地鐵直流牽引系統(tǒng)雜散電流防護(hù)問(wèn)題分析

王立東

（長(zhǎng)春市軌道交通集團(tuán)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000）

0 引言

我國(guó)地鐵多采用走行軌回流直流牽引供電方式。直流牽引系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生常態(tài)化的雜散電流，又稱為迷流，對(duì)地鐵直流牽引系統(tǒng)本身產(chǎn)生一定的電腐蝕作用，影響地鐵的使用壽命，還會(huì)對(duì)沿線城市建筑的鋼筋結(jié)構(gòu)和地下管網(wǎng)設(shè)施設(shè)備帶來(lái)相當(dāng)程度的危害[1]。由于雜散電流存在難以測(cè)算的特性，電腐蝕效應(yīng)的損害又相對(duì)直接且容易擴(kuò)散，如何防護(hù)地鐵直流牽引系統(tǒng)雜散電流問(wèn)題日益成為軌道交通所面臨的大問(wèn)題。當(dāng)前我國(guó)地鐵沿線的固定資產(chǎn)、設(shè)備設(shè)施價(jià)值巨大，金屬結(jié)構(gòu)復(fù)雜且管網(wǎng)縱橫，要盡量避免地鐵雜散電流對(duì)其產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。

本文力圖剖析與解決這個(gè)核心問(wèn)題，基于已有研究的基礎(chǔ)上采取一系列措施試圖降低雜散電流對(duì)地鐵直流遷移系統(tǒng)的腐蝕作用，保護(hù)地鐵系統(tǒng)的價(jià)值與安全。

1 地鐵直流牽引系統(tǒng)雜散電流綜述

1.1 地鐵直流牽引系統(tǒng)雜散電流的社會(huì)危害

時(shí)至今日，針對(duì)雜散電流的研究，業(yè)界已經(jīng)能夠達(dá)成如下共識(shí)：雜散電流的產(chǎn)生與地鐵運(yùn)行相關(guān)，對(duì)沿線金屬設(shè)施造成消極影響，而且嚴(yán)重影響地鐵結(jié)構(gòu)鋼筋的穩(wěn)定性，嚴(yán)重的還會(huì)對(duì)地鐵沿線建筑物造成鋼腐蝕（見(jiàn)圖1）。

圖1 地鐵直流供電系統(tǒng)雜散電流的產(chǎn)生

早在20世紀(jì)60年代我國(guó)剛剛興建地鐵時(shí)，就將雜散電流作為一大科研項(xiàng)目技術(shù)難題應(yīng)對(duì)、處理，雜散電流也一直如影隨形地與我國(guó)地鐵事業(yè)共存至今。雜散電流對(duì)地鐵沿線社會(huì)財(cái)富的危害主要是通過(guò)電化學(xué)腐蝕實(shí)現(xiàn)的，由于雜散電流在鋼鐵表面上產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕以吸氧腐蝕為主，在管網(wǎng)、鋼筋結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生氫氧化亞鐵，導(dǎo)致設(shè)備設(shè)施或固定金屬結(jié)構(gòu)性能老化、失去強(qiáng)度與韌性，或者瞬間產(chǎn)生過(guò)大電流導(dǎo)致以敏感元件為主的現(xiàn)代智能化設(shè)備產(chǎn)生誤判，造成經(jīng)濟(jì)損失。

1.2 地鐵直流牽引系統(tǒng)雜散電流社會(huì)危害的表現(xiàn)形式

從上得知，雜散電流的社會(huì)危害主要由其電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象決定，也有其他脅從危害，表現(xiàn)形式具體如下：

其一，地鐵直流牽引系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)，雜散電流嚴(yán)重超出規(guī)范要求并且流入某些地鐵沿線固定設(shè)備的電氣接地裝置，如電器保險(xiǎn)柜、配電設(shè)施等，導(dǎo)致該設(shè)備產(chǎn)生誤判，停止工作或切斷工作狀態(tài)，造成財(cái)產(chǎn)損失。

