軌道交通雜散電流腐蝕的監(jiān)測(cè)及防護(hù)研究

蔡彬彬，裴麗君，趙 晨

(南京地鐵建設(shè)責(zé)任有限公司， 南京 210017)

0 引言

目前，地鐵建設(shè)在當(dāng)今社會(huì)發(fā)展中日益蓬勃，在設(shè)計(jì)或者建設(shè)地鐵時(shí)，雜散電流的監(jiān)測(cè)是目前各個(gè)項(xiàng)目考慮的重點(diǎn)。由于地鐵的金屬結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境中，本身就容易受到腐蝕，這就給技術(shù)人員帶來很大的困擾[1-2]。地鐵在運(yùn)行過程中，通常采用直流供電的方式供其運(yùn)轉(zhuǎn)，如果列車的負(fù)荷量不停，也會(huì)在走行軌上形成數(shù)值不等的工作電流。還有一種情況，走行軌上的一部分電流還能夠通過走行軌，與電源的負(fù)極構(gòu)成電路閉環(huán)，進(jìn)而使得部分電流回流到電源負(fù)極，另一部分電流經(jīng)由軌道，能夠接觸到地面絕緣不良的位置處。這對(duì)周圍的地鐵道床、非介質(zhì)或者四周的土壤造成電流污染，形成雜散電流[3-5]。該現(xiàn)象對(duì)地鐵的運(yùn)行很容易造成事故[6-7]。尤其是在采用直流供電的大型運(yùn)輸設(shè)備中，比如地鐵、輕軌等，這種情況尤為嚴(yán)重，由于雜散電流的存在，很容易對(duì)地鐵的關(guān)鍵部件造成損害[8-9]，嚴(yán)重時(shí)將危及地鐵或者其周圍建筑設(shè)施的安全，繼而將釀成無法挽回的交通事故。

因此，在確保地鐵建設(shè)、地鐵運(yùn)營能否正常運(yùn)行時(shí)，如何防護(hù)雜散電流就是有待研究的關(guān)鍵技術(shù)問題。常規(guī)技術(shù)中采用被動(dòng)“堵截”和“疏導(dǎo)”[10-12]的方式，但是地鐵走行軌上泄漏的雜散電流具有諸多不容易防護(hù)的特點(diǎn)，比如雜散電流樣式繁多、分散性強(qiáng)、防護(hù)困難，難以預(yù)測(cè)等。針對(duì)上述問題，本文提出了電能補(bǔ)償?shù)姆椒▉斫鉀Q雜散電流，以克服上述問題，下文將詳細(xì)描述。

