城市軌道交通雜散電流防護系統

黃玉蘋

(大連市公交客運集團有限公司，116021，大連∥工程師)

城市軌道交通雜散電流又稱城市軌道交通迷流，主要是指采用直流供電牽引方式的城市軌道交通列車在運行時泄漏到道床及其周圍土壤介質中的電流。國內的城市軌道交通項目基本上都采用了直流供電牽引的方式。在這種供電方式中，列車直流牽引系統的正極接接觸網，走行軌兼作負回流線。在城市軌道交通建成并投入運營的初期，走行軌與道床之間的絕緣程度較高，即軌、地過渡電阻值較大，由走行軌泄漏到土壤介質中的雜散電流也較少。但是隨著城市軌道交通的運營，由于受到不可避免的污染、受潮、滲水、漏水和高地應力作用等因素的影響，使城市軌道交通車站以及區間隧道中的軌、地絕緣性能降低或先期防護措施失效，勢必增大了由走行軌泄漏到土壤介質中的雜散電流。

雜散電流主要影響城市軌道交通周圍的埋地金屬管道、通信電纜外皮，以及車站、區間隧道和高架橋梁主體結構中的鋼筋，使其發生電化學腐蝕。這不僅會縮短金屬管、線的使用壽命，而且還會降低城市軌道交通鋼筋混凝土主體結構的強度和耐久性，甚至釀成災難性的事故。

1 雜散電流監測系統

雜散電流監測系統是雜散電流的重要防護措施。雖然通過一系列的雜散電流防護措施，如:降低牽引回流系統的阻抗;增大鋼軌泄漏過渡電阻，減少泄漏電流;設置雜散電流主收集網、輔助收集網;設置排流柜及排流端子;在車輛段、停車場線路與正線線路間設置絕緣結和單向導通裝置;對整流器柜、直流開關柜、負極柜等直流設備，以及金屬管線、送排風金屬管道采取防腐蝕加強絕緣等，可以把雜散電流值限制在一定的范圍內。但是，隨著運營時間的增加，絕緣將不斷老化，鋼軌的泄漏阻抗將逐漸變小，隧道防水性能將逐漸降低，產生的雜散電流將會逐年增加。因此，需要設置雜散電流監測裝置來實時監視雜散電流對整體道床結構鋼筋和城市軌道交通主體結構鋼筋的腐蝕情況，以便及時采取相應的維護措施。

雜散電流監測系統可以監測整體道床、隧道、橋梁的結構鋼筋對周圍混凝土介質的極化電位，并通過綜合監控系統將相關信息傳送至供電車間的雜散電流微機綜合管理系統，以進行分析和存儲。運營人員可在辦公室內直接查詢各種統計信息，并可打印各種管理報表。運營人員可根據分析結果，及時對相關區段進行相應的維護管理。

2 雜散電流防護系統設置的主要標準和原則

雜散電流防護系統設置應遵循“以防為主，以排為輔，防排結合，加強監測”的原則;應符合CJJ 49—1992《地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程》的要求;應符合GB 50157—2003《地鐵設計規范》、GB/T 10411—2005《城市軌道交通直流牽引供電系統》、EN 50122—2《Protective Provisions against the effects of stray currents caused by d.c traction systems》等相關標準的要求;應考慮當發生嚴重的局部腐蝕時，能實現排流柜智能排流功能;腐蝕防護與接地系統應根據各個車站的具體結構形式，采用合理的設計方案，以滿足雜散電流腐蝕防護與接地標準;當雜散電流腐蝕防護與安全接地發生矛盾時，應優先考慮安全接地;在保證雜散電流腐蝕防護及接地系統成功實施的基礎上，應盡量減少投資。

3 雜散電流監測系統的主要監測方案

根據調查結果，目前我國已建和在建城市軌道項目所采用的雜散電流監測系統按照其結構劃分主要有3種方案。

1)分散式監測方案。主要由排流柜、單向導通裝置、參比電極、信號接線盒、信號測量電纜、測試箱、綜合監測裝置、集中微機管理系統、多通道便攜式監測分析儀等組成。該方案的優點是設備數量少、投資成本低;缺點是不能完全滿足CJJ 49—1992標準第6.3.2條規定(監測點測量導線的截面積不應小于2.5 mm2，長度不宜超過10 m)的技術要求，且測量精度差，電纜材料及施工費用高。