其二，對(duì)埋地電纜鎧裝層、埋地金屬管道、混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，影響金屬的使用壽命，間接造成地下人造持力結(jié)構(gòu)的耐久性下降和性能退化，如煤氣管道、熱力管道等泄漏、泄水，影響城市居民日常生活。

其三，影響地鐵的工作狀態(tài)，如因走行軌對(duì)地絕緣性降低而產(chǎn)生的雜散電流，影響傳感器、繼電器等的工作狀態(tài)，啟動(dòng)保護(hù)開(kāi)關(guān)形成誤操作，造成物質(zhì)財(cái)富的直接損失[2]。

1.3 地鐵直流牽引系統(tǒng)雜散電流的產(chǎn)生原因

雜散電流的產(chǎn)生原因是地鐵牽引供電系統(tǒng)采用直流供電方式。從電學(xué)原理來(lái)看，牽引變電所發(fā)出的牽引電流電壓為DC 1500V/750V，以接觸網(wǎng)為正極，以走行軌為負(fù)極兼回流線，在接觸網(wǎng)、車(chē)輛、走行軌之間形成一條閉環(huán)電路并回歸負(fù)極。該能量在傳遞過(guò)程中會(huì)散失一部分，表現(xiàn)形態(tài)即電力損耗，這就是雜散電流的總和。由于雜散電流最終泄漏到大地中，而其泄漏點(diǎn)的影響因素千變?nèi)f化，在走行軌道與大地接觸面，過(guò)渡電阻絕緣效果不穩(wěn)定之處都有可能發(fā)生，而且是必然存在的常態(tài)現(xiàn)象，既無(wú)法阻止又無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其產(chǎn)生，故有“迷流”之稱。

2 地鐵直流牽引系統(tǒng)雜散電流的防護(hù)策略

2.1 地鐵直流牽引系統(tǒng)雜散電流的防護(hù)原則

當(dāng)前，我國(guó)對(duì)地鐵直流牽引系統(tǒng)雜散電流的防護(hù)原則是“以防為主，以排為輔，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)”。由于雜散電流的防護(hù)工程相對(duì)復(fù)雜，而且不能從根本上杜絕雜散電流流入大地，需要各單位、各部門(mén)平時(shí)注意專業(yè)之間的預(yù)防合作，從雜散電流的產(chǎn)生源頭上采取控制性措施，或者在發(fā)生影響的地點(diǎn)采取針對(duì)性的防護(hù)手段，將該地雜散電流對(duì)社會(huì)生活的影響限制到最低，達(dá)到防護(hù)目的。另一個(gè)監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)在于數(shù)據(jù)的采集和分析，由于電流作用微不可見(jiàn)而且預(yù)測(cè)起來(lái)十分困難，所以當(dāng)前常用錨點(diǎn)法進(jìn)行異常數(shù)據(jù)的排查工作，以定位雜散電流影響相對(duì)嚴(yán)重的區(qū)域，并在該區(qū)域中采取一定的措施手段，達(dá)到相對(duì)防護(hù)的目的[3]。

2.2 地鐵直流牽引系統(tǒng)雜散電流的直接防護(hù)

直接防護(hù)是直接針對(duì)雜散電流的源頭根治、影響防護(hù)、后果限制等一系列措施。一般情況下，防護(hù)的對(duì)象都是多次發(fā)生雜散電流異常事故的地區(qū)，如線路中斷、故障頻發(fā)等地區(qū)。而且直接防護(hù)并不能從根本上消滅雜散電流的存在與產(chǎn)生，因此一般考慮在這種雜散電流異常區(qū)域通過(guò)控制手段對(duì)雜散電流現(xiàn)象進(jìn)行抑制。一般的防護(hù)措施有以下幾種：

其一，對(duì)牽引變電所重新進(jìn)行區(qū)位選址，在電壓滿足車(chē)輛運(yùn)行要求的前提下，采用多段式分布來(lái)減少產(chǎn)生的最大電壓峰值，以達(dá)到控制雜散電流產(chǎn)生、保護(hù)地下設(shè)施的目的。

