城市軌道交通雜散電流防護設計、施工及維護方案研究

張寬發

城市軌道交通雜散電流防護設計、施工及維護方案研究

張寬發

分析城市軌道交通雜散電流產生的原因和雜散電流對城軌設備、設施等方面的危害，提出雜散電流防護設計、施工方案，并根據以往的運營經驗提出合理的城市軌道交通雜散電流防護系統運營維護方案，這對降低運營成本以及消除雜散電流腐蝕帶來的危害具有積極的意義。

城市軌道交通；雜散電流；設計；施工；運營維護

0 引言

城市軌道交通在給人民生活帶來方便的同時，也出現一些不容忽視的問題，如列車在運行期間產生的雜散電流腐蝕問題。

在城市軌道交通建成投入運營的初期，走行軌與道床之間的絕緣程度較高，由走行軌泄漏到大地中的雜散電流也較少。隨著城市軌道交通運營年限的增加，運營環境受到不可避免的污染、列車對軌道的作用力等因素的影響，造成走行軌對地絕緣性能降低，使先期防護措施失效，這樣就有大量雜散電流泄漏到周圍的土壤介質中去。由于城市軌道交通雜散電流產生的問題十分突出，如香港曾因軌道交通雜散電流引起煤氣管道的腐蝕穿孔而造成煤氣泄漏的事故，北京、天津軌道交通也存在著水管被雜散電流腐蝕穿孔的情況。在國外，如日本、美國、法國、意大利、英國、加拿大和俄羅斯等國的城市軌道交通也存在雜散電流腐蝕的問題。分析雜散電流的形成及危害，提出雜散電流防護設計、施工及運營維護方案，為后續的城市軌道交通雜散電流防護系統的設計、施工及運營維護提供參考依據，這將對減少雜散電流腐蝕帶來的危害具有積極的意義。

1 雜散電流的形成和危害

1.1 雜散電流的形成

目前我國城市軌道交通供電系統基本采用直流牽引供電方式，所需牽引電流由牽引變電所提供，通過接觸網（架空線或接觸軌）向列車送電，然后經走行軌回流至牽引變電所。由于走行軌的絕緣材料埋在地下，不可能做到完全對地絕緣，并且隨著城市軌道交通的運營，道床受到污染，道床與鋼軌之間的過渡電阻日益減少，就不可避免有電流從鋼軌泄漏至道床結構及車站、隧道等其他結構和金屬管線中，這些泄漏電流就稱為雜散電流。

1.2 雜散電流的危害

雜散電流會對城市軌道交通中的電氣設備、設施的正常運行造成不同程度的影響，對隧道、道床的結構鋼和附近的金屬管線造成危害。主要表現如下。

（1）在雜散電流由混凝土進入鋼筋之處，鋼筋呈陰極，如果陰極析氫且氫氣不能從混凝土逸出，就會形成等靜壓力，使鋼筋與混凝土脫開。如有鈉或鉀的化合物存在，則電流的通過會在鋼筋與混凝土的界面處產生可溶的堿式硅酸鹽或鋁酸鹽，使結合強度顯著降低。在電流離開鋼筋返回混凝土的部位，鋼筋呈陽極發生腐蝕，腐蝕產物在陽極處的堆積會以機械作用排擠混凝土而使之開裂，從而發生破壞土建結構的重大隱患。

（2）城市軌道交通系統內的埋地管線主要有消防水管、電氣管線等，在系統外則可能有煤氣管線、石油管線、自來水管線等公用事業管線以及各種電纜管線等。據調查這些管線不同程度地存在雜散電流電腐蝕問題，有些鐵管在數年內甚至數月內即發生點蝕。

（3）若雜散電流流入電氣接地裝置，將引起過高的接地電位，使某些設備無法正常工作。同時接地的各類設備機架上形成高電位，危及設備和人員的安全。

2 雜散電流防護設計方案

雜散電流防護是一項綜合性的工程，需要各專業之間緊密配合。總體的設計方案如下。

2.1 牽引回流系統

（1）牽引回流系統由鋼軌、負回流電纜、上下行均流電纜等組成。

（2）正線采用60 kg/m的鋼軌，車場線盡量采用60 kg/m的鋼軌。

（3）連接牽引變電所負母排至上下行鋼軌的負回流電纜采用400 mm2或800 mm2截面銅電纜。各牽引變電所的負回流電纜根數應根據牽引供電系統仿真確定。

（4）在正線各車站兩端上下行鋼軌間設置均流電纜，但在有負回流電纜的一端，上下行鋼軌間不再設均流電纜；另外，若上下行隧道有區間逃生通道，則利用該通道設置上下行均流電纜。均流電纜選擇2根150 mm2截面的銅電纜。