1 監(jiān)測(cè)及防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于在常規(guī)應(yīng)用中，雜散電流分布不集中，因此，利用計(jì)算模型直接、精確地測(cè)量雜散電流也將變得困難重重。單純地利用現(xiàn)有技術(shù)中所監(jiān)測(cè)到的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，精確地衡量、預(yù)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)也不容易實(shí)現(xiàn)，尤其是雜散電流作用下，設(shè)備上所設(shè)置排流網(wǎng)的腐蝕程度和腐蝕趨勢(shì)的衡量也將變得舉步維艱[13-14]。由于排流網(wǎng)為預(yù)埋基礎(chǔ)建設(shè)工程，雜散電流對(duì)地鐵的腐蝕地點(diǎn)不確定，腐蝕程度無法進(jìn)行精確度量。在克服這些技術(shù)問題時(shí)，本研究根據(jù)雜散電流補(bǔ)償原理，設(shè)計(jì)出一套新型的監(jiān)測(cè)及防護(hù)系統(tǒng)。在補(bǔ)償電路中生成的補(bǔ)償電流與地鐵供電電流相比，其數(shù)值相等，矢量相反，這樣，在存在雜波的區(qū)域內(nèi)，能夠?qū)⒃O(shè)備中產(chǎn)生的雜散電流抵消一部分，從而減少或者消除雜散電流，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖1的系統(tǒng)在工作時(shí)，能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)雜散電流的布局情況和漏電流濃度分布情況進(jìn)行智能排流，排流的數(shù)據(jù)信息通過測(cè)試電纜發(fā)送到主站后臺(tái)，用戶通過到主站后臺(tái)顯示窗口能夠清楚地觀察到雜散電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的參數(shù)信息內(nèi)容包含各種情況下的雜散電流，比如對(duì)直流牽引供電列車運(yùn)行時(shí)泄漏到道床上的雜散電流、隧道泄露的雜散電流及其周圍土壤介質(zhì)中的雜散電流等。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的雜散電流監(jiān)測(cè)及防護(hù)系統(tǒng)適用范圍比較廣，比如城軌交通中的地鐵、輕軌等直流牽引供電軌道線路[15-16]。在本研究中，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集軌道交通在運(yùn)行期間的狀況，采集完該信息后，通過測(cè)試電纜將該信息與各個(gè)采集裝置進(jìn)行信息通訊，并且傳遞到應(yīng)用服務(wù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫內(nèi)。其中主站后臺(tái)中的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng) (SCADA，supervisory control and data acquisition )連接雜散電流監(jiān)控系統(tǒng)，這樣，雜散電流監(jiān)控系統(tǒng)的信息可以實(shí)時(shí)傳遞到SCADA系統(tǒng)。采集系統(tǒng)還設(shè)置有不同形式的通訊接口，比如TCP/IP、SPI、EPCALE協(xié)議、NetBIOS協(xié)議、GSM接口協(xié)議和SAS協(xié)議等。能夠滿足多種通訊的需要，兼容性較強(qiáng)。該接口還能夠通過前置服務(wù)器對(duì)遠(yuǎn)方終端數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并且通過通訊規(guī)約解釋模塊轉(zhuǎn)換各種不同類型的規(guī)約數(shù)據(jù)，以使SCADA系統(tǒng)能夠識(shí)別。前置服務(wù)器能夠采用雙機(jī)熱備用方式，采用兩臺(tái)節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)互為主備。其中的機(jī)型為Sun(Oracle)、IBM、Intel系列工作站或服務(wù)器[17-18]。通過本技術(shù)方案設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)雜散電流信息的可靠采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控，下面對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1.1 開關(guān)電源設(shè)計(jì)

如圖2所示，開關(guān)電源基本電路包含有交流-直流轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)型功率變換、控制電路、整流濾波電路等不同單元[19-20]。通過交流-直流轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換，能夠?qū)⑤斎攵说碾娋W(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為直流工作電流，通過交流-直流轉(zhuǎn)換電路內(nèi)的整流器，能夠?qū)⑤斎氲慕涣麟娏鬟M(jìn)行整流、濾波，以將不必要的雜散波進(jìn)行整理，其內(nèi)設(shè)置的濾波器將接收到的交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，供電路中的各個(gè)部件使用。控制電路在電路中用于控制開關(guān)型功率變換器。

圖2 開關(guān)電源原理結(jié)構(gòu)示意圖

在本系統(tǒng)中，開關(guān)型功率變換器用于將主電路的能量轉(zhuǎn)換為開關(guān)電源的能量，是轉(zhuǎn)換開關(guān)電源能量關(guān)鍵部件，在具體應(yīng)用中，通過電壓變換來實(shí)現(xiàn)。電壓變換可以使用很多種類，比如整流功率變換器、全橋式開關(guān)型功率變換器、逆變功率變換器、斬波功率變換器、交交功率變換器、半橋式開關(guān)型功率變換器、單端反激式開關(guān)型功率變換器(該變換器不僅電路簡單，而且能夠輸出高效的直流電)、快速磁放大器式開關(guān)型功率變換器等。在具體應(yīng)用中，功能不同，轉(zhuǎn)換器類型的使用也不同。在控制方法上， 采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(PWM，pulse width modulation)和脈沖頻率調(diào)制(PFM,pulse frequency modulation)兩種[21-22]。采用PWM技術(shù)，能夠在整流的作用下，并且輸出的直流電壓值恒定的情況下，將半導(dǎo)體開關(guān)器件進(jìn)行導(dǎo)通或者關(guān)斷的方式，將輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為電壓脈沖序列，并對(duì)輸出電壓脈沖的寬度或者周期進(jìn)行控制，使等效輸出電壓得以改變。