其二，在牽引變電所設(shè)置更為先進(jìn)的排流設(shè)備。由于在牽引網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中采取雙邊供電，因此牽引網(wǎng)應(yīng)在排流設(shè)備上及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)產(chǎn)生自源頭的雜散電流盡量排流、引流，以降低整體網(wǎng)絡(luò)中的雜散電流總量，達(dá)到保護(hù)地鐵線路的目的。

其三，線路防護(hù)。地鐵隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)的金屬部分要保證隔離防護(hù)程度，不得裸露在外，不得與走行軌之間以各種直接、間接的方式連接，以達(dá)到對(duì)地下設(shè)施、地鐵線路防護(hù)的目的。

2.3 地鐵直流牽引系統(tǒng)雜散電流的監(jiān)測(cè)防護(hù)

由于地鐵直流牽引系統(tǒng)雜散電流無(wú)法直接測(cè)量，所以一般多采取受害地區(qū)反映、匯報(bào)，相應(yīng)部門(mén)派出防護(hù)人員直接防護(hù)，并明確雜散電流對(duì)該地的直接危害，在實(shí)際應(yīng)用中建立監(jiān)測(cè)防護(hù)體系予以監(jiān)督控制。由于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，地鐵直流牽引系統(tǒng)雜散電流的檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)從信息化時(shí)代邁入了大數(shù)據(jù)時(shí)代，由二代分散式系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到三代集中式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了信息聯(lián)動(dòng)監(jiān)測(cè)。二代系統(tǒng)和三代系統(tǒng)都由傳感器、參考電極、檢測(cè)系統(tǒng)等部分構(gòu)成，監(jiān)測(cè)的主要原理是基于雜散電流的參數(shù)設(shè)計(jì)而分置一套科學(xué)模型，重要參數(shù)有本體電位、極化瞬時(shí)電位、極化電位平均值等。其中本體電位是沒(méi)有雜散電流擾動(dòng)情況下的測(cè)量電位基礎(chǔ)穩(wěn)定值，反映了每日凌晨無(wú)列車(chē)運(yùn)行時(shí)的測(cè)量目標(biāo)電壓標(biāo)準(zhǔn)情況，是重要的參考基準(zhǔn)點(diǎn)。參考標(biāo)準(zhǔn)是極化電壓的正向偏移情況。如果傳感器終端傳來(lái)的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了某處終端極化電壓正向偏移的平均值超過(guò)了0.5V，可以判斷終端的雜散電流數(shù)據(jù)異常，再?gòu)慕K端所在地進(jìn)行事故發(fā)生地的區(qū)域量化描述，根據(jù)嚴(yán)重情況而采取相應(yīng)措施。

3 地鐵直流牽引系統(tǒng)雜散電流防護(hù)的具體措施

3.1 地鐵直流牽引系統(tǒng)雜散電流的設(shè)備設(shè)施防護(hù)

由于在地鐵沿線走行軌上所產(chǎn)生雜散電流一般作用在地下相近的金屬結(jié)構(gòu)組織，并產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕、核定電流超載等具體問(wèn)題。因此，設(shè)備設(shè)施防護(hù)的重點(diǎn)可放在隔離走行軌與地下金屬結(jié)構(gòu)組織的直接電氣連接方面，可有效減少雜散電流。具體的防護(hù)措施可考慮覆蓋絕緣層、將金屬結(jié)構(gòu)組織替換為絕緣材料的方法。例如，以PVC 材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料作為民用管網(wǎng)的主材、在金屬管道外層包覆絕緣性能更為優(yōu)異的新型材料等等，以達(dá)到有效防護(hù)的目的。一些投入運(yùn)營(yíng)較早的地鐵線路由于周邊建筑、設(shè)備設(shè)施的材料應(yīng)用方面金屬結(jié)構(gòu)相對(duì)較多，改善的難度較大，可采用排流法隔離雜散電流與設(shè)備設(shè)施的電氣連接。例如，加裝排流柜等專用設(shè)備，使雜散電流從排流柜流回變電所，減少設(shè)備設(shè)施與雜散電流的接觸量，達(dá)到截流引流的目的。

