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1、 杂散电流监测防护系统和控制原理 1引言 在城市地铁和轻轨等轨道交通运输系统中 一般采用直流牵引 走行轨回流 因此 不可避免会有电流从走行轨泄入大地 对地下或地面的金属构件如结构钢筋 地下管线等产生严重的腐蚀 腐蚀不仅造成大量的金属损失 更为严重的是 可能造成结构的破坏和其他系统的损害 由于腐蚀的隐蔽性和突发性 一旦发生事故 往往会造成灾难性的后果 因此 对杂散电流防护必须给予足够的重视 所做工作 北京和利时公司长期从事城市轨道杂散电流的研究 监测工作 在杂散电流的危害 机理 监测 防治等方面积累了大量经验 作为主要起草人 参与制定了城市轨道交通相关的行业标准 杂散电流测试方法和装置在城市轨道
2、交通行业得到广泛应用 所做工作 1999年开始与北京地铁公司在地铁杂散电流防护方面进行了科研 研发了杂散电流监测系统 应用在北京地铁13号线 2001年 开发研制了PM326 A排流控制器 PM321 A型地铁杂散电流监测装置 通过了北京市科委的科技成果鉴定 并获得了国家专利 目前已应用在广州 武汉 深圳 大连 北京等城市轨道交通工程 2危害 在地铁 或轻轨 等直流电气化轨道运输系统中以轨道作为回流导体 由于钢轨不可能对地完全绝缘 而且回流轨存在电压降 因而导致一部分负荷电流 从轨道流到轨枕和道床及地下钢轨金属设施中去 这部分电流 就是杂散电流 迷流 杂散电流示意图 杂散电流所经过的路径可概括
3、为两个串联的腐蚀电池 即电池 A钢轨 阳极区 B道床 C排流网 阴极区 电池 D排流网 阳极区 E道床 F钢轨 阴极区 2 1杂散电流腐蚀金属 杂散电流对地铁或轻轨隧道结构钢筋及地下钢铁金属设施 产生严重的腐蚀 杂散电流引起的腐蚀比自然腐蚀要剧烈得多 杂散电流引起的腐蚀与钢铁在电解质中发生的自然腐蚀不同 杂散电流腐蚀是由于外部电源泄漏的电流作用而引起的结果 而自然腐蚀的电流是自发进行的 且杂散电流在数值上要比自然腐蚀的电流大几十倍 甚至上千倍 腐蚀强度大 危害大 范围广 随机性强 腐蚀激烈 腐蚀集中于局部位置 当有防腐层时 往往集中于防腐层的缺陷部位 根据法拉第电解定律 每1安培的杂散电流 每
4、年可腐蚀钢铁金属9 11kg 排流网是杂散电流的良好通道 在回电点附近 杂散电流从排流网的结构钢中流出 排流网的结构钢因失去电子 而带正电 铁离子与水蒸气中的硫酸根离子作用而变成硫酸盐 因而被腐蚀 地铁隧道或轻轨基础为混凝土结构 排流网总的钢筋有杂散电流流出时 钢筋的电位将发生正向偏移 阳极极化 阳极电流 流出的杂散电流 和阳极电位变化的规律 阳极极化曲线如图2所示 阳极极化曲线 我国的CJJ49 92行业标准 地铁杂散电流腐蚀防护技术规程 第3 0 5条中规定 对于主体混凝土结构的钢筋极化电压的正向偏移值不得大于0 5V 这一条作为防腐蚀的标准 排流网结构钢筋的极化电位时可以测试出来的 如图
5、3所示 参比电极的本体电位结构钢极化电位测量原理图 在排流网与轨道之间的水泥基础上装设参比电极 则可测出V1与V2 V V1 V2即为排流网结构钢筋与水泥基础间的电位差 极化电位 2 2杂散电流破坏混凝土结构 杂散电流通过混凝土时对混凝土本身并不产生影响 但如果有钢筋存在 则钢筋起汇集电流的作用并把电流引导到排流点 在杂散电流由混凝土进入钢筋之处 钢筋呈阴极 如果阴极析氢且氢气不能从混凝土逸出 就会形成等静压力 使钢筋与混凝土脱开 在电流离开钢筋的部位 钢筋呈阳极发生腐蚀并形成腐蚀产物Fe OH 2 Fe2O3 2xH2O 红锈 Fe3O4 黑锈 等 腐蚀产物在阳极处的堆积会以机械作用排挤混凝
