地鐵雜散電流防護(hù)措施的研究

李志忠

（中鐵十六局集團(tuán)地鐵工程有限公司，北京市 100000）

1 概述

該標(biāo)段為呼和浩特市城市軌道交通2號(hào)線09標(biāo)段，包含成吉思汗廣場(chǎng)站、成吉思汗廣場(chǎng)站—毫沁營(yíng)站區(qū)間、毫沁營(yíng)站、毫沁營(yíng)站—成吉思汗公園站區(qū)間，共2站2區(qū)間。區(qū)間使用盾構(gòu)法進(jìn)行施工，車站則選用明挖法開展施工。當(dāng)出現(xiàn)雜散電流后會(huì)影響地鐵主體結(jié)構(gòu)安全，甚至?xí)g鋼軌和鋼筋，因此做好雜散電流防護(hù)工作至關(guān)重要。

2 雜散電流造成腐蝕的原理分析

在地鐵運(yùn)行過程中，經(jīng)過一段時(shí)間持續(xù)的運(yùn)營(yíng)，會(huì)在一定程度上污染道床，并降低鋼軌和道床之間的電阻值，因?yàn)榈来埠弯撥墰]有充分絕緣，致使直流電從鋼軌位置泄漏到隧道、車站和道床結(jié)構(gòu)中，這些漏泄電流稱為雜散電流。

由于雜散電流腐蝕屬于氧化還原反應(yīng)，在發(fā)生反應(yīng)的過程中地鐵牽引供電方式產(chǎn)生的雜散電流以及雜散電流的腐蝕位置如圖1所示。因?yàn)樽咝袖撥?、道床（隧道）結(jié)構(gòu)鋼筋和沿線金屬管線均為導(dǎo)體，軌道交通直流供電系統(tǒng)走形軌自身含有電阻，而且無法做到走形軌道完全絕緣，會(huì)有一些電流由走形軌道泄漏通過結(jié)構(gòu)缺陷處進(jìn)入道床（隧道）結(jié)構(gòu)鋼筋和沿線金屬管線，形成陰極區(qū)，電子從另一缺陷處流出，并再次回至鋼軌回流點(diǎn)[1]。電子流出部位為陽極區(qū)，當(dāng)有雜散電流從鋼軌陽極區(qū)的位置流出后，就會(huì)出現(xiàn)氧化反應(yīng)，即為雜散電流腐蝕，這類雜散電流會(huì)腐蝕結(jié)構(gòu)中的鋼筋，降低鋼筋的強(qiáng)度。

圖1 地鐵雜散電流腐蝕

3 雜散電流防護(hù)原則

該工程采用“以防為主、防排結(jié)合、以排為輔、加強(qiáng)監(jiān)測(cè)”的原則進(jìn)行雜散電流的防護(hù)設(shè)計(jì)。

（1）對(duì)雜散電流出現(xiàn)的源頭進(jìn)行控制，降低雜散電流出現(xiàn)的數(shù)量[2]。

（2）采用排流等方法對(duì)出現(xiàn)的雜散電流進(jìn)行處理，降低雜散電流產(chǎn)生的腐蝕。為了降低結(jié)構(gòu)鋼筋和金屬管線受到的腐蝕，需要做好軌回流處理，安裝好正線走行鋼軌絕緣，將雜散電流主收集網(wǎng)布置在道床中。

（3）實(shí)時(shí)對(duì)雜散電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)雜散電流值過大，需要及時(shí)進(jìn)行控制。

4 地鐵雜散電流防護(hù)措施

4.1 源控法施工

為了避免雜散電流進(jìn)入到設(shè)備和主體結(jié)構(gòu)中，源控法也是常用的一種方法。這種方法主要是隔離開雜散電流的泄漏途徑，并做好走行軌絕緣，提高結(jié)構(gòu)主體產(chǎn)生的過渡電阻，并降低行走軌電阻值，避免雜散電流進(jìn)一步出現(xiàn)蔓延。

4.2 排流法施工

使用收集系統(tǒng)和排流系統(tǒng)將雜散電流返回到牽引變電所負(fù)母線通路的方法即為排流法，利用排流法可以有效避免電流從系統(tǒng)中向外繼續(xù)泄漏，降低腐蝕。其原理如圖2所示。排流支路是否投入使用可以采用直流接觸器CZ進(jìn)行控制，利用R、C對(duì)主回路通斷時(shí)出現(xiàn)的尖峰脈沖進(jìn)行抑制。利用硅二極管D1來避免出現(xiàn)逆向排流。當(dāng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，則利用Fn快速熔斷器對(duì)排流柜進(jìn)行保護(hù)，避免其受到損害。通過電流傳感器M檢測(cè)排流回路中的排流電流量大小。利用IGBT通斷占比率控制占比率，從而使電流疏松大小更好地得到控制，將IGBT關(guān)斷時(shí)，將電流電阻R1和R2接入到排流回路中，這時(shí)產(chǎn)生的排流電流很小。正常情況下，利用IGBT導(dǎo)通占空比將排流比控制在規(guī)定范圍值內(nèi)。

圖2 智能排流柜原理圖

在進(jìn)行施工時(shí)，需要根據(jù)雜散電流防護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)鋼筋連接位置進(jìn)行處理，然后按照要求將預(yù)埋孔布設(shè)好。在進(jìn)行主結(jié)構(gòu)工程施工時(shí)，要分段實(shí)現(xiàn)測(cè)防端子的安放以及主鋼筋縱向可靠焊接。主體結(jié)構(gòu)要保持良好的電氣絕緣性。具體措施如下：

