地鐵雜散電流監測系統的構成及綜合治理

陳靜

（西安鐵路職業技術學院 陜西 西安 710014）

隨著我國經濟戰略布局的調整，地鐵以其快捷、環保、高效等特點，作為城市的基礎設施建設迅速發展，極大地緩解了日益突出的城市交通問題。

地鐵大多采用直流牽引供電系統，并將走行軌作為牽引回流線。在列車運行的不同過程（啟動、加速、惰行、制動等）和不同負載（空載、輕載、重載）的情況下，走行軌的工作電流差別很大。該電流絕大部分能經過走行軌流回到牽引變電所的負極，但仍然會有一小部分電流從軌道與地面絕緣不良的位置泄漏到道床及周圍土壤介質中，形成雜散電流，俗稱迷流。

雜散電流會對地下隧道結構鋼筋、高架橋結構鋼筋、沿線金屬管線、屏蔽網等金屬設施產生嚴重的電化學腐蝕。如果不及時治理將會造成巨大的經濟損失，甚至危及建筑設施的安全，釀成災難性的后果。因此，雜散電流的腐蝕防護、監測及綜合治理是地鐵建設和運營中的一個重大課題。

1 雜散電流監測系統的構成

雜散電流監測系統由上位機、參比電極、信號電纜、傳感器、信號轉換器、排流柜等組成，其系統結構圖如圖1所示。

圖1 地鐵雜散電流監測系統原理圖Fig.1 Metro stray current monitoring system schematic diagram

由于雜散電流本身很難被檢測到，所以通常的方法是測量鋼軌對地的極化電壓[1]。圖1中的極化電位電極模塊安裝在地鐵沿線的各雜散電流監測點處。上位機通過RS485/232總線與數據采集系統相聯，輪流采集地鐵沿線各采集點的極化電壓數據，存入數據庫，通過數據分析軟件來分析和查看整條線路上雜散電流極化電壓的大小和分布情況。如果某點雜散電流（極化電壓）“超標”，監測系統通過排流柜控制裝置按照設定程序進行相應操作，同時系統會自動產生報警，以便運營人員及時做出判斷和相應措施[2]。

2 雜散電流監測系統的應用

廣州地鐵、武漢輕軌、深圳地鐵、上海明珠線北延伸線等均采用集中式雜散電流監測系統，該系統由參考電極、傳感器、信號轉接器、監測裝置、微機管理系統組成。圖2給出了集中式雜散電流監測系統接線圖。

圖2集中式雜散電流監測系統接線圖Fig.2 Centralized stray current monitoring system wiring diagram

通過監測點的合理設置，每隔一段時間由工作人員攜帶便攜式計算機現場收集測試數據，所有數據通過網卡與便攜式計算機通訊得到。測試數據上傳到微機管理系統后，由微機管理系統對測試數據進行分析處理，形成便于查詢的數據及曲線，利用這些分析結果可以了解軌道沿線鋼結構的電化學腐蝕狀況[3]。根據長期的數據收集分析，能夠預測得出全線雜散電流防護效果情況，一旦出現危險信號，可以及時采取相應措施，防止主體結構鋼筋的雜散電流電化學腐蝕。

3 雜散電流的綜合治理

雜散電流是一種環境污染，對雜散電流腐蝕一般采取“以防為主、以排為輔、防排結合、加強監測”的綜合治理方法。即雜散電流的腐蝕防護應從源頭入手，盡量減少牽引回流的泄漏；同時加強結構鋼筋及各專業金屬管線的腐蝕防護；其防護實際效果要通過監測系統實時監測沿線雜散電流的泄漏及腐蝕情況來反映，以便及時采取措施，保障地鐵交通安全可靠運行。

根據雜散電流產生的根源及腐蝕過程，以提高走行軌對地絕緣及保持牽引回流暢通為手段，本文從“防”和“排”兩方面來談雜散電流的綜合治理。

3.1 “防”——源控法

所謂“防”就是防止牽引回流從走行軌泄入大地，這是從源頭和根本上控制和減小雜散電流的有效方法。“防”屬于源控法。

影響雜散電流大小的主要因素有：牽引電流、牽引變電所之間的距離、走行軌的電阻值及對地過渡電阻等[4]。根據這些主要因素的影響，采取合理的設計、施工措施，就可以從根本上控制和減小雜散電流。