6、土而使之开裂 根据研究 红锈的体积可大到原来钢筋体积的4倍 黑锈体积可大到原来的2倍 铁锈的形成 使钢筋体积膨胀 进而对周围混凝土产生压力 使混凝土内部形成拉应力 由于混凝土的抗拉强度很低 一般只有0 88MPa 1 5MPa 使混凝土沿钢筋方向开裂 2 3杂散电流腐蚀埋地管线 地铁系统附近的埋地管线主要有自来水管线 石油管线 蒸汽管线 煤气管线 等公共事业管线以及各种电缆管等 埋地管线容易集积杂散电流 故易受腐蚀 在设计和建造地铁时不考虑此问题会产生极其严重的后果 我国东北石油管道系统 穿越某直流电气化铁路 埋地三年就发生了腐蚀穿孔 腐蚀速度达到2 0 2 5mm 年 上海有一向虹桥机场输油
7、的石油管道 穿越上海地铁1号线 已经发生了腐蚀 2 4杂散电流造成人身触电 地铁轨道为长轨 是由多节轨道焊接而成 因此轨道接缝电阻值较大 而使轨道与结构钢之间的电位差增加 如果轨道接缝处开焊 轨道接缝电阻更大 这使轨道与结构钢之间的电位差更高 如图4所示 在站台上 地铁乘客手脚之间的电位差为 V 当这个电位差很高时 人就有死亡的危险 德国标准VDE0115规定 这个电位差不得超过92V 监测轨道对结构钢筋的电位变化 就可以监测轨道纵向电阻值的变化 也就可以监测走行轨回流的情况 2 5杂散电流烧毁排流设备 轨道与轨枕之间有绝缘相隔 如果由于某种原因 绝缘物损坏 轨道与排流网短路 这时将有非常大的
8、杂散电流 通过排流网 排流柜 流回牵引变流所 排流柜中的核心元件排流二极管的容量有限 一般通流能力不超过200A 因此过大的杂散电流可能烧毁排流柜 如果排流柜设置熔断器保护 会造成排流支路的中断 在最需要排流的时候 排流柜起不到应有的作用 2 6杂散电流对通信的影响 杂散电流除腐蚀地下管线外 杂散电流使通信导线与附近大地形成电位差 会在接地的通信设备机架上形成高电位 影响通信 甚至危及设备和人员的安全 3杂散电流危害防护的方法 地铁 或轻轨 工程是大型的重点工程 必须贯彻 百年大计 质量第一 的方针 所以做好地铁杂散电流防护是保证地铁工程质量相当重要的一环 对杂散电流防护的原则 应该 以防为主
9、 以排为辅 加强监测 防止外泄 3 1改进轨道交通系统 减小回流轨的电阻增加回流轨的截面积为回流提供一个连续的电气通路减小变电所之间的距离增加泄漏路径对地电阻增加轨道对地电阻正线轨道的分段处理车辆段的轨道的绝缘隔离 3 2改进轨道交通系统附近的地下金属结构 在轨道附近的新建结构要仔细选择位置避免电缆与管线和其它结构接触管线和电缆的金属铠装要绝缘对结构使用绝缘涂层使受腐蚀影响的结构相互连接并与地铁的回流电路相连 3 3其他措施 控制钢轨电压恒定 使漏泄电流减至最小 按照其所在处钢轨对地电压的高低把负馈电线的电压恰当地叠加到钢轨上 使钢轨电压各处相同 从而消除钢轨与大地间的电位差 通过向埋地电极施
10、加支流偏压来吸收钢轨对地漏泄电流 在有道岔 铁路桥梁 隧洞或路基状况不良而容易产尘漏泄电流之处的附近埋设电极 在电极与钢轨间设置支流电源 适当调节电源的电压和极性 可使该部位的漏泄电路基本上完全被电极吸收或由电极排出 从而大幅度地减少流经埋地结构物中的杂散电流 显著减轻其腐蚀 杂散电流分布的一般规律 1 当列车运行在区间中间位置时轨道电压为正的最大值 此时也对应着杂散电流出现最大值 在回流点处轨道电压为负的最大值 此处的排流网处于阳极区 是杂散电流腐蚀最严重的区域 2 轨道电压随列车牵引电流增加而增加 而且增幅较大 列车处的轨道电压为最大值 尽管随着列车牵引电流的增加 杂散电流也增加 但增加幅
11、度不大 3 随着轨道纵向电阻的增加 轨道电压大幅增加 杂散电流在最初轨道纵向电阻值较小时增加不明显 但随着轨道纵向电阻值的增加 杂散电流增幅速度越来越快 4 轨地过渡电阻对杂散电流的分布影响最大 过渡电阻越小 杂散电流越大 过渡电阻大于15 km时 杂散电流可以忽略 过渡电阻大于3 km时 杂散电流变化很小 过渡电阻 3 km时 杂散电流变化剧烈 过渡电阻 1 km后 杂散电流漏泄严重 必须采取有效措施进行处理 5 排流网电阻对轨道电压和杂散电流的影响很小 工程设计上做混凝土结构钢筋的截面计算时 主要考虑土建专业对混凝土强度的要求 6 供电区间距离增大 轨道电压和杂散电流均增加 增幅也较大 尽
