城市軌道交通牽引供電系統雜散電流防護

張海波

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司電化電信處,300251,天津∥工程師)

雜散電流腐蝕是一個日積月累的漸進過程,其危害是逐步顯現的,而雜散電流防護是隱蔽工程,在工程建設中往往被忽視。雜散電流的腐蝕對象一般是重要的金屬結構物,如車站結構、隧道結構、金屬性結構的水管或消防管道等。這些金屬結構物一旦被腐蝕損害,不但會帶來重大安全隱患,還不易進行大規模檢修或更換,因此雜散電流的防護應引起各方特別是土建設計和施工單位的重視。

本文從腐蝕機理、雜散電流的產生、簡單數學分析等方面進行闡述,力求歸納出雜散電流的防護方向,并提供工程上可供參考的雜散電流防護辦法。

1 直流雜散電流腐蝕的起因

直流電氣化線路引起的雜散電流腐蝕的原理簡圖如圖1所示。城市軌道交通線路的鋼軌敷設在道床上時,在鋼軌和道床之間都設置了絕緣墊層。該墊層的絕緣電阻在106～108Ω之間,可以認為鋼軌與大地是電氣隔離的。隨著線路的運營,諸如油漬、滲水、輪軌間磨耗產生的鐵粉等污垢引起鋼軌與大地之間的絕緣減弱,從而使鋼軌上的一部分回流電流流入了大地,這樣就產生了雜散電流。這些雜散電流將在金屬結構物(如道床結構鋼筋、隧道或車站結構鋼筋及埋設在其中的一些金屬管線)中流動,并產生一定的腐蝕。其中運動中的牽引機車(牽引和再生制動狀態下)就成為一個運動的雜散電流源。

從電化學本質來講,圖1中引起金屬結構物腐蝕的實質是一個電解電池的作用。在雜散電流所形成的電解腐蝕電池中,對于埋地金屬結構物而言,雜散電流進入金屬結構物的區域(正電流從土壤或水泥流入金屬結構物),其電位相對較高;此處為腐蝕電池的陰極區,在金屬結構物表面將發生消耗電子的陰極還原反應。而雜散電流離開金屬結構物進入土壤或水泥的區域,其電位相對較低;此處為腐蝕電池的陽極,在金屬結構物表面將發生陽極氧化反應,即金屬原子放出電子而轉變成離子態的腐蝕反應。

圖1 直流電氣化線路引起的雜散電流腐蝕的原理簡圖

2 泄漏電流的簡易計算分析

泄漏電流的大小和分布與牽引變電所的分布、饋電區段、負荷情況、牽引網系統以及鋼軌對地電阻等因素有關,土壤電阻率對其也有很大影響,所以泄漏電流的計算是非常復雜的。既便獲得計算結果,也很難完全表達實際情況。泄漏電流的實測也非常困難。但通過簡易計算分析,可對泄漏電流有一個宏觀的、基本的理解,為采取雜散電流腐蝕防護對策提供理論幫助。泄漏電流簡易計算示意圖如圖2所示。

圖2 泄漏電流簡易計算示意說明

距離N點x公里處的任意點P的軌電位VP=I·r·x,P點處單位長度鋼軌的泄漏電流iP=則泄漏電流的總和iL是iP自N點到A點的積分:

式中:

I——負荷電流;

r——鋼軌縱向電阻;

L——機車與供電所的區間長度;

ω——鋼軌的泄漏阻抗。

從上式可以看出,鋼軌泄漏電流 iL與 I、r、L成正比,與ω成反比。因此,減少雜散電流的最重要措施有:

①相互聯結在一起的回流網絡具有良好的電連續性(降低r值);

②鋼軌與土壤具有良好的電絕緣(增大ω值);

③實現多點供電,減少單一變電站的供電范圍(減少 L)。

3 雜散電流防護方案

目前,城市軌道交通工程雜散電流防護一般采用兩種方式:一種是隔離方式,另一種為排流方式。

3.1 隔離方案

所謂隔離方式,就是加強鋼軌與地之間的絕緣水平,盡量避免雜散電流泄漏到道床及其他建筑結構中。隔離法嚴格遵循“以防為主”的防護原則,以最大程度地減少雜散電流的泄漏量。其通常采取的措施有:

(1)在鋼軌固定扣件下設置絕緣墊板,其絕緣電阻在106～108Ω之間。

(2)在道床和其他建筑結構之間設置一層絕緣層(或絕緣隔板),其絕緣電阻在106～108Ω之間。這種防護方式目前在國內工程中還沒有采用過,但在國外類似工程中已有應用,對雜散電流的防護效果非常好。