3.1.1加強走行軌對地的絕緣，提高軌地過渡電阻

《地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程》中明確規定，新建線路走行軌與區間主體結構之間的過渡電阻值應小于15 Ω·km，運行線路不小于3 Ω·km。可見，加強軌地絕緣，保持走行軌對大地的過渡電阻值在合理的范圍內，是降低雜散電流的強制措施。加強和保持軌道絕緣是一項系統工程，涉及土建、軌道、給排水等多個專業，并要求從設計施工階段就要嚴格制定相應措施，從源頭治本。主要有以下方法：

1）走行軌設置絕緣墊，單塊絕緣墊電阻不小于108Ω；

2）走行軌對地保持一定距離，其間隙不小于30 mm[5]；

3）雜散電流道床收集網與走行軌之間絕緣處理；

4）道床收集網與主體結構鋼筋之間避免金屬連通；

5）道床排水溝合理設置，保證排水暢通，防止走行軌對地絕緣水平降低。

3.1.2減小走行軌縱向電阻，保持牽引回流通路暢通

走行軌縱向電阻越小，牽引回流流過時產生的壓降越小，使鋼軌對地的縱向電位差也會減小，保證了良好的回流，減小了雜散電流的泄漏。一般采取以下措施：

1）增加走行軌截面尺寸。鋼軌橫截面積越大，可以降低回流電阻，減少了雜散電流。因此，在工程實施中，考慮投資、運量等相關因素情況下，應盡量采用60 kg/m鋼軌；工程中還應盡量采用無縫鋼軌；如鋼軌采用魚尾板連接，在鋼軌接縫處采用電纜連接兩邊鋼軌，減小鋼軌接縫處的電阻值；在特殊區段，增設與鋼軌并聯的縱向電纜也是降低回流電阻的有效措施。

2）盡量多地設置鋼軌之間的均流線。復線地鐵中四根鋼軌并聯，理論上總回流電阻為單根鋼軌回流電阻的1/4。由于信號對軌道電路有一定的要求，在滿足信號專業要求的前提下，應盡量多地設置的均流線，在一定程度上可以減小回流電阻。

3）車輛段和停車場設置多個回流點，使牽引回流就近回流，并設置均流線，減小回流通路的電阻，降低車輛段或停車場雜散電流的總量。

4）鋼軌與道床之間采用點支撐安裝，減少鋼軌與道床之間接觸面，降低鋼軌縱向壓降，減小回流電阻。

3.1.3縮短變電所之間的距離，合理設置牽引變電所

供電距離越短，軌道泄漏電流和軌道電位越低，雜散電流越小，對結構鋼筋或金屬管線產生的腐蝕也就越小。因此，應合理設置牽引變電所，適當考慮減小變電所距離，采用雙邊供電，盡量不采用單邊供電。此外，停車場或車輛段需要單獨設置牽引變電所，正常情況下與正線牽引變電所無電氣連接，防止正線雜散電流流入。

3.1.4降低列車電流

列車電流與系統電壓、客流量、變電所間距、列車追蹤時間間隔等有關[6]。列車電流對泄漏電流和軌道電位都有很大影響，其電流越大，產生的雜散電流就越多。

采用變壓變頻（VVVF）控制的三相異步電機具有傳動效率高，節電效果更顯著的優點，而再生制動的應用則可進一步減少負荷。此外，采用較高的系統電壓可以減小列車電流。在相同的牽引功率下，采用 1 500 V電壓牽引供電就比采用750 V電壓牽引供電產生的雜散電流小[7]。