在開關(guān)型功率變換器中，其內(nèi)的核心部件包含為開關(guān)電源變壓器，該變壓器的作用具有多種，比如：將電網(wǎng)中的磁能轉(zhuǎn)換為電能，或者將電能轉(zhuǎn)換為磁能等，將高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓或者將低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓等。在開關(guān)元器件的作用下，將直流電有效、及時(shí)地轉(zhuǎn)換成直流電。開關(guān)電源變壓器工作后，又將電路中的電能轉(zhuǎn)換為磁能，負(fù)載將接受該功率，通過負(fù)載最終輸出電路中所需要的電壓。

1.2 隔離與耦合技術(shù)設(shè)計(jì)

在實(shí)現(xiàn)雜散電流的隔離方面，本文采用光電耦合技術(shù)完成，該隔離技術(shù)的工作原理為借助于光電三極管的輸出特性，圖3為其原理結(jié)構(gòu)圖和輸出特性曲線圖。圖3在工作過程中，需要對(duì)光電三極管兩端施加電壓，當(dāng)所施加的電壓達(dá)到UPM時(shí)，這能過通過光電三極管的輸出特性看出，光電接收管內(nèi)的電流輸出的最大值為IPM，當(dāng)施加在發(fā)光管兩端的電壓信號(hào)在某一段范圍內(nèi)變化時(shí)，比如U0-UPS，則流過光電接收管中的電流值將會(huì)0～I(xiàn)PM之間的范圍波動(dòng)。

圖3 光電三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特性曲線示意圖

基于上述討論，本研究能夠在電源電路中將該隔離技術(shù)和耦合技術(shù)融合一起使用。融合電路如圖4所示。該電路在工作時(shí)，當(dāng)升高輸出的電壓值時(shí)，則光電耦合器中的發(fā)光二極管的電流能夠相應(yīng)地增加，進(jìn)而使得光強(qiáng)度輸出值也會(huì)隨之變化、增加，最后使得晶體三極管的集電極端的輸入電流也逐漸增加，這樣使得功率開關(guān)V基極的電流下降。該電路在工作過程中，功率開關(guān)V的導(dǎo)通時(shí)間會(huì)更短，輸出的電壓值也會(huì)降低，進(jìn)而輸出較為穩(wěn)定的電壓值，使電路的安全性能得以提高[23-24]。

圖4 融入光電耦合器的開關(guān)電源電路

2 雜散電流腐蝕分析

2.1 雜散電流腐蝕原理

下面結(jié)合圖5中的雜散電流腐蝕原理結(jié)構(gòu)對(duì)雜散電流腐蝕原理進(jìn)行說明。下面以地鐵隧道為例，在以混凝土結(jié)構(gòu)為主要材料進(jìn)行構(gòu)建的地鐵隧道中，當(dāng)?shù)罔F隧道附近的鋼筋泄露出雜散電流時(shí)，鋼筋中的電勢(shì)將從高電勢(shì)移動(dòng)到低電勢(shì)，該過程稱為陽極極化過程。在以金屬為載體發(fā)生氧化還原反應(yīng)時(shí)，通過電荷吸引游離出的金屬電子，進(jìn)而將金屬氧化。

圖5 雜散電流腐蝕原理結(jié)構(gòu)示意圖

在地鐵交通中，利用上述原理可以這樣進(jìn)行，將走行軌或者金屬管線作為反應(yīng)中的電子導(dǎo)體使用，將地面作為離子導(dǎo)體，當(dāng)走行軌或者金屬管線中的電子電荷從圖5中的A點(diǎn)和D點(diǎn)泄露流出時(shí)，

則組成、組建了氧化還原反應(yīng)的條件，此時(shí)，金屬導(dǎo)體和地面二者之間組成的e-i界面可以作為氧化還原反應(yīng)中的陽極使用。當(dāng)走行軌或者金屬管線中的電子電荷在圖5中的C點(diǎn)和F點(diǎn)流入時(shí)，則將地面與金屬導(dǎo)體二者之間組成的i-e界面當(dāng)作陰極使用。這樣，則將A、B、C和D、E、F構(gòu)成兩個(gè)不同的串聯(lián)電解電池來使用。通過上文描述，氧化還原反應(yīng)中的電流電荷流向通過以下流程進(jìn)行：

