地鐵雜散電流的防護與監(jiān)測

摘要：雜散電流，即通過走行軌泄露、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。它的主要危害對象是金屬結構，對其產(chǎn)出腐蝕并影響其壽命。本文介紹了雜散電流的產(chǎn)生、防護以及監(jiān)測方法。

關鍵詞：雜散電流；極化電壓；腐蝕

1 引言

軌道交通是國家和城市公共基礎設施，是國民經(jīng)濟、社會發(fā)展和提高人民生活水平，構建安全、舒適、方便的交通網(wǎng)絡，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。在地鐵運行過程中，雜散電流會對附近的鋼結構產(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 DC 1 500 V / 750 V 牽引的供電方式，接觸網(wǎng)為正極，走行軌為負極同時也作為回流線。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極。但在傳遞過程中，鋼軌與道床、隧道的阻抗不是無限大 , 通過的牽引電流會產(chǎn)生壓降 , 并且走形軌對地存在著一定的電位差 , 牽引電流不可能完全回到變電所，有一部分電流通過鋼軌、土壤、附近的鋼結構、地下金屬管線等泄露 , 此泄漏電流稱為雜散電流。當走形軌流經(jīng)電流時，由于走行軌與道床及其零部件間導電性和絕緣性不佳，產(chǎn)生的雜散電流會重新流到鋼軌，回到變電所的負極，如圖 1 所示。

雜散電流通過金屬器件時，金屬器件各點與鋼軌對大地的電位分布如圖 2 所示。

圖1 雜散電流重新流到鋼軌及變電所的負極

圖2 金屬器件各點與鋼軌對大地的電位分布

電化學腐蝕原理：電化學腐蝕——金屬在電解質溶液中發(fā)生電化學反應的影響。

電化學腐蝕發(fā)生的條件：

（1）兩極間存在金屬導電通道；

（2）兩極間必須有電位差；

（3）兩極在電解質中，且有流動的自由離子。

化學方程式：

3 雜散電流的危害

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

（2）地鐵迷流主要是對電纜鎧裝層、埋地金屬管道、隧道主體結構中的鋼筋發(fā)生電化學腐蝕。它不僅能影響鋼結構及金屬管道的使用壽命，還會降低地鐵主體結構的耐久性和強度，其造成的后果是嚴重的，如煤氣管道泄漏、隧道內滴水等。

（3）若走行軌對地的絕緣性變差，則產(chǎn)生的泄漏電流將增大，會影響牽引變電所繼電保護誤動作，影響地鐵的正常運營。

4 雜散電流防護

對雜散電流防護的原則是“以防為主，以排為輔，重點監(jiān)測”。雜散電流防護是一項復雜的工程，盡管采取各樣防護，也或多或少會有電流流入大地，但應盡可能采取防護的措施，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專業(yè)之間共同合作，采取不同的措施，以達到防護目的。必須對雜散電流進行實時數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測，一旦數(shù)據(jù)有異常，可以快速定位事故發(fā)生地，同時采取一定的措施，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，在考慮防護將變得很困難。因此，對雜散電流的防護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，應滿足運行的電壓損失；

（2）牽引網(wǎng)應保證正常運行時雙邊供電的要求；

（3）當任一牽引變電所發(fā)生故障時，應能采取大雙邊供電方式；

（4）牽引變電所有排流設備，需要時進行排流；

（5）地鐵運行半個小時內，地下金屬結構相對參比電極本體電位正向偏移不得超過 500 mV；

（6）隧道結構金屬外殼以及各種金屬導線不得與鋼軌有直接電氣連接。

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

4.1 地下設施防護

（1）地鐵沿線走行軌上經(jīng)常容易產(chǎn)生雜散電流至地下，而使地下的金屬結構被腐蝕。因此，應該重點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絕緣管道的方法。

（2）對于開通很早的地鐵，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極，減少雜散電流對鋼結構的腐蝕。

4.2 正線防護

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

（2）設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構全部連接起來同車站構成一個整體，它們之間進行有效的電氣連接，可以大大減少隧道內金屬被腐蝕。

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

5 雜散電流監(jiān)測

由于雜散電流無法直接測量，實際應用中通過測量結構件電位極化偏移進行判斷。地鐵雜散電流檢測系統(tǒng)由傳感器、參考電極、檢測系統(tǒng)組成，監(jiān)測的主要參數(shù)有本體電位、極化瞬時電位和極化電位平均值。

（1）本體電位：在沒有雜散電流擾動的情況下，測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，簡稱本體電位。此值的測量時間一般于每日凌晨無列車運行時進行。

（2）極化電壓的正向偏移平均值不應超過 0.5 V。

5.1 雜散電流的監(jiān)測方案

①分散式雜散電流監(jiān)測

該系統(tǒng)由參考電極、接線盒、信號測量電纜、測試箱、綜合測試裝置和微機管理系統(tǒng)組成。其構成示意圖如圖 4 所示。

②集中式雜散電流監(jiān)測

該系統(tǒng)由參考電極、傳感器、信號轉接器、智能監(jiān)測裝置和微機管理系統(tǒng)組成，如圖 5 所示。

6 結語

（1）通過對雜散電流產(chǎn)生條件的分析，電化學腐蝕產(chǎn)生 OH 離子，與 Fe 反應，造成腐蝕。

（2）雜散電流不可能消失不見，應采取地下與正線相結合的防護方式，盡可能減少。

（3）集中式雜散電流監(jiān)測更智能，應用較廣，但成本相對來說會更高。

參考文獻：

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

[2] 曾潤忠,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:機械工業(yè)出版社,2015.

[4] 李威.地鐵雜散電流腐蝕監(jiān)測及防護技術[M].北京:中國礦業(yè)大學出版社,2004.

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

[6] 張憲,張大鵬.電氣制圖與識圖,第2版[M].北京:化學工業(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:中國鐵道出版社,2006.

[9] 黃德勝,張巍.地下鐵道供電[M].北京:中國電力出版社,2009.

(注：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》2022年7月期)