2)集中式監測方案。主要由排流柜、單向導通裝置、參比電極、傳感器、總線信號轉接器、微機管理系統、單通道便攜式監測分析儀等組成。該方案的特點是采用了現場總線技術，通信的可靠性大大提高。該方案的優點是系統智能化程度高，全線采用專用的現場總線技術，網絡可靠性高;缺點是通訊網絡總長度有限制，監測與排流相互獨立，自動化程度低，系統擴展性差。

3)分布式監測方案。主要由排流柜、單向導通裝置、參比電極、傳感器、監測裝置、微機管理系統、單通道便攜式監測分析儀等組成。該方案的特點是分段采集、集中管理，由每個供電區間的監測裝置依據就近接入的原則采集傳感器上傳的數據。傳感器與監測裝置之間采用現場總線(CAN總線或RS485總線)實現通信，充分發揮了現場總線通訊距離長，可靠性高的優勢。監測裝置和微機管理系統之間通過通信系統或PSCADA(電力監控與數據采集)系統的光纖通信通道實現整個系統的集成。同時監測裝置還能實現對排流柜智能控制器和單向導通裝置智能控制器的數據通信和控制功能，從而實現智能排流的目的。

4 大連市202路軌道交通線路延伸工程雜散電流防護系統的技術要求及特點

大連市202路軌道交通線路延伸工程線路全長40.38 km，其中山嶺隧道4座。全線共設14座車站(含6座預留站)，其中高架車站13座(含6座預留站)、地下車站1座。大連市為暖溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫10.5℃，極端氣溫最高35.3℃，最低－18.8℃。由于202路線路延伸工程為高架露天工程，因此，對于部分戶外安裝的設備如參比電極、傳感器、單向導通裝置及其控制器等應進行防腐蝕、防水、防塵等工藝處理。

考慮到該工程站間距大、主體結構分散等特點，在雜散電流的防護設計中設置了排流網，在牽引變電所設置了排流柜，在車輛段設置了單向導通裝置。雜散電流監測系統采用分布式監測方案，即:在每一個供電分區內設置一個雜散電流自動監測的子系統(包括參比電極、傳感器、監測裝置和排流柜)，車輛段設置一個雜散電流自動監測子系統(包括監測裝置和單向導通裝置);每個子系統的監測裝置與牽引變電所內的SCADA(監控與數據采集)系統聯網，通過SCADA系統的通信通道，與設置在調度中心的雜散電流監控終端通信。雜散電流防護系統借用SCADA系統通信傳輸通道傳輸信息，在調度中心設立雜散電流防護系統監控主機，負責全線測量、控制，可實現數據保存、查看、檢索、分析、預測，以及生成報表、曲線等功能，同時實現與原有202路軌道交通線路雜散電流監測系統的接入及一體化集成。

主要設備的技術要求及特點如下:

1)排流柜。選用具有極性排流功能的智能排流柜，采用戶內安裝方式，安裝于牽引降壓混合變電所中;系統電壓為DC 1 500 V，四路排流支路加一路接地支路;排流支路額定電流設計容量為200 A/路，接地支路設計容量為400 A，配置保護和監測電路。排流柜設置排流柜智能控制器，根據監測裝置分析采樣信息。智能控制排流電流的大小和投入排流支路的數量，在大于排流支路最大排流電流值時，排流柜將不會切斷排流回路，但排流控制器將通過相應措施，在保證不損壞排流設備的同時繼續排流，同時將報警信號通過通信接口上傳到監控中心。監控中心可遠程監控排流柜的設備運行狀態和排流電流的大小。排流柜屏上安裝數字式LED(發光二極管)、顯示單元、報警信號單元和監測裝置。

2)單向導通裝置。設置在車輛段進出線與正線間走行軌絕緣結附近及大庫(停車列檢庫、月檢庫等)出口處，采用戶外安裝方式，要求達到IP45及以上防護等級，極限工作溫度為－35℃ ～55℃。該裝置通過電纜與絕緣結兩端回流軌相連，使回流軌中電流僅單方向流通，以利于雜散電流防護并減少雜散電流影響。其內除設置二極管支路外，還設有隔離開關和消弧裝置。在特殊運營方式下，隔離開關將絕緣結兩端回流軌直接與電氣連接;當車輛再生制動導致單向導通裝置附近回流軌電位升高時，消弧裝置與電氣導通，降低走行軌電位，限制絕緣結兩端放電并保證回流軌附近人員的安全。單向導通裝置中設置一套智能控制器，實現電流、電壓數據采集，二極管、隔離開關、消弧裝置狀態信號采集，以及智能消弧裝置控制、電動隔離開關控制。智能控制裝置采用RS485接口接入到監測裝置。