(3)設置雜散電流監測系統,加強日常的運營維護,及時發現雜散電流泄漏超標區域,并對該區域進行修補,從而使鋼軌對地的泄漏電阻維持在一個較高的水平上。

3.2 排流方案

所謂排流方式,就是將金屬結構物中流動的雜散電流,人為地使之直接流回到干擾源中去的防護方法。通常是將道床結構鋼筋、隧道及橋梁等的結構鋼筋分別沿線路方向電氣焊接起來,使其縱向電阻大幅度降低,在鋼軌下方形成一個雜散電流的收集網。

排流法實際是一種被動防護的方法。排流網的設置在一定程度上增大了雜散電流的泄漏量(排流法降低了雜散電流流通路徑的縱向電阻,使雜散電流更易流入排流網)。且排流網的實質是結構鋼筋,這些結構鋼筋也是重點保護的對象。把雜散電流收集起來在結構鋼筋上流動,是存在安全隱患的。

針對排流法所帶來的安全隱患,一般工程也可采用防、排結合的方式(見圖3)。即僅利用道床結構鋼筋形成雜散電流的收集網,在道床結構和建筑結構(車站、隧道、橋梁等)設置絕緣隔板。考慮到建筑結構修補相當困難,檢修年度跨度很大,可將排流回路集中設置于道床結構中,這樣,即保留了排流網,也盡最大可能避免雜散電流流入主要的建筑結構中。

圖3 防、排結合方式示意圖

4 雜散電流防護要求及措施

4.1 主體結構

(1)每個結構段內部的主鋼筋應實現可靠焊接,在結構段兩端的變形縫或沉降縫處(任何內部結構鋼筋斷開的結構段兩端)附近,應按設計要求焊接引出雜散電流測防端子。

(2)地鐵主體結構的防水層必須具有良好的防水性能和電氣絕緣性能。防水材料的體積電阻率不得小于108Ω·m。

(3)地鐵線路與其他直流電氣化鐵路交叉跨越的地方,在自交叉位置向兩側各延長50m的區段中,地鐵主體結構應采取雙倍的加強型防水絕緣措施。

(4)對于盾構區段的防護,一般有兩種方式。一種是隔離法,即盾構管片之間的結構相互沒有電氣連接。這種方法廣泛應用于國內的軌道交通工程中。另一種方式是連通法,將盾構管片內的結構鋼筋電氣焊接牢固,并通過金屬附件使管片內部的結構鋼筋與管片之間的緊固螺栓電氣連通,從而形成雜散電流輔助收集網(此時雜散電流防護系統采用的是排流法)。該方法目前只用于上海地區。在上海市的DG J 108—109—2004《城市軌道交通設計規范》中也有相關規定。

4.2 電纜及管道結構

(1)敷設在隧道洞中的電纜、水管等金屬管線結構,不得與地下水流、積水、潮濕墻壁、土壤以及含鹽沉積物等發生接觸。

(2)水管在線路下方穿越時,宜采用非金屬絕緣材質,否則水管應具有加強的絕緣層并在穿越部位兩側裝設絕緣法蘭。其他安裝部位應便于檢查和維護。穿越部位必須保持清潔和干燥。

(3)所有通向地鐵隧道外部的電纜和管道,必須裝有絕緣接頭或絕緣法蘭,并應裝設在干燥和可以接近的部位,以便于觀察和檢測。上述電纜及管道結構位于絕緣法蘭至穿越部位的區段應與周圍的結構絕緣。

(4)供水貯槽的水管出口處應設置絕緣法蘭。

4.3 車輛段結構與設施

(1)地鐵與城市管網相連接的電纜和水管線路,在其離開車輛段的部位應設置絕緣接頭、絕緣套管或絕緣法蘭。

(2)在地鐵車輛段范圍內,直接埋設在地下的金屬管線應具有雙倍加強的絕緣保護層。

(3)在地鐵車輛段范圍內,電纜應按相應技術要求敷設在專門的電纜溝中,當采用地中直埋敷設方式時應采用帶絕緣護套的電纜。

(4)車輛段內電氣分段宜采用分束供電、分束回流的方式,應在各種檢修庫門前和車輛段出、入段處(正線與車輛段的分界處)的鋼軌上設置絕緣節及單向導通裝置,減少正線雜散電流流入段內、段內雜散電流流入庫內。

