軌道交通系統(tǒng)中雜散電流的防護(hù)及鋼軌電位限制器的分析

裴琳

北京市地鐵運(yùn)營有限公司，中國·北京 100016

1 引言

目前，地鐵的牽引供電方式一般采用直流供電方式。在理想的狀況下，牽引電流由牽引變電所的正極出發(fā)，經(jīng)由接觸網(wǎng)、電動(dòng)列車和走行軌返回牽引變電所的負(fù)極。然而，實(shí)際情況是列車運(yùn)行時(shí)，作為回流網(wǎng)的走行軌，對(duì)地產(chǎn)生電位，而走行軌對(duì)地存在過渡電阻，因而會(huì)產(chǎn)生雜散電流。

雜散電流對(duì)城市軌道交通的危害很大，若地下雜散電流流入電氣接地裝置，會(huì)引起過高的接地電位，使某些設(shè)備無法正常工作。更嚴(yán)重的是，對(duì)城市軌道隧道、道床或其他建筑物的結(jié)構(gòu)鋼筋以及地下的金屬管線造成電腐蝕，嚴(yán)重的腐蝕甚至?xí)绊懡饘俳Y(jié)構(gòu)的壽命。

中國軌道交通事業(yè)正處于高速發(fā)展時(shí)期，因此全面考慮雜散電流的腐蝕問題，是地鐵在設(shè)計(jì)中必須要考慮的重要環(huán)節(jié)。

2 雜散電流的產(chǎn)生

理想的回流過程是牽引變電所通過接觸網(wǎng)向電動(dòng)列車輸送電能，列車通過走行軌使饋出的直流電流返回至牽引變電所[1]。但實(shí)際情況是，地鐵電動(dòng)車輛運(yùn)行時(shí)，走行軌會(huì)產(chǎn)生一定電壓降，而電壓降是形成走行軌對(duì)地電位的原因，因?yàn)樽咝熊墝?duì)地并非絕緣，而是存在一定的過渡電阻，既然走行軌對(duì)地存在電位和過渡電阻，就會(huì)有電流存在，這個(gè)電流就是走行軌對(duì)地泄露電流——雜散電流。雜散電流產(chǎn)生示意圖如圖1所示。

圖1 雜散電流產(chǎn)生示意圖

3 雜散電流的危害

只要地下的金屬管線流過雜散電流，在電流流出的地方，就會(huì)造成腐蝕[2]。它的危害主要是對(duì)金屬物體的腐蝕，雜散電流的腐蝕要比自然腐蝕嚴(yán)重的多，在長期的電腐蝕作用下，走行軌和地下金屬管線將受到嚴(yán)重的破壞。

3.1 雜散電流對(duì)走行軌的腐蝕

在列車下部，走行軌容易發(fā)生電蝕。有資料表明，走行軌的雜散電流腐蝕在隧道內(nèi)及道岔等部位尤其明顯，道釘也有被雜散電流腐蝕的現(xiàn)象，且多發(fā)生在釘入部位，從表面很難發(fā)現(xiàn)。

3.2 雜散電流對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋的腐蝕

雜散電流通過混凝土?xí)r對(duì)混凝土本身并不產(chǎn)生影響。但如果有鋼筋存在，則結(jié)構(gòu)鋼筋會(huì)起到匯集雜散電流的作用[3]。在電流離開鋼筋的部位發(fā)生腐蝕，腐蝕產(chǎn)生物的堆積會(huì)以機(jī)械作用排擠混凝土從而使之開裂。

3.3 雜散電流對(duì)埋地金屬管線的腐蝕

城市軌道交通系統(tǒng)內(nèi)的管線主要有自來水管線、燃?xì)夤芫€、石油管線、公共事業(yè)管線以及各種電纜管等。雜散電流如果突破了地鐵結(jié)構(gòu)鋼筋范圍向外流出，必然會(huì)對(duì)周圍埋地金屬管線產(chǎn)生腐蝕，城市軌道交通建設(shè)時(shí)如不考慮此問題會(huì)產(chǎn)生極其嚴(yán)重的后果[4]。工程實(shí)踐表明，平行于城市軌道交通線路的長距離管線和與城市軌道交通交叉的管線都會(huì)產(chǎn)生不同程度的雜散電流腐蝕。

4 雜散電流的防護(hù)

雜散電流腐蝕防護(hù)時(shí)重點(diǎn)要做“防、排、測(cè)”三方面的內(nèi)容，有以下具體防護(hù)方法。

（1）防——隔離、控制所有可能的雜散電流泄露途徑，減少雜散電流進(jìn)入軌道交通系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)、設(shè)備及與相關(guān)的設(shè)施。

（2）排——組成雜散電流的收集網(wǎng)系統(tǒng)即排流網(wǎng)系統(tǒng)。此排流網(wǎng)系統(tǒng)為雜散電流從鋼軌上泄漏后遇到的第一道電阻較小的回流通路，可將雜散電流盡量限制在本系統(tǒng)內(nèi)部，阻止雜散電流繼續(xù)向本系統(tǒng)以外的地方泄漏[5]。

（3）測(cè)——設(shè)置線路的雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)視可能產(chǎn)生的雜散電流大小，為軌道交通的運(yùn)營維護(hù)提供依據(jù)。

4.1 控制源頭

（1）牽引變電所站位的布置，應(yīng)符合規(guī)程允許電壓損失的要求，牽引變電所之間的距離越長，雜散電流越大。

（2）當(dāng)一座牽引變電所故障解列時(shí)，應(yīng)能采用大雙邊供電方式。與單邊供電相比，雙邊供電產(chǎn)生的雜散電流僅為單邊供電的四分之一。