3.2 完善地鐵直流牽引系統(tǒng)雜散電流收集網(wǎng)

地鐵直流牽引系統(tǒng)雜散電流收集網(wǎng)是一個(gè)相對(duì)較為復(fù)雜的雜散電流收集系統(tǒng)，有效整合了地鐵沿線整體區(qū)域的直接防護(hù)措施，具體包括以下設(shè)施設(shè)備：

其一，主收集網(wǎng)。構(gòu)建主收集網(wǎng)的具體措施在于將地鐵沿線金屬結(jié)構(gòu)納入一個(gè)總體范圍，對(duì)其可能產(chǎn)生的電氣連接進(jìn)行邊界分析，以防范雜散電流與總體范圍的接觸層面，并針對(duì)性地設(shè)置直接防護(hù)體系。

其二，輔收集網(wǎng)。輔收集網(wǎng)包括圖2中的全部表層金屬結(jié)構(gòu)，將這些金屬結(jié)構(gòu)與地鐵系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行整體性分析，在地鐵系統(tǒng)與金屬結(jié)構(gòu)之間籌劃電氣連接的隔絕方案。

圖2 地鐵直流牽引系統(tǒng)雜散電流收集網(wǎng)剖面圖

其三，增設(shè)智能排流柜。沿地鐵走行軌下方分段設(shè)置帶有感應(yīng)器的排流柜，若干單位的排流柜構(gòu)成一個(gè)防護(hù)網(wǎng)，從區(qū)域上進(jìn)行小范圍的收集防護(hù)。

3.3 對(duì)地鐵直流牽引系統(tǒng)雜散電流進(jìn)行集中式監(jiān)測(cè)

集中式地鐵雜散電流監(jiān)控裝置是可進(jìn)行模擬仿真計(jì)算的智能化設(shè)備，由參考電極、傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)接器、智能監(jiān)測(cè)裝置和終端系統(tǒng)組成。其工作原理是在多個(gè)牽引站內(nèi)設(shè)置帶有傳感器的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，該傳感器采取外接極化電壓采集點(diǎn)設(shè)計(jì)，其參考電極對(duì)于牽引站雜散電流進(jìn)行敏感度測(cè)試并數(shù)據(jù)采集，如圖3所示。從圖中可見(jiàn)，在地鐵整條線路車(chē)站都需要設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從若干監(jiān)測(cè)點(diǎn)中采集數(shù)據(jù)，通過(guò)應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)模擬仿真，采用相對(duì)精密的數(shù)據(jù)分析法，其成本相對(duì)可觀。

圖3 集中式雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，一方面地鐵直流牽引系統(tǒng)所產(chǎn)生的雜散電流超過(guò)評(píng)估范疇，另一方面超齡服役的地鐵目前仍然存在，因此雜散電流也會(huì)長(zhǎng)期存在。鑒于國(guó)際、國(guó)內(nèi)對(duì)地鐵直流牽引系統(tǒng)雜散電流的理論并不統(tǒng)一，也沒(méi)有各方一致認(rèn)可的計(jì)算方式，導(dǎo)致防范缺乏嚴(yán)密的理論依據(jù)，因此對(duì)其防護(hù)也只能停留在防護(hù)結(jié)合的層面上。最大程度上對(duì)其進(jìn)行引流分流，盡可能減少雜散電流對(duì)地下電力、接地系統(tǒng)的破壞性影響，防止產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，以上兩者皆不治本。最理想的方式是應(yīng)用智能監(jiān)控方式對(duì)其影響進(jìn)行控制，但目前還面臨著監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本過(guò)高的問(wèn)題，需要注意并進(jìn)一步改善。