12、可能的缩短供电区间距离 对减小杂散电流有重要的意义 结论 通过对杂散电流分布规律的研究发现 对杂散电流分布影响较大的参数是列车牵引电流 轨地过渡电阻 轨道纵向电阻和供电区间距离 在城市轨道交通建设和运营时应该采取有效措施 尽可能的增大轨地过渡电阻并减小列车牵引电流 轨道纵向电阻和供电区间距离 CJJ49 92地铁杂散电流腐蚀防护技术规程 对于杂散电流的要求有下面几条规定 1 地铁轨道泄漏出来的杂散电流 能否引起隧洞结构钢筋的腐蚀 以杂散电流引起结构钢筋极化电压偏移值来确定 因此 规程第3 0 5条规定 隧洞结构的外表面 受杂散电流腐蚀危害的控制指标是由漏泄电流引起的结构电压偏离其自然电位数值
13、对于钢筋混凝土质地铁主体结构的钢筋 上述极化电压的正向偏移平均值不应超过0 5V 行业标准对地铁杂散电流的要求 2 轨道与结构钢筋间的过渡电阻值是考察轨道绝缘的重要参数 规程第4 2 1条规定 兼用作回流的地铁走行轨与隧洞主体结构 或大地 之间的过渡电阻值 按闭塞区间分段进行测量并换算为1km长度的电阻值 对于新建线路不应小于15 km 对于运行线路不应小于3 km 行业标准对地铁杂散电流的要求 3 地铁轨道与站台间 钢轨与结构钢间 有时会出现异常电压 为了保护乘客和铁路员工的安全 VDE0115标准规定 钢轨与结构钢间的电位差 接触电压 不得超过92V 4 规程第6 2 3条规定 监测点测量
14、线的截面面积不应小于2 5mm2 长度不宜超过10m 并应具有工频2kV以上的绝缘耐压水平 行业标准对地铁杂散电流的要求 5 规程第6 2 4条规定 在需要进行遥测杂散电流参数的情况下 应在车站上设置监测室 敷设必要的遥测线路 6 规程第6 2 5条车站测量室内应具备符合现场测试要求的试验场地 测量专用电源 接地极和专用仪表等 行业标准对地铁杂散电流的要求 监测内容及原理 4 1结构钢极化电压正向偏移平均值4 2钢轨对结构钢的电压值4 3轨道对结构钢的过渡电阻值4 4参比电极的自然本体电位4 5钢轨纵向电阻 4 1结构钢极化电压正向偏移平均值 地铁轨道漏出来的杂散电流能否引起隧道洞结构钢筋的腐
15、蚀 以杂散电流引起结构钢筋的极化电位偏移值来确定 在 CJJ49 92地铁杂散电流腐蚀防护技术规程 中的3 0 5条规定 对于钢筋混凝土地铁主体结构的钢筋 极化电压30分钟内的正向偏移平均值不得超过0 5V 这一条是作为设计地铁监测系统的依据 4 2钢轨对结构钢的电压值 地铁轨道与站台间 钢轨与结构钢 有时出现异常电压 为了保护乘客和铁路员工的安全 免遭钢轨与结构钢间接触电压的伤害 根据德国标准VDE0115第一部分 6 82 所规定 轨道与结构钢间的电位差 接触电压 不得超过92V 根据钢轨对结构钢的电压值 可了解钢轨的运行状态 判断钢轨有无裂隙 4 3轨道对结构钢的过渡电阻值 轨道与结构钢
16、之间的过渡电阻是考察轨道绝缘的一个很重要的参数 CJJ49 92地铁杂散电流腐蚀防护技术规程 中的4 1 1条规定 地铁走行轨与隧道主体结构钢之间的过渡电阻不应小于15欧 公里 监测系统要能每天监测这个数据 以保证地铁安全运行 4 4参比电极的自然本体电位 参比电极的本体电位需要及时修正 以提高结构钢极化电位的测量精度 因此每天列车停运时 需要测量结构钢对参比电极的自然本体电位 4 5钢轨纵向电阻 钢轨纵向电阻的大小直接影响着回流的大小和杂散电流的分布 了解钢轨纵向电阻的大小 对判断钢轨有无裂缝 杂散电流的大小和分布情况有重要的参考依据 5杂散电流测量的基本原理 5 1结构钢筋极化电位和参比电极本体电位的测量 利用结构钢筋与参比电极的端子 传感器可测出结构钢的极化电位 测量原理如下 架线停电时 机车停止运行 电位差V1为参比电极的自然本体电位 当电机车运行时 电位差为V1 V2 计算出结构钢的极化电位V1 V1 V2 V2 即为结构钢的极化电位 根据规程 V2的半小时正向偏移平均值不得超过500mV 5 2轨道与结构钢间的电位差 为了保证地铁乘客与职工的人身安全 要监测轨道与结构钢的接