3.1.5 防止道床污染，重視日常運營維護

新建地鐵線路鋼軌對地過渡電阻一般較高，但隨著運營時間的推移，軌道會受到各種污染，道床混凝土也會隨著排水不暢等原因致使電阻率降低，造成軌地過渡電阻逐漸減小。因此，運營中應采取必要措施，保證絕緣性能保持在規定的范圍內。1）定期對全線軌道線路清掃，保持線路清潔干燥。尤其是加強對軌道扣件及鋼軌絕緣墊的檢查，杜絕易導電的物質在鋼軌扣件和絕緣墊表面附著，避免由此而產生的軌道對地過渡電阻的下降；2）定期檢查各雜散電流收集網之間的連接線、負回流電纜及均流電纜連接是否良好，連接螺栓是否生銹等。如果這些連接部件狀態不良，則應及時進行修復；3）利用雜散電流綜合監測系統，監測整體道床結構鋼筋、車站隧道結構鋼筋等相對周圍混凝土介質的平均電位是否超標。根據監測狀況，以便決定是否對鋼軌回路及鋼軌泄漏電阻進行測試檢查，結合測試結果進行維護和處理。

3.2 “排”——排流法

所謂“排”就是雜散電流監測裝置監測到道床收集網鋼筋極化電位超過設定數值時，通過為雜散電流提供較小的電阻通路，使雜散電流順暢流回牽引變電所負極，有效抑制雜散電流再從鋼筋擴散至混凝土，達到減少雜散電流流出鋼筋導致的電化學反應，這種方法稱為排流法。“排”就是排流法。

排流法需要在先期設計施工就建立雜散電流收集網，并在牽引變電所內設置雜散電流排流裝置。

3.2.1雜散電流收集網的設置

雜散電流收集網的構成如圖3所示。在地鐵施工中，雜散電流主收集網由整體道床內結構鋼筋縱向連通形成，為雜散電流的主電氣通路，減少雜散電流由道床向其他結構的外泄；雜散電流的輔助電氣通路（即輔助收集網）由隧道內鋼筋（內襯墻鋼筋）縱向連通形成，減少雜散電流向地鐵以外泄漏。大部分雜散電流是經過主收集網流回牽引變電所，小部分雜散電流通過輔助收集網流回牽引變電所，向外泄露的電流就非常少，這樣就可以達到減少雜散電流外泄的目的。

圖3地鐵雜散電流收集網的構成Fig.3 Metro stray current collection network composition

3.2.2排流柜的設置

采用排流法進行雜散電流的腐蝕防護時，在正線的牽引變電所內需設置排流柜。其一端通過電纜與牽引變電所負極柜相連接，另一端與雜散電流收集網的排流端子相連接。排流柜通過其控制裝置與雜散電流監測系統通過通信電纜連接，實現雜散電流監測系統的信息交換。當被保護的金屬結構極化電位處于超標時，監測系統確定排流量，并把排流量的數值傳給排流柜控制器進行排流；當檢測被保護的金屬結構的極化電位處于安全狀態時，雜散電流監測系統向排流裝置發出停止排流的命令。

排流法在雜散電流的腐蝕防護中具有較好的效果，但同時也有一定的副作用[8]。如排流會使雜散電流的數值增加，使那些沒有排流設備的金屬結構腐蝕加劇；還會使鋼軌電位升高，可能超過安全電壓。因此，排流只能作為一種應急手段。

4 結束語

雜散電流的綜合治理，關鍵在于前期從源頭上采取有效措施。如加強走行軌對地的絕緣、減小走行軌縱向電阻、縮短變電所之間的距離、防止道床污染、降低列車電流等。在地鐵投入運營后，則應重視加強雜散電流的監測與防護。通過加強監測，針對不同的問題，采取有效措施，進行必要的維護和處理，將雜散電流控制在允許的范圍內。

[1]曹曉斌，吳廣寧，付龍海，等.地鐵雜散電流的危害及其防治[J].電氣化鐵道，2006（4）：32-34.CAO Xiao-bin，WU Guang-ning，FU Long-hai，et al.Hazards of stray current in subway and its prevention[J].Electric Railway，2006（4）：32-34.

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[6]周偉.直流牽引供電系統雜散電流分布與防護研究[D].成都：西南交通大學電氣工程學院，2007.

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[8]張春苗，王吉昌.地鐵雜散電流腐蝕及其防護措施[J].西部探礦工程，2006（9）：247-248.ZHANG Chun-miao，WANG Ji-chang.Corrosion and Protection of metro stray current[J].West-china Exploration Engineering，2006（9）：247-248.