地鐵雜散電流的防護(hù)與監(jiān)測(cè)

董浩

摘要：雜散電流，即通過(guò)走行軌泄露、不能正常的回流，主要指泄露到地下，沿著大地回到牽引變電所或根本不回到牽引變電所，好像迷失方向一樣，從而形成雜散電流。它的主要危害對(duì)象是金屬結(jié)構(gòu)，對(duì)其產(chǎn)出腐蝕并影響其壽命。本文介紹了雜散電流的產(chǎn)生、防護(hù)以及監(jiān)測(cè)方法。

關(guān)鍵詞：雜散電流;極化電壓;腐蝕

1引言

軌道交通是國(guó)家和城市公共基礎(chǔ)設(shè)施，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和提高人民生活水平，構(gòu)建安全、舒適、方便的交通網(wǎng)絡(luò)，是發(fā)展城市的必然選擇。地鐵作為便捷的交通方式，已經(jīng)融入到日常生活中。在地鐵運(yùn)行過(guò)程中，雜散電流會(huì)對(duì)附近的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的腐蝕，影響其使用壽命。

2雜散電流的產(chǎn)生

地鐵一般采用電壓等級(jí)DC 1 500 V/750 V牽引的供電方式，接觸網(wǎng)為正極，走行軌為負(fù)極同時(shí)也作為回流線。一般情況下，牽引電流由正極發(fā)生，經(jīng)由接觸網(wǎng)、電客車和走形軌流回牽引變電所的負(fù)極。但在傳遞過(guò)程中，鋼軌與道床、隧道的阻抗不是無(wú)限大，通過(guò)的牽引電流會(huì)產(chǎn)生壓降，并且走形軌對(duì)地存在著一定的電位差，牽引電流不可能完全回到變電所，有一部分電流通過(guò)鋼軌、土壤、附近的鋼結(jié)構(gòu)、地下金屬管線等泄露，此泄漏電流稱為雜散電流。當(dāng)走形軌流經(jīng)電流時(shí)，由于走行軌與道床及其零部件間導(dǎo)電性和絕緣性不佳，產(chǎn)生的雜散電流會(huì)重新流到鋼軌，回到變電所的負(fù)極，如圖1所示。

雜散電流通過(guò)金屬器件時(shí)，金屬器件各點(diǎn)與鋼軌對(duì)大地的電位分布如圖2所示。

電化學(xué)腐蝕原理：電化學(xué)腐蝕——金屬在電解質(zhì)溶液中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的影響。

電化學(xué)腐蝕發(fā)生的條件：

（1）兩極間存在金屬導(dǎo)電通道;

（2）兩極間必須有電位差;

（3）兩極在電解質(zhì)中，且有流動(dòng)的自由離子。

化學(xué)方程式：

（1）在陽(yáng)極：Fe→Fe+2e;

（2）在有氧或堿性環(huán)境中，在陰極發(fā)生吸氧反應(yīng)O+2HO+4e→4OH。

鋼鐵發(fā)生的電化學(xué)腐蝕主要是吸氧腐蝕，產(chǎn)生氫氧化亞鐵，導(dǎo)致鋼鐵表面腐蝕，總的反應(yīng)方程式為：2Fe+O+2HO→2Fe+4OH。

3雜散電流的危害

（1）如果雜散電流流入電氣接地裝置，接地電位會(huì)被提高，使某些設(shè)備無(wú)法正常工作。

（2）地鐵迷流主要是對(duì)電纜鎧裝層、埋地金屬管道、隧道主體結(jié)構(gòu)中的鋼筋發(fā)生電化學(xué)腐蝕。它不僅能影響鋼結(jié)構(gòu)及金屬管道的使用壽命，還會(huì)降低地鐵主體結(jié)構(gòu)的耐久性和強(qiáng)度，其造成的后果是嚴(yán)重的，如煤氣管道泄漏、隧道內(nèi)滴水等。

（3）若走行軌對(duì)地的絕緣性變差，則產(chǎn)生的泄漏電流將增大，會(huì)影響牽引變電所繼電保護(hù)誤動(dòng)作，影響地鐵的正常運(yùn)營(yíng)。

4雜散電流防護(hù)

對(duì)雜散電流防護(hù)的原則是“以防為主，以排為輔，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)”。雜散電流防護(hù)是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，盡管采取各樣防護(hù)，也或多或少會(huì)有電流流入大地，但應(yīng)盡可能采取防護(hù)的措施，將雜散電流限制到最小，這就需要我們牢記上述原則以及多個(gè)專業(yè)之間共同合作，采取不同的措施，以達(dá)到防護(hù)目的。必須對(duì)雜散電流進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)，一旦數(shù)據(jù)有異常，可以快速定位事故發(fā)生地，同時(shí)采取一定的措施，將可能產(chǎn)生的后果限制到最小。如果已經(jīng)發(fā)生腐蝕事故，在考慮防護(hù)將變得很困難。因此，對(duì)雜散電流的防護(hù)就某種程度而言尤為重要。

為了減少雜散電流腐蝕事故，可采取以下措施：

（1）牽引變電所的位置，應(yīng)滿足運(yùn)行的電壓損失

（2）牽引網(wǎng)應(yīng)保證正常運(yùn)行時(shí)雙邊供電的要求;