（5）隨著信號系統技術發展，不再采用鋼軌作為信號系統的通路。此時鋼軌僅僅作為列車行駛通道和牽引回流通路，為了回流更加暢通，同一行的2根鋼軌每隔200 m設1處均流電纜。均流電纜選擇2根150 mm2截面的銅電纜。

2.2 排流系統

（1）將整體道床（或浮制板道床）結構鋼筋按一定要求焊接，作為主要雜散電流收集網。

（2）將隧道結構鋼筋按一定要求焊接，作為隧道輔助雜散電流收集網。

（3）從車站的兩端進出站附近的結構鋼筋引出雜散電流防護測量端子，測量端子采用長50 mm、寬50 mm、厚5 mm的T2扁銅，測量端子的引出方式與連接端子相同。

（4）在牽引變電所附近設置道床及隧道結構鋼筋的排流端子，以便將雜散電流收集網連接至牽引變電所內排流柜。

（5）牽引變電所設置排流柜。根據監測系統對雜散電流腐蝕狀況的監測結果判斷其是否投入運行。

2.3 監測系統

集中式雜散電流監測系統由參考電極、道床收集網測防端子、傳感器、數據轉接器、測試電纜及雜散電流綜合測試裝置構成。

在每個測試點，將參考電極端子和測防端子接至傳感器，將該車站區段內的上下行傳感器通過測試電纜連接到位于車站內的數據轉接器。數據轉接器將處理后的數據通過通信電纜傳送到雜散電流綜合監測裝置，對所采集的數據進行統計和分析。

2.4 車輛段雜散電流防護方案

（1）車輛段一般采用碎石道床，雜散電流防護主要是設計暢通的回流，減少雜散電流的產生，同時阻止回流電流流進車庫。

（2）通過恰當設置回流點和均流電纜來降低鋼軌電位以減少雜散電流的泄漏。

（3）車輛段內線路與正線之間、車輛段各種電化庫內線路與庫外線路之間設置鋼軌絕緣結并裝設單向導通裝置。

（4）車輛段內電化股道和非電化股道之間、電化股道盡頭線與車檔設備之間設置鋼軌絕緣結。

（5）在車輛段靜調庫內，各鋼軌通過均流電纜直接接地。在檢修庫和停車庫，鋼軌通過鋼軌電位限制裝置接地。

3 雜散電流防護系統施工方案

雜散電流防護系統具有安裝位置比較分散、技術含量相對較高的特點。根據該系統工程的特點制訂相應的施工方案如下。

3.1 施工調查及準備

3.1.1 施工圖紙審核

根據雜散電流監測點布置及測量電纜的路徑走向圖，熟悉雜散電流防護系統參考電極、傳感器、轉接器、監測裝置之間接線以及整個系統的組成；核對設計圖紙內容是否與施工現場一致。

3.1.2 施工現場調查

（1）線路情況。根據設計圖紙，進行現場調查，掌握土建和軌道的施工斷面和計劃，以便于合理安排，盡量避免和軌道專業的交叉施工，以提高施工效率。

（2）電纜路徑。根據設計圖紙，現場進行電纜路徑調查，檢查路徑的通暢性和正確性。

（3）對預埋件的調查。根據平面圖檢查各區間、車站是否預埋整體道床結構鋼筋的連接端子、測防端子及排流端子等。

3.2 施工測量

對設備安裝位置、雜散電流收集網連接、測試、排流端子等預留位置進行實測，及時發現現場與設計中間的差異，如限界、預留不符合要求等，提出解決處理意見，為后續施工掃清障礙。

施工測量根據設計圖紙，首先確定測防端子、排流端子的位置，然后利用模板、鋼卷尺測量出各設備鉆孔位置，做好標記。

3.3 參考電極安裝

3.3.1 測量定位和電極準備

根據設計圖紙，參照雜散電流測防端子引出位置，測量出參考電極的安裝位置，在安裝位置做好標記。安裝使用前，必須將馬上要安裝的電極在潔凈的自來水中浸泡8～10 h后備用。