（3）走行軌使用長軌，相鄰兩軌之間，接縫應(yīng)采用可靠的銅引線連接。

走行軌對(duì)地絕緣水平越好，則雜散電流的值越小。

（4）走行軌下設(shè)置絕緣墊。

（5）走行軌對(duì)地保持一定間隙，走行軌采用點(diǎn)支撐等。

（6）道床上設(shè)置排水溝，并在溝內(nèi)涂以防水涂料，以防滲水。

（7）在車輛段的檢修與停車庫中，每一條線路的走形軌均應(yīng)使用絕緣接頭，從而與車場(chǎng)線路的走形軌相隔離。

（8）敷設(shè)在軌道交通沿線的電力、通訊及控制測(cè)量電纜，應(yīng)采用防水絕緣護(hù)套的雙塑絕緣墊層；軌道交通中各種電纜，在隧洞中的電纜、水管等金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)以絕緣方式敷設(shè)；所有通向隧洞外的管線，必須裝有絕緣接頭或絕緣法蘭[6]。

（9）重視日常運(yùn)營維護(hù)。必須定期清掃線路，清除粉塵、油污、臟污、沙土等，及時(shí)清除道床積水，保持道床處于清潔干燥狀態(tài)。

4.2 積極排流

4.2.1 排流法的概念

因?yàn)橹挥挟?dāng)雜散電流從走行軌或鋼筋等金屬物流出時(shí)才會(huì)對(duì)其產(chǎn)生腐蝕，而雜散電流流出的區(qū)域集中在牽引變電所附近。通過將變電所負(fù)極與結(jié)構(gòu)鋼筋或其他可能收到腐蝕的金屬相連，這樣雜散電流就直接流回至牽引變電所，大大減少了雜散電流擴(kuò)散至其他地方的可能。

4.2.2 排流法的不足

當(dāng)牽引變電所負(fù)母排通過排流柜與道床收集網(wǎng)鋼筋電氣連通后，原來負(fù)母排的負(fù)電位將接近零電位，使得走行軌對(duì)地電位成倍增加，這樣將造成更嚴(yán)重的腐蝕。

4.2.3 排流柜的設(shè)置

正是由于排流法的不足，所以排流柜不是一直處于排流狀態(tài)，只有當(dāng)監(jiān)測(cè)到道床收集網(wǎng)鋼筋極化電位值超過設(shè)定值時(shí)，才作為一種應(yīng)急手段投入運(yùn)行。

4.3 加強(qiáng)監(jiān)測(cè)

為了監(jiān)測(cè)軌道交通牽引回流泄漏的情況和地下金屬結(jié)構(gòu)受雜散電流腐蝕的程度，必須進(jìn)行專門的測(cè)量工作。雜散電流的腐蝕程度是由結(jié)構(gòu)鋼筋表面向周圍泄漏的電流密度來確定的。由于電流密度難以直接測(cè)量，所以一般是通過測(cè)量腐蝕的間接指標(biāo)，即由雜散電流引起的結(jié)構(gòu)的電位極化偏移值來判斷設(shè)備受雜散電流腐蝕的情況。

雜散電流測(cè)量點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在軌道交通沿線的車站站臺(tái)兩側(cè)進(jìn)出站信號(hào)機(jī)附近的道床和隧道處、每一個(gè)回流點(diǎn)處及需要進(jìn)行測(cè)試的走形軌分?jǐn)帱c(diǎn)處、軌道交通橋梁兩段、軌道交通的盡頭線和線路與車輛段的連接坡道處，并定期對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢查維護(hù)。

5 鋼軌電位限制器

5.1 鋼軌電位限制器對(duì)雜散電流防護(hù)的影響

5.1.1 設(shè)置目的

由于某些故障，如接觸網(wǎng)與走行軌發(fā)生金屬性接觸短路，直流設(shè)備發(fā)生框架泄露等，或走行軌不明原因電位升高，當(dāng)乘客在進(jìn)出車廂時(shí)，易受到電擊危險(xiǎn)，因此設(shè)置鋼軌電位限制器。一旦走行軌出現(xiàn)高電位時(shí)自動(dòng)將其接地，以免危及人身安全。

5.1.2 對(duì)雜散電流防護(hù)的影響

經(jīng)常將牽引變電所負(fù)極直接接地，使其成為地下結(jié)構(gòu)的排流柜，無論對(duì)走行軌還是地下結(jié)構(gòu)都將加重電腐蝕。

5.2 解決方案

軌電位設(shè)置的目的就是保護(hù)乘客的安全，有異常電位升高時(shí)，軌電位裝置就會(huì)動(dòng)作，接觸器閉合，將負(fù)極與地短接。但是不是每次電位升高都有乘客上下車，所以軌電位裝置在運(yùn)行中有很多沒必要的動(dòng)作，因此如果將軌電位的動(dòng)作條件加上車站站臺(tái)有停列車?？浚湍苡行p少不必要的動(dòng)作，也就降低了雜散電流的危害[7]。

6 結(jié)語

目前雜散電流的防護(hù)已被人們所認(rèn)識(shí)，并日益受到人們的重視。軌道交通雜散電流腐蝕的防護(hù)，是軌道交通設(shè)計(jì)必須考慮的問題，必須嚴(yán)格按防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)施工，因?yàn)殡s散電流的防護(hù)直接關(guān)系到車站的使用壽命。而雜散電流的腐蝕是一個(gè)長期積累的結(jié)果，給研究工作帶來一定難度。日常運(yùn)營維護(hù)也是雜散電流防護(hù)的重要環(huán)節(jié)，正式運(yùn)營后，因灰塵、列車閘瓦鐵屑、油污、積水等雜質(zhì)，會(huì)使雜散電流增大。因此，在運(yùn)營維護(hù)中，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)置的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方案，定期測(cè)試及維護(hù)，發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)處理。