第一電池：A 鋼軌(作為陽極區(qū)使用)→B(地鐵交通道床)→C(地鐵交通道床中的金屬管線，可以將其作為陰極區(qū)使用)。

第二電池：D(地鐵交通道床中的金屬管線，將其作為陽極區(qū)使用)→E(地鐵交通道床中的金屬管線，可以將其作為陰極區(qū)使用)→F(金屬管線中的鋼軌，將其作為陰極區(qū)使用)。

在上述工作過程中，當(dāng)雜散電流通過兩個(gè)陽極區(qū)域流出時(shí)，氧化反應(yīng)則會(huì)發(fā)生，此時(shí)，該部件的金屬(Fe)將被腐蝕。

圖6 地鐵雜散電流泄漏路徑示意圖

2.2 雜散電流泄漏路徑分析

在發(fā)生雜散電流泄漏時(shí)，其路徑選擇也是極其重要的，下面對(duì)其路徑進(jìn)行分析。當(dāng)電路中的絕緣部件兩端之間的電勢(shì)差值比消弧裝置啟動(dòng)值后電勢(shì)大時(shí)，則正線的電流通過回流軌向車輛段流動(dòng)，這種方式能夠大大減少地鐵在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生雜散電流泄漏，特別是當(dāng)正線電流流入車輛段引起的雜散電流中。在具體實(shí)施例中，由于車輛段軌道流向正線軌道的電流由燃?xì)夤艿赖碾s散電流引起的，在這種情況下，可以通過控制二極管的導(dǎo)通或者關(guān)閉來減少車輛段流向正線的電流引起的雜散電流泄漏。因此，雜散電流路徑初步分析為：

正線雜散電流-大地；

車輛-大地-車輛段軌道-正線軌道-地鐵站牽引電源負(fù)極。

2.3 限制雜散電流泄漏優(yōu)化方案

如何限制雜散電流的泄漏也是本文要研究的重點(diǎn)，當(dāng)對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)的雜散電流泄漏進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，可以將二極管優(yōu)化為晶閘管，通過晶閘管的通與斷來控制車輛段到正線方向的持續(xù)導(dǎo)通。在晶閘管進(jìn)行作用時(shí)，當(dāng)無車輛進(jìn)出時(shí)，則可將晶閘管處于斷開狀態(tài)，以在正向晶閘管方向上控制電路中電流的通路。通過這種方式，在一定程度上避免了地鐵雜散電流的泄漏?，F(xiàn)有技術(shù)如圖7所示，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化后的方案如圖8所示。

圖7 單向?qū)ㄑb置原方案示意圖

圖8 單向?qū)ㄑb置優(yōu)化方案示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過上述分析，下面對(duì)本文設(shè)計(jì)的技術(shù)方案進(jìn)行如下分析，首先，建立試驗(yàn)結(jié)構(gòu)架構(gòu)圖，如圖9所示。在進(jìn)行地鐵站極化電位測(cè)量時(shí)，馬群地鐵站軌行區(qū)參比電極、排流網(wǎng)接線端子全部拉線至配電房采集器箱內(nèi)端子。本次測(cè)量從采集器箱內(nèi)端子接線至DA-SU采集器，然后再經(jīng)由DA-C341雜散電流監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)發(fā)送到D6000雜散電流監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控。

圖9 雜散電流腐蝕模擬試驗(yàn)示意圖

下面在不同的晶閘管導(dǎo)通閾值情況下進(jìn)行試驗(yàn)分析。試驗(yàn)時(shí)，通過數(shù)據(jù)曲線來表示，在圖10中，其為晶閘管導(dǎo)通閾值為12 V時(shí)數(shù)據(jù)曲線圖。在試驗(yàn)時(shí)，將原單導(dǎo)柜在一段時(shí)間范圍內(nèi)運(yùn)行，為了提高測(cè)試評(píng)估的精度，將其在長時(shí)間時(shí)段內(nèi)運(yùn)行，并設(shè)置晶閘管導(dǎo)通閾值為12 V時(shí)，通過圖10可以看出其運(yùn)行曲線。

圖10 晶閘管導(dǎo)通閾值為12 V時(shí)數(shù)據(jù)曲線圖

在進(jìn)一步試驗(yàn)所設(shè)置的晶閘管導(dǎo)通閾值與雜散電流之間關(guān)系時(shí)，選擇在不同的時(shí)間時(shí)段，設(shè)置不同的閾值進(jìn)行對(duì)比分析。比如在晚上將晶閘管閾值設(shè)為70 V，次日08:30時(shí)，再將閾值更改為12 V，通過這種方式，觀察數(shù)據(jù)曲線圖。

