分布式雜散電流監測防護系統設計

江麗，徐路平

（湖南高速鐵路職業技術學院機電系，湖南衡陽，421002）

分布式雜散電流監測防護系統設計

江麗，徐路平

（湖南高速鐵路職業技術學院機電系，湖南衡陽，421002）

設計基于城市軌道交通供電系統的組成、探討雜散電流的成因、分析其腐蝕危害機理；設計出一個單相導通裝置及放電間隙控制雜散電流的影響范圍，實現排流二極管支路的設計，并實現單片機控制系統完成對雜散電流的防護與監控，實現了分布式雜散電流監測系統的設計，找到新型解決途徑避免或減少其危害，保障城市軌道交通的安全及正常運營。

分布式雜散電流；智能監測系統

0 引言

目前我國軌道交通的牽引方式多采用直流供電牽引,電壓多為直流750V和1500V。在直流供電牽引系統中,列車所需電流都來源于牽引變電所,通過接觸網(架空線或接觸軌)向電客車送電,然后經剛軌回流至牽引變電所的負極回流母線。由于鋼軌的絕緣材料埋在地下,不可能做到完全絕緣,其絕緣水平隨時間的延長將會逐漸下降,不可避免地將造成部分電流不從鋼軌回流,而是通過沿線的道床鋼筋、隧道、等混凝土內部鋼筋或土壤回流到牽引變電所，甚至不回流而散入大地這一部分電流就是雜散電流[1]。也叫迷流。

圖1 軌道交通牽引示意圖

如圖1所示I 1 和 I 2 為變電所供電電流，分別為一個供電區間兩個牽引變電所向機車提供的電流， I 3 和 I 4 為回流電流，分別為通過走行軌向兩個牽引變電所回流的電流，I21 和I 22 分別為泄露到地下的雜散電流。

1 雜散電流的成因及影響

雜散電流產生的原因很多也很復雜，并且容易受到外界環境因素的影響，但主要可以歸納為以下兩點。

（1）電位梯度。如果電場分布不均勻，存在電位梯度，那么金屬內部的自由電子會在電場力的作用下就會發生定向移動，電荷的定向移動就形成了電流。另外由于存在著電位梯度，電場會迫使部分電流從鐵軌中流出并流入土壤和埋地金屬管線中，然后再使電流從埋地金屬物中流出，流向大地再返回到牽引變電所的負極，形成對埋地管線的雜散電流腐蝕。

（2）電流泄露。電流泄露是雜散電流形成的一個主要原因，電流泄露主要是因為絕緣不良或接觸不好等原因造成的。電流泄露到埋地管道中時，由于電流的流動迫使金屬內部的自由電子發生定向移動，使金屬離子與電子分離，使得埋地金屬管線遭受腐蝕。

雜散電流會引起地鐵設施、 地鐵附近的鋼筋混凝土結構物以及埋地管線發生腐蝕，造成嚴重后果。

1)鋼軌及其附件

在列車下部，列車處于陽極區，容易發生電蝕。資料表明，鋼軌的雜散電流腐蝕在隧道內道岔處更為嚴重，在有些地方 2—3年鋼軌就出現嚴重腐蝕。道釘也有雜散電流腐蝕現象，而且多發生在釘入部位，從地上難以發現。

2)鋼筋混凝土金屬結構物

3)埋地管線腐蝕

石油管線、蒸汽管線等，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腐蝕問題。在設計和建設地鐵時，不考慮此問題會產生極嚴重的后果[2]。

4)異常腐蝕

在把線路引入修理庫、交檢庫及運轉庫等建筑物時，如果絕緣施工不良，就會使鋼軌與建筑物在電氣上聯通，從而使泄漏電流增大，產生較強的雜散電流腐蝕。

5) 造成人身觸電

地鐵軌道為長軌，是由多節軌道焊接而成，因此軌道接縫電阻值較大，而使軌道與結構鋼之間的電位差增加，如果軌道接縫處開焊，軌道接縫電阻更大，這使軌道與結構鋼之間的電位差更高。在站臺上，地鐵乘客手腳之間的電位差為ΔV，當這個電位差達到一定值時，人就有觸電死亡的危險。

6) 影響通信

雜散電流除腐蝕地下管線外，還會在接地的通信設備機架上形成高電位，危及設備和人員的安全， 雜散電流使通信導線與附近大地形成電位差。 受電弓產生的電猝發與浪涌成為城市雜波的重要組成部分，對附近的信息設備和精密儀器造成干擾，接觸導線還是車輛內高次諧波的發射天線，幅射污染了近距離的電磁環境[3]。

2 雜散電流的腐蝕原理

電化學腐蝕——金屬在電解質溶液中發生電化學作用所引起的破壞。

圖2 雜散電流走勢圖

電化學腐蝕發生的條件：

（1）必須有陰極和陽極。

（2）陰極和陽極之間必須有電位差。

（3）陰極和陽極之間必須有金屬的電流通道。

（4）陰極和陽極必須浸在電解質中，該電解質中有流動的自由離子。

當雜散電流從走行軌泄露出去再通過道床、大地流入埋地金屬管線中，其中走行軌的A區是陽極，管道的B區為陰極；當雜散電路從管道中流出并通過大地、道床流入走行軌中時，管道的C區為陽極，走行軌的D區為陰極。由此可知，雜散電流所經過的通路實質上就是構成了兩個串聯的腐蝕電池。如圖2所示。