（1）軌道交通土建各結(jié)構(gòu)段內(nèi)部的主筋，應(yīng)實(shí)現(xiàn)可靠焊接，在結(jié)構(gòu)段兩端的變形縫或沉降縫處附近應(yīng)按設(shè)計(jì)要求焊接引出雜散電流測(cè)防端子（簡(jiǎn)稱“引出端子”），包括結(jié)構(gòu)段連接端子、雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量端子、排流端子，所有端子制作焊接要求一致，所有引出端子均位于側(cè)墻上，距離軌面300～500 mm。

（2）車站、區(qū)間隧道每個(gè)結(jié)構(gòu)段內(nèi)層縱向鋼筋、環(huán)向鋼筋應(yīng)電氣連通，若有搭接應(yīng)進(jìn)行搭接焊，搭接長(zhǎng)度不小于鋼筋直徑的10倍，不允許綁扎[3]。

（3）在結(jié)構(gòu)段兩端第一、二排環(huán)向鋼筋與其他結(jié)構(gòu)層縱向鋼筋全部焊接；在結(jié)構(gòu)段中每隔5 m應(yīng)將其內(nèi)層環(huán)向鋼筋與內(nèi)層縱向鋼筋全部焊接；在列車行駛區(qū)（即垂直軌道下方）選兩根鋼筋與所有環(huán)向鋼筋焊接（排流條）；在進(jìn)行節(jié)段施工時(shí)，要使用紅色油漆標(biāo)識(shí)出防迷流鋼筋，焊接鋼筋時(shí)不能出現(xiàn)誤焊和漏焊的情況。圖3為鋼筋焊接示意圖。

圖3 鋼筋焊接示意圖

（4）在側(cè)墻上布置防迷流測(cè)量端子和引出端子。引出連接端子需要布置在現(xiàn)澆墻和伸縮縫兩側(cè)內(nèi)襯墻，然后從伸縮縫兩側(cè)引出。接著使用95mm的銅電纜連接好，在結(jié)構(gòu)兩端結(jié)構(gòu)縫將雜散電流連接端子焊接引出，要求軌面和端子之間的垂直距離為500 mm，兩側(cè)連接端子和結(jié)構(gòu)縫之間的距離為200 mm，并利用直徑為95 mm的絕緣電纜連接好。在牽引變電所車站中布置排流端子，將排流端子從牽引變電所處的電纜夾層引出。對(duì)于車站結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)段位置，需要在結(jié)構(gòu)兩段結(jié)構(gòu)縫的位置將雜散電流連接端子焊接好，并和絕緣銅電纜連接好。其他結(jié)構(gòu)段要和剩下的鋼筋進(jìn)行絕緣處理。使用鍍鋅扁鋼作為測(cè)量端子，并和結(jié)構(gòu)中兩根縱向鋼筋焊接好[4-5]。

（5）軌道交通主體結(jié)構(gòu)的防水層必須具有良好的防水性能和電氣絕緣性能，防水材料的體積電阻率不小于108Ω·m。

（6）盾構(gòu)區(qū)段的防護(hù)方式采用隔離法，即盾構(gòu)管片之間的結(jié)構(gòu)，相互之間沒有電氣連接。

4.3 雜散電流防護(hù)監(jiān)測(cè)措施

4.3.1 防腐蝕監(jiān)控

該工程使用雜散電流監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視雜散電流的大小，因?yàn)闊o法直接測(cè)試雜散電流，因此可以使用結(jié)構(gòu)鋼極化電壓測(cè)量電壓，并使正向偏移的極化電壓平均值保持在0.5V內(nèi)，將一個(gè)長(zhǎng)期有效的參考電機(jī)埋入到整體道床上，并用其測(cè)量整體道床和排流網(wǎng)的參考電極電壓。將一個(gè)參考電極布置在隧道側(cè)壁處，然后測(cè)量結(jié)構(gòu)鋼參考電極和側(cè)壁的電壓，并使用軌道點(diǎn)位測(cè)量軌道電壓和雙側(cè)壁結(jié)構(gòu)鋼電壓。

4.3.2 測(cè)量自然本體電位

當(dāng)外界因素干擾到雜散電流時(shí)，需要對(duì)地鐵埋低金屬點(diǎn)位出現(xiàn)的穩(wěn)定值進(jìn)行檢測(cè)。將此穩(wěn)定點(diǎn)位作為自然本體電位。一般在列車停運(yùn)2 h后對(duì)自然本體電位U0進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，當(dāng)外部因素干擾雜散電流后，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量電位出現(xiàn)偏移的情況，如果測(cè)量得到的電位為U1，那么偏移值為ΔU。

4.3.3 軌道電位0.5 h的最大測(cè)量值

在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，軌道電位瞬時(shí)值變化非常大，所以在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，測(cè)量參數(shù)和計(jì)算參數(shù)不是很準(zhǔn)確，不過可用于粗略測(cè)量。

5 結(jié)語

綜上所述，雜散電流在地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)，對(duì)主體結(jié)構(gòu)及金屬管線危害極大，做好雜散電流的防護(hù)工作至關(guān)重要，所以在施工時(shí)要做好雜散電流收集網(wǎng)和走行軌與道床的絕緣，運(yùn)營(yíng)時(shí)要做好雜散電流監(jiān)測(cè)工作，通過監(jiān)測(cè)指導(dǎo)防護(hù)，從而延長(zhǎng)地鐵結(jié)構(gòu)主體的使用壽命，保證地鐵的運(yùn)營(yíng)安全。