3)參比電極。采用的氧化鉬參比電極，具有體積小、電位穩定、耐振動、壽命長、適用于較干燥混凝土結構測試等特點，極化電位波動≤30 mV，壽命≥10年。

4)傳感器。智能傳感器主要完成對參比電極與結構鋼筋(金屬管線)的電位監測以及軌道-結構鋼筋的電位監測，安裝在沿線各測試點處。測試點和智能傳感器的連接距離不大于10 m。智能傳感器對參比電極-結構鋼筋電壓、鋼軌-結構鋼筋電壓模擬信號采樣，并在夜間列車停運時校正本體電位值，經數據轉換變成數字信號，并進行存儲、計算，然后由通信接口輸出。在回流系統上，由于機車位置的變動和加減速頻繁，電流的大小及方向隨之頻繁變動，從而反應在極化電位及軌電位的值也是變動的。為保證測量數據的可靠性，傳感器的采樣頻率應不低于500次/s，并且在就地完成極化電位30 min平均值的計算后，再將結果上傳。

5)監測裝置。安裝在牽引變電所內的監測裝置，具有豐富的接口，通過現場總線與傳感器、排流柜通信，完成本區間數據的存儲、顯示等處理，并通過以太網接口將數據傳給雜散電流微機管理系統。監測裝置的主要功能:①實時數據顯示和歷史數據組合查詢;②監測參數的趨勢分析圖和生成報表;③與SCADA系統通信，上傳重要數據和報警信息;④與雜散電流監測微機管理系統通信，上傳監測數據信息;⑤具有設備配置管理、操作人員權限管理和幫助系統等功能;⑥對排流柜的自動控制功能。

6)微機管理系統。由計算機、打印機、管理軟件操作臺和UPS(不間斷電源)組成，與監測裝置通信，采集并記錄整條線路雜散電流數據，并進行分析、存儲和打印;可實時查詢地鐵沿線雜散電流造成的腐蝕的情況，并分析腐蝕的演化趨勢。該系統通過圖形界面可顯示:①實時軌地電位、極化電位實時值;②軌地電位電壓分布;③結構鋼筋對參比電極的自然本體電位;④極化電壓最大值、正向平均值、負向平均值、最小值;⑤信息報警，在設定上、下限后，根據測量值和計算值進行信息報警。微機管理系統軟件支持B/S系統架構，具有WEB發布功能，便攜式計算機、平板電腦等終端可通過IE瀏覽器實時查詢雜散電流信息。

7)便攜式監測分析儀。由電源及電池模塊、采樣分析模塊、存儲模塊、通信及人機接口模塊組成，主要用于對傳感器采樣數據進行校驗，評估傳感器精度和故障狀態。在沒有安裝固定監測裝置的場所，可使用本裝置對雜散電流進行監測;傳感器故障時用于臨時測量與判斷某一位置的腐蝕情況。便攜式監測分析儀自帶鋰電池，充電完成可支持15 h以上工作時間，可實時監測軌電位、本體電位、極化電位等技術參數，同時進行各種30 min平均值計算與分析。該儀器采用抗震結構設計，防護等級達到IP67。

5 結語

網絡技術和現場總線技術的發展，極大地推動了雜散電流監測系統向著集中管理方向發展，能夠更實時、更直觀、更有效地對雜散電流進行監控和防護，使城市軌道交通工程對周邊金屬管線、鋼筋混凝土結構的腐蝕和破壞處于一種可監控、可預防的狀態中，能夠有效地保障了人民生命財產的安全。

［1］ CJJ 49—1992地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程［s］.

［2］ 李威.地鐵雜散電流腐蝕監測及防護技術［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2004.

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［5］ 劉擁政.地鐵雜散電流防護系統故障原因及對策［J］.城市軌道交通研究，2010(7):79.