3.3.2 鉆孔、安裝

（1）參考電極必須埋設在被測結構物的鋼筋附近，距鋼筋（或鋼）距離小于15 mm。電極垂直放置，將電極全部埋置在混凝土介質中。

（2）在選定的地點，采用電鉆和空心鉆頭鉆取直徑大于60 mm、深度大于160 mm的孔洞。除掉孔洞中的混凝土粉塊或浮塵，用自來水淋濕內表面。

（3）將事先配好的水泥砂漿填料用自來水調勻，稠度適宜，然后將少許砂漿放入孔洞或方槽底部，用適當的工具將砂漿涂抹在四周壁上，注意涂抹均勻。

（4）將參考電極陶瓷外殼涂抹薄薄1層砂漿，輕輕放入孔洞中，直到達到理想深度為止。

（5）將電極引線穿過鋼套管引向傳感器，并與傳感器內接線端子連接。

（6）在電極埋置處上方，用砂漿抹平并與周圍混凝土表層盡量取平。

3.4 傳感器、轉接器安裝

（1）按照安裝標準，結合傳感器、轉接器箱體固定孔尺寸，測出準確的安裝位置，做好標記。

（2）用沖擊鉆鉆出與安裝螺栓相適應的孔洞，并將孔內粉末清理干凈。

（3）用絕緣膨脹螺栓將箱體懸掛固定，螺栓不得與結構鋼筋接觸。

3.5 設備接線

設備接線前先進行校線或全線統一根據線芯顏色確定回路，同時穿上標號頭標明回路名稱，然后按照圖紙將各導線連接。

4 雜散電流防護系統調試

4.1 排流系統調試

排流系統調試主要包括設備（排流柜）本體調試、排流網復測及整個排流系統的測試3個部分。

4.1.1 排流柜調試

（1）絕緣測試。用500 V兆歐表測試排流柜主回路（與結構鋼筋，主排流網、接地母排及直流負母排的搭接端）與柜體的絕緣電阻大于2 MΩ。

（2）加電測試。合交流220 V電源開關，柜體面板上電源指示燈亮，否則對電源進行檢查。

（3）二極管故障信號測試。撥動快速熔斷器連動開關使其接點閉合，排流柜面板上二極管故障指示燈點亮，否則檢查二次回路接線及指示燈。

（4）二極管支路電流測量。用繼電保護測試儀分別在每個二極管支路加直流電流（如5 A），排流柜面板上相應二極管支路電流表及智能監測裝置控制器面板電流值顯示正確。

（5）電壓測量。用繼電保護測試儀在總母排與變電所接地母排間加直流電壓（如50 V），排流柜面板數字電壓表及智能監測裝置控制器面板電壓值顯示正確。

（6）報警功能測試。在監測裝置上預先將排流極限定值輸入（如設電流值為10 A，延時1 s），然后用繼電保護測試儀在要測試的二極管支路（排流回路）加直流電流，超過設定值，監測裝置發出報警信號。

（7）通信功能測試。通信功能測試配合變電所自動化系統（SCADA）調試進行。

4.1.2 排流網復測

為了檢驗測防端子的連接可靠性和排流回路的通暢，線路測防端子連接完畢、結構區段間連接電纜及結構或道床測防端子至排流柜的排流電纜敷設連接完畢后，對全線的排流網（雜散電流收集網）進行1次復測。

4.1.3 排流系統測試

整個排流系統測試在設備安裝調試結束、排流電纜敷設連接完畢、排流網復測合格并在牽引供電系統投入試運行開始后進行，主要目的是在線路有車輛運行的情況下，檢驗排流系統完整性和良好性。