3 國內現有的雜散電流監測方案

3.1 利用排流柜監測

排流柜安裝在牽引變電所內，所采集的數據是回流點處的數據。缺點：功能單一：只能反映回流點的雜散電流情況，不能反映全線路的雜散電流分布情況及危害程度。

3.2 分散式雜散電流監測

天津地鐵一號線、南京地鐵一號線均采用了分散式雜散電流監測模式，該系統由參考電極、信號盒、信號測量電纜、測試箱、綜合測試裝置和微機管理系統組成。 缺點：監測點測量導線的截面積不應小于2.5mm2，長度不宜超過10m。因此，利用該方法監測，軌道交通沿線必須敷設大量的電纜，這樣不僅荷載增加 (對高架區段 )，而且有礙美觀，造成不必要的浪費[4]。

3.3 集中式雜散電流監測

圖3 分布式雜散電流監測圖

廣州地鐵、武漢輕軌、深圳地鐵、上海明珠線北延伸等均采用了集中式雜散電流監測模式，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。特點：集中式雜散電流監測系統智能化程度較高，所測數據精確度也較高。但擴展性差，監測范圍受通信距離的限制最遠只能達到20公里，不能滿足現代地鐵建設里程的要求，并且在地鐵線延長時，無法進行系統的擴展。

3.4 分布式雜散電流監測

上海軌道交通9號線、北京地鐵1、2號線采用了分布式雜散電流監測模式，該系統由傳感器、監測裝置、微機管理系統組成[5]。原理如圖3所示。

按供電分區監測，集中管理。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），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SCADA聯網，通過SCADA通信通道，與設置在監控中心的雜散電流監控主機通信。

4 分布式雜散電流監測防護系統的設計

雜散電流防護系統借用SCADA通信傳輸通道，自成系統，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。

極柜的負母排與雜散電流防護收集網之間的雜散電流排流二極管支路是排流柜的主要工作電路。每個二極管支路由二極管、熔斷器、分流器和變阻器串聯組成，每個回路并聯一個RC回路，以抑制過電壓[6]。主回路的主體為一硅二極管，另配以保護和檢測電路，排流柜的控制由一單片機控制系統來控制，可以采集排流柜的工作電壓和工作電流以及主回路的故障狀態，通過RS485接口遠傳到雜散電流自動監測系統的上位機中，在控制室可實時觀察排流柜的工作情況[7]。

圖5 分布式雜散電流檢測系統硬件實現框圖

圖6 單向排流硬件設計原理圖

單向導通裝置由二極管回路、隔離開關回路和放電間隙裝置等3個電路并聯組成，用電纜連接絕緣節兩端的鋼軌。正常工作時，隔離開關開路，二極管回路工作，使鋼軌電流在一個方向導通，而在另一個方向截止，有效防止因部分鋼軌絕緣水平較差而增加整個軌道交通雜散電流的數量。當列車在停車場和列檢庫位置緊急制動時，首先采用再生方式。如果沒有其他機車吸收產生的再生電流，絕緣節兩端鋼軌電壓升高到一定值時(1000V)，放電間隙擊穿放電(見圖6)，回路R-M1-M2-CP-P內有電流流過，鋼軌電位降低，可避免人身傷害事故的發生[8]。當回路R-M1-M2-CP-P電流值達到200A時，由于M1和M2線圈的共同動作使旁路開關閉合，R-M1-K-P回路接通，當M1中流過的電流減少到50A以下時，M1電磁力不足以保持旁路開關閉合，旁路開關打開。裝置內設有隔離開關在二極管回路故障時，用隔離開關回路直接連通軌道絕緣節兩端鋼軌，使列車能正常運行[9]。

[1]李學武等，《 城市軌道交通供電》，中國鐵道出版社，2009.

[2]李威，《地鐵雜散電流的監測與防治》，2003.

[3]唐潔，《淺談地鐵雜散電流的監測與防護系統》，上海電器技術，2007.

[4]郝衛國，《城市軌道交通雜散電流的防護》，城市軌道交通研究，2004.

[5]于小四，《城市軌道交通供電系統安裝技術手冊》，中國鐵道出版社，2012.

[6]秦治國，《地鐵雜散電流分布與監測防護系統的研究》，碩博學位論文2011年.

[7]張艷麗，《地鐵雜散電流腐蝕機理以及防護措施研究》，電氣化鐵道，2009.

[8]潘運濤，《雜散電流的計算機檢測系統設計 》，碩博學位論文，2008年.

[9]朱孝信，《地鐵的雜散電流腐蝕與防治》材料開發與應用，1997年.

Design of distributed stray current monitoring and protection system

Jiang Li,Xu Luping
(Department of mechanical and electrical engineering Career Technical College , Hengyang Hunan,421002)

The design of power supply system of city rail transit based on the genesis of the stray current, the analysis of corrosion damage mechanism; design a single-phase conduction effect device and discharge gap control of stray current, realize the design of drainage diodes, and the microcontroller control system to complete the protection and monitoring of the stray current. The design of distributed monitoring system of stray current, find new ways to avoid or reduce the harm, to ensure the safety and normal operation of city rail transportation.

stray current distributed;intelligent monitoring system