(5)電化線路與非電化線路軌道之間應設置絕緣節。

車輛段的防護總原則是減少雜散電流的漏泄量,形成更暢通的回流路徑,而不是收集雜散電流。

4.4 對道床收集網的設置要求

道床收集網只在雜散電流防護系統采用排流法時設置。

(1)將每個整體道床結構段內的縱向鋼筋電氣連通,鋼筋連接處必須牢固焊接。在結構段兩端和中間,每隔5 m用一橫向鋼筋與所有縱向鋼筋進行焊接,并在每根鋼軌下方道床結構鋼筋內選擇兩根縱向主筋與所有橫向鋼筋焊接(此縱向鋼筋稱為排流條),使得全線道床形成主收集網。

(2)在結構段兩端須引出連接端子,材質為銅(就端子材質而言,采用扁鋼也能滿足防護需求,但是在潮濕環境下,扁鋼端子容易產生銹蝕,降低了電氣連接效果,因此端子材質的選擇應結合具體工程實施的環境而定),用電纜縱向連接兩端子,使各結構段收集網全線貫通。

(3)加強扣件的絕緣性能,采用高絕緣性能的軌距墊、軌下橡膠墊板,確保鋼軌與扣件的絕緣;鐵墊板下的橡膠墊板、尼龍套管應確保扣件與軌下基礎的絕緣,絕緣件的絕緣阻值均應達到106～108Ω。鋼軌采用點支承絕緣扣件敷設;穿越道床的所有管線應采用絕緣塑料或外部涂絕緣層的金屬管。

(4)應采用更為合理的1/30軌底坡,較少鋼軌磨耗,減少鐵屑灑落在扣件表面形成雜散電流通道。

(5)扣件零部件設計應考慮阻止形成水膜電阻,扣件預埋套管高于軌枕表面4 mm,橡膠墊板釘孔為不同直徑,能防止水膜形成和雜質進入預埋套管。

5 雜散電流監測系統

5.1 監測點設置原則

在車站兩端以內50 m左右的上、下行道床及主體結構鋼筋上分別設置監測點,在區間的上、下行道床及主體結構鋼筋上每250 m至300 m分別設置一處監測點(盡量靠近區間動力照明的檢修電源箱,利于傳感器電源的引入)。監測點由傳感器和參比電極組成。傳感器將采集的模擬信號轉換為數字信號,并送至牽引所監測裝置進行信息處理。所內監測裝置可對傳感器實時發布指令進行監測,并將處理信息通過牽引所綜合自動化裝置送至控制中心,進行全線的信息處理。

5.2 監測防護系統構成

雜散電流監測防護系統采用分布式結構框架,框架簡圖如圖4所示。

(1)按供電分區(以牽引變電所為中心進行劃分)監測,集中管理。

(2)在每個供電分區內設置一個子系統(包括傳感器、監測裝置和排流柜等),車輛段設置一個子系統(包括監測裝置和單向導通裝置)。每個子系統的監測裝置與所內的綜合自動化聯網(見圖5),通過綜合自動化通信通道與設置在監控中心的雜散電流監控主機通信。

(3)雜散電流防護系統借用綜合自動化通信傳輸通道,自成系統,通過對全線極化電位、接觸電壓、過渡電阻等雜散電流危險性指標的監控,可實現數據保存、查看、檢索、報表、曲線、分析、預測等功能。

圖4 分布式雜散電流監測系統框架簡圖

圖5 雜散電流監測裝置接入綜合自動化示意圖

(4)監測裝置接口根據具體工程情況而定。對綜合自動化,采用以太網,TCP/IP通信協議或RS-485接口,MODBUS通信協議;對排流柜,采用RS-485接口,485通信協議;對傳感器,采用 RS-485接口,485/CAN總線;對單向導通裝置,采用RS-485接口,485通信協議。

總之,雜散電流防護是一個十分復雜的問題,需要多專業之間相互配合,并結合工程實際情況具體分析。本文分析了雜散電流的產生、防護方向及相關措施,供城市軌道交通工程設計單位和施工單位參考。

[1]CJJ 49—92 地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程[S].

[2]何宗華.城市軌道交通工程設計指南[M].北京:中國建筑工業出版社,1993.

[3]吳蔭順,曹備.陽極保護和陽極保護-原理、技術及工程應用[M].北京:中國石化出版社,2007.

[4]馬笑松.地鐵雜散電流的腐蝕及防護影響分析[J].城市軌道交通研究,2007(6):64.