4.2 雜散電流監測系統調試

（1）測量功能測試。監測道床、隧道結構鋼筋的極化電位，在現場測量以上數據并與上位機上數據對比，其誤差在設計允許范圍之內。

（2）通信接口測試。通信功能測試包括與排流柜智能監測模塊的通信接口測試，與鋼軌電位限制裝置接口通信測試及與SCADA接口的通信測試。

（3）計算功能測試。測試道床、隧道結構鋼對參考電極的電位變化情況；監測30 min平均電位超標值；檢查程序計算公式及系數，根據測量值校核監測裝置計算的正確性。

（4）顯示功能測試。監測裝置就地顯示道床結構鋼和隧道結構鋼的極化電位。根據現場測量及監測裝置的計算數值，觀察顯示數據是否正確。

（5）信息報警測試。模擬故障并在上位機及現場觀察報警類別顯示、報警音響等信息，要符合設計要求。

5 雜散電流防護系統的運營維護

5.1 雜散電流防護系統日常維護

（1）參比電極。主要檢查參比電極安裝處混凝土是否有開裂損壞現象；傳感器連接線是否緊固。

（2）傳感器。主要檢查傳感器工作是否正常；傳感器表面封裝螺絲是否緊固；指示燈是否工作正常；傳感器和參比電極、鋼軌、排流網之間連接線是否緊固。

（3）監測裝置。主要檢查監測裝置工作是否正常；監測裝置屏幕顯示傳感器和排流柜狀態是否正常。

（4）排流柜。主要檢查排流柜工作是否正常；柜門開關是否正常；柜內檢修照明燈是否工作正常；柜體表面狀態指示燈顯示是否正常；排流柜內部接線是否緊固。

（5）單向導通裝置。主要檢查單向導通裝置工作是否正常；柜門開關是否正常；柜內檢修照明燈是否工作正常；柜內溫濕度感應器和加熱裝置是否工作正常；整個裝置外觀封閉是否正常。

（6）連接電纜。對回流電纜、測防端子連接電纜、與傳感器連接的電纜定期進行巡視，如有破損或接觸不良及時更換。

5.2 雜散電流防護系統的周期性維修

（1）雜散電流監測系統。定期維護傳感器并對測量數據進行分析；對監測裝置工作狀態和處理數據進行分析；進行一般故障維修、處理等。

（2）排流柜。定期對排流柜狀態、排流電壓和排流電流數據進行分析；進行排流柜投切試驗；進行一般故障維修、處理等。

（3）單向導通裝置。定期對單向導通裝置狀態進行數據分析；進行電動操作機構投切試驗；進行一般故障維修、處理等。

5.3 雜散電流防護系統常見故障及處理方法

5.3.1 傳感器常見故障及處理方法

（1）電源指示燈熄滅。①可能是配電箱斷電，送電即可；②可能是保險絲熔斷，更換保險管即可；③可能是電源指示燈損壞，更換指示燈即可；④可能是主板有故障，更換傳感器電路板即可。

（2）通信指示燈或故障燈常亮。①可能是通信接線接觸不良，重新檢查，緊固接線端子即可；②可能是通信線有斷線，檢查通信線路，重新接續。③可能是板卡故障，更換傳感器電路板。

（3）通信燈與故障燈同時以2 s間隔閃爍，可能是通信地址有沖突造成的，檢查在同一個數據轉接器下面的其他傳感器地址(地址相同的傳感器通信燈閃爍)，重新設置即可。

5.3.2 排流柜常見故障及處理方法

（1）門面板故障指示燈亮。①可能是快速熔斷器熔斷造成的，重新更換快速熔斷器；②可能是二極管反向擊穿造成的，重新更換整流二極管。

（2）電流表顯示異常，可能是電流變送器插頭未插牢造成的。

5.3.3 單向導通裝置常見故障及處理方法

（1）信號盤收到故障信號。①可能是快速熔斷器熔斷造成的，重新更換快速熔斷器；②可能是二極管反向擊穿造成的，重新更換整流二極管。

（2）電加熱器不加熱。①可能是電加熱器未通電造成的，重新檢查工作電源；②可能是電加熱器損壞造成的，重新更換電加熱器。

6 結束語

雜散電流會對城市軌道交通中的電氣設備、設施的正常運行造成不同程度的影響，還會對隧道、道床的結構和附近的金屬管線造成不同程度的危害，甚至會危及人身安全，給城市軌道交通的安全運營帶來不利影響，因此，對雜散電流的腐蝕及其可能造成的嚴重后果必須給予足夠的重視。城市軌道交通雜散電流防護應貫徹“以堵為主，以排為輔”的原則，制訂合理、有效的雜散電流設計、施工及運營維護方案，以保障城市軌道交通的運營安全。

[1] CJJ49-92 地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程[S].

[2] GB50157-2013 地鐵設計規范[S].

[3] 鄭瞳熾，張明悅．城市軌道交通牽引供電系統[M]．北京：中國鐵道出版社，2000.

[4] 馬沂文，馬宏儒．必須重視城市軌道交通雜散電流腐蝕的防護[J]．城市管理與科技，2001，3(3) ：19-21.

責任編輯 冒一平

Study on Design, Construction and Maintenance of Stray Current Protection in Transit

Zhang Kuanfa

The paper makes analysis of the causes of stray current in rail transit and the harm of stray current in the equipment and facilities, puts forward the design and construction scheme of stray current protection. Based on the past operational experience, it works out the practical maintenance solutions to stray current protection in rail transit and it will has a significant meaning in reducing the operational costs and eliminating stray current corrosion harm.

rail transit, stray current, design, construction, operation and maintenance

U231.8

2014-11-07

張寬發：深圳地鐵集團有限公司，工程師，廣東深圳 518000