（3）當(dāng)任一牽引變電所發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)能采取大雙邊供電方式;

（4）牽引變電所有排流設(shè)備，需要時(shí)進(jìn)行排流;

（5）地鐵運(yùn)行半個(gè)小時(shí)內(nèi)，地下金屬結(jié)構(gòu)相對(duì)參比電極本體電位正向偏移不得超過(guò)500 mV;

（6）隧道結(jié)構(gòu)金屬外殼以及各種金屬導(dǎo)線不得與鋼軌有直接電氣連接。

雜散電流防護(hù)的方法有很多種，但在工程實(shí)際中主要采用地下設(shè)施和地鐵線路的防護(hù)。

4.1地下設(shè)施防護(hù)

（1）地鐵沿線走行軌上經(jīng)常容易產(chǎn)生雜散電流至地下，而使地下的金屬結(jié)構(gòu)被腐蝕。因此，應(yīng)該重點(diǎn)隔離走行軌與地下金屬，減少它們之間的電氣連接，可有效減少雜散電流。目前，主要采用覆蓋絕緣層及鋪設(shè)絕緣管道的方法。

（2）對(duì)于開(kāi)通很早的地鐵，隔離電氣連接的措施可能已經(jīng)失效可采取排流法，加裝排流柜，使其流回變電所的負(fù)極，減少雜散電流對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕。

4.2正線防護(hù)

（1）設(shè)置雜散電流主收集網(wǎng)，如圖3所示。將地鐵沿線地表鋼結(jié)構(gòu)充分電氣連接，防止雜散電流泄入地下，腐蝕周圍鋼結(jié)構(gòu)。

（2）設(shè)置雜散電流輔助收集網(wǎng)。由上圖可以看出將隧道表面分布的金屬結(jié)構(gòu)全部連接起來(lái)同車站構(gòu)成一個(gè)整體，它們之間進(jìn)行有效的電氣連接，可以大大減少隧道內(nèi)金屬被腐蝕。

（3）設(shè)置新型智能排流柜及排流端子。地鐵在施工時(shí)，在走行軌下方每隔一定的距離而設(shè)置的排流網(wǎng)。

5雜散電流監(jiān)測(cè)

由于雜散電流無(wú)法直接測(cè)量，實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)測(cè)量結(jié)構(gòu)件電位極化偏移進(jìn)行判斷。地鐵雜散電流檢測(cè)系統(tǒng)

由傳感器、參考電極、檢測(cè)系統(tǒng)組成，監(jiān)測(cè)的主要參數(shù)有本體電位、極化瞬時(shí)電位和極化電位平均值。

（1）本體電位：在沒(méi)有雜散電流擾動(dòng)的情況下，測(cè)量的電位分布呈一穩(wěn)定值，此穩(wěn)定值我們稱之為自然本體電位，簡(jiǎn)稱本體電位。此值的測(cè)量時(shí)間一般于每日凌晨無(wú)列車運(yùn)行時(shí)進(jìn)行。

（2）極化電壓的正向偏移平均值不應(yīng)超過(guò)0.5 V。

5.1雜散電流的監(jiān)測(cè)方案

①分散式雜散電流監(jiān)測(cè)

該系統(tǒng)由參考電極、接線盒、信號(hào)測(cè)量電纜、測(cè)試箱、綜合測(cè)試裝置和微機(jī)管理系統(tǒng)組成。其構(gòu)成示意圖如圖4所示。

②集中式雜散電流監(jiān)測(cè)

該系統(tǒng)由參考電極、傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)接器、智能監(jiān)測(cè)裝置和微機(jī)管理系統(tǒng)組成，如圖5所示。

6結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)雜散電流產(chǎn)生條件的分析，電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生OH離子，與Fe反應(yīng)，造成腐蝕。

（2）雜散電流不可能消失不見(jiàn)，應(yīng)采取地下與正線相結(jié)合的防護(hù)方式，盡可能減少。

（3）集中式雜散電流監(jiān)測(cè)更智能，應(yīng)用較廣，但成本相對(duì)來(lái)說(shuō)會(huì)更高。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱軍.中國(guó)城市軌道交通發(fā)展的態(tài)勢(shì)[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息2006，27（1）：22-23.

[2]曾潤(rùn)忠，李艷鳳.地鐵與輕軌工程[M].北京：人民交通出版社股份有限公司，2016：12-14.

[3]劉介才.工廠供電第6版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[4]李威.地鐵雜散電流腐蝕監(jiān)測(cè)及防護(hù)技術(shù)[M].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2004.

[5]楊煉，范春菊，孫陳勇.地鐵供電系統(tǒng)繼電保護(hù)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2012.

[6]張憲，張大鵬.電氣制圖與識(shí)圖第2版[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[7] 2 PHAM，K D，THOMAS，RS Analysis of stray current，track-to-earth potentials and substation negative grounding in DC traction electrification system[J].Proceedings of the IEEE/ASME Joint Railroad Conference.2001（4）：17-19.

[8]林永順.牽引變電所（第2版）[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2006.

[9]黃德勝，張巍.地下鐵道供電[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2009.