寬發(fā)：深圳地鐵集團(tuán)有限公司，工程師，廣東深圳 518000