圖11 晶閘管導(dǎo)通閾值為70 V時(shí)數(shù)據(jù)曲線圖

然后，再將晶閘管關(guān)閉，當(dāng)單導(dǎo)柜晶閘管已經(jīng)完全關(guān)閉時(shí)，得出圖12所示的曲線圖。

圖12 燃?xì)夤艿罉O化電位正向偏移半小時(shí)平均值曲線

再次將單導(dǎo)柜上的接線斷開一段時(shí)間，比如晚上斷開，次日早上恢復(fù)。經(jīng)過一段時(shí)間的通斷，得出圖13所示的曲線圖。

圖13 燃?xì)夤艿罉O化電位正向偏移半小時(shí)平均值曲線

通過上述測(cè)量，得出數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 極化電位測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

通過上述各種情況下的分析比較，在不同的工作狀況下，通過提高晶閘管的動(dòng)作電壓值，能夠有效地減小晶閘管的導(dǎo)通頻率。通過上述方式雖然減少了雜散電流，但這種方式無法滿足燃?xì)夤艿罉?biāo)準(zhǔn)要求，比如《SY/T0017-2006埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》。因此，在管道中，其上的任意點(diǎn)管道電動(dòng)勢(shì)與自然電動(dòng)勢(shì)相比較，在其正向偏移上的數(shù)量值小于99 mV。在斷開單導(dǎo)柜接線時(shí)，通過上述表格可以看到，雜散電流便有稍微明顯的改變，能夠符合上述標(biāo)準(zhǔn)。

因此，影響燃?xì)夤艿离s散電流的主要因素就能夠看的很清楚了。當(dāng)前車輛段到正線方向區(qū)間，在具體實(shí)施中，其采用的是二極管，在該二極管一直處于導(dǎo)通狀態(tài)的情況下，車輛段出現(xiàn)有持續(xù)性較大電流流向正線，這在地鐵運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，很有可能產(chǎn)生對(duì)干擾因素，比如對(duì)其他管道、燃?xì)夤艿赖取?/p>

通過本研究的技術(shù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，燃?xì)夤艿罉O化電位正向偏移半小時(shí)平均值曲線如圖14所示。

圖14 燃?xì)夤艿罉O化電位正向偏移半小時(shí)平均值曲線

通過上述數(shù)據(jù)及相關(guān)圖標(biāo)表示，采用優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案后，燃?xì)夤艿乐谐霈F(xiàn)的極化電位大大地降低，其數(shù)值大致處于50 mV附近，此時(shí)，極化電位平均值比起優(yōu)化前的平均值將下降約75%，這將有效地降低地鐵雜散電流對(duì)鐵道道路中不同管道電動(dòng)勢(shì)的影響。

4 結(jié)束語

本研究通過設(shè)計(jì)出新型的監(jiān)測(cè)及防護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地鐵、車輛段等電流泄露的監(jiān)測(cè)。并將隔離與耦合技術(shù)融合在電源設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)雜散波的隔離與防護(hù)。本研究還對(duì)雜散電流腐蝕原理進(jìn)行了說明，結(jié)合該原理，分析出雜散波的泄露路徑，并對(duì)限制雜散電流泄漏優(yōu)化方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過該試驗(yàn)，借助于曲線圖，能夠看出地鐵雜散電流對(duì)鐵道道路中不同管道電動(dòng)勢(shì)的影響。但是，在實(shí)際工作中，在單向通道裝置中，更具體的是，在出入段線與車輛段分界處時(shí)，在車輛段至正線方向上，通常設(shè)置有二極管，在正線至車輛段方向上，通常設(shè)置有晶閘管。通過這種方式，雖然在一定程度上能夠減少正線對(duì)車輛段的影響，但仍存在雜散電流泄露的風(fēng)險(xiǎn)和隱患，因此，雜散電流腐蝕的監(jiān)測(cè)技術(shù)仍舊是長期研究的課題，本研究為日后更深層次的研究奠定技術(shù)基礎(chǔ)。