軌道交通雜散電流腐蝕的監測及防護研究

蔡彬彬，裴麗君，趙 晨

(南京地鐵建設責任有限公司， 南京 210017)

0 引言

目前，地鐵建設在當今社會發展中日益蓬勃，在設計或者建設地鐵時，雜散電流的監測是目前各個項目考慮的重點。由于地鐵的金屬結構在自然環境中，本身就容易受到腐蝕，這就給技術人員帶來很大的困擾[1-2]。地鐵在運行過程中，通常采用直流供電的方式供其運轉，如果列車的負荷量不停，也會在走行軌上形成數值不等的工作電流。還有一種情況，走行軌上的一部分電流還能夠通過走行軌，與電源的負極構成電路閉環，進而使得部分電流回流到電源負極，另一部分電流經由軌道，能夠接觸到地面絕緣不良的位置處。這對周圍的地鐵道床、非介質或者四周的土壤造成電流污染，形成雜散電流[3-5]。該現象對地鐵的運行很容易造成事故[6-7]。尤其是在采用直流供電的大型運輸設備中，比如地鐵、輕軌等，這種情況尤為嚴重，由于雜散電流的存在，很容易對地鐵的關鍵部件造成損害[8-9]，嚴重時將危及地鐵或者其周圍建筑設施的安全，繼而將釀成無法挽回的交通事故。

因此，在確保地鐵建設、地鐵運營能否正常運行時，如何防護雜散電流就是有待研究的關鍵技術問題。常規技術中采用被動“堵截”和“疏導”[10-12]的方式，但是地鐵走行軌上泄漏的雜散電流具有諸多不容易防護的特點，比如雜散電流樣式繁多、分散性強、防護困難，難以預測等。針對上述問題，本文提出了電能補償的方法來解決雜散電流，以克服上述問題，下文將詳細描述。

1 監測及防護系統設計

由于在常規應用中，雜散電流分布不集中，因此，利用計算模型直接、精確地測量雜散電流也將變得困難重重。單純地利用現有技術中所監測到的各項技術參數，精確地衡量、預測金屬結構也不容易實現，尤其是雜散電流作用下，設備上所設置排流網的腐蝕程度和腐蝕趨勢的衡量也將變得舉步維艱[13-14]。由于排流網為預埋基礎建設工程，雜散電流對地鐵的腐蝕地點不確定，腐蝕程度無法進行精確度量。在克服這些技術問題時，本研究根據雜散電流補償原理，設計出一套新型的監測及防護系統。在補償電路中生成的補償電流與地鐵供電電流相比，其數值相等，矢量相反，這樣，在存在雜波的區域內，能夠將設備中產生的雜散電流抵消一部分，從而減少或者消除雜散電流，系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構示意圖

圖1的系統在工作時，能夠根據現場雜散電流的布局情況和漏電流濃度分布情況進行智能排流，排流的數據信息通過測試電纜發送到主站后臺，用戶通過到主站后臺顯示窗口能夠清楚地觀察到雜散電流的實時監測信息。系統監測的參數信息內容包含各種情況下的雜散電流，比如對直流牽引供電列車運行時泄漏到道床上的雜散電流、隧道泄露的雜散電流及其周圍土壤介質中的雜散電流等。該系統設計的雜散電流監測及防護系統適用范圍比較廣，比如城軌交通中的地鐵、輕軌等直流牽引供電軌道線路[15-16]。在本研究中，利用數據采集系統采集軌道交通在運行期間的狀況，采集完該信息后，通過測試電纜將該信息與各個采集裝置進行信息通訊，并且傳遞到應用服務的實時數據庫內。其中主站后臺中的數據采集與監視控制系統 (SCADA，supervisory control and data acquisition )連接雜散電流監控系統，這樣，雜散電流監控系統的信息可以實時傳遞到SCADA系統。采集系統還設置有不同形式的通訊接口，比如TCP/IP、SPI、EPCALE協議、NetBIOS協議、GSM接口協議和SAS協議等。能夠滿足多種通訊的需要，兼容性較強。該接口還能夠通過前置服務器對遠方終端數據進行采集，并且通過通訊規約解釋模塊轉換各種不同類型的規約數據，以使SCADA系統能夠識別。前置服務器能夠采用雙機熱備用方式，采用兩臺節點計算機互為主備。其中的機型為Sun(Oracle)、IBM、Intel系列工作站或服務器[17-18]。通過本技術方案設計，實現雜散電流信息的可靠采集和實時監控，下面對其關鍵技術進行研究。

1.1 開關電源設計

如圖2所示，開關電源基本電路包含有交流-直流轉換電路、開關型功率變換、控制電路、整流濾波電路等不同單元[19-20]。通過交流-直流轉換電路的轉換，能夠將輸入端的電網電壓轉換為直流工作電流，通過交流-直流轉換電路內的整流器，能夠將輸入的交流電流進行整流、濾波，以將不必要的雜散波進行整理，其內設置的濾波器將接收到的交流信號轉換成直流信號，供電路中的各個部件使用。控制電路在電路中用于控制開關型功率變換器。

圖2 開關電源原理結構示意圖

在本系統中，開關型功率變換器用于將主電路的能量轉換為開關電源的能量，是轉換開關電源能量關鍵部件，在具體應用中，通過電壓變換來實現。電壓變換可以使用很多種類，比如整流功率變換器、全橋式開關型功率變換器、逆變功率變換器、斬波功率變換器、交交功率變換器、半橋式開關型功率變換器、單端反激式開關型功率變換器(該變換器不僅電路簡單，而且能夠輸出高效的直流電)、快速磁放大器式開關型功率變換器等。在具體應用中，功能不同，轉換器類型的使用也不同。在控制方法上， 采用脈沖寬度調制技術(PWM，pulse width modulation)和脈沖頻率調制(PFM,pulse frequency modulation)兩種[21-22]。采用PWM技術，能夠在整流的作用下，并且輸出的直流電壓值恒定的情況下，將半導體開關器件進行導通或者關斷的方式，將輸出的直流電壓轉換為電壓脈沖序列，并對輸出電壓脈沖的寬度或者周期進行控制，使等效輸出電壓得以改變。

在開關型功率變換器中，其內的核心部件包含為開關電源變壓器，該變壓器的作用具有多種，比如：將電網中的磁能轉換為電能，或者將電能轉換為磁能等，將高電壓轉換為低電壓或者將低電壓轉換為高電壓等。在開關元器件的作用下，將直流電有效、及時地轉換成直流電。開關電源變壓器工作后，又將電路中的電能轉換為磁能，負載將接受該功率，通過負載最終輸出電路中所需要的電壓。

1.2 隔離與耦合技術設計

在實現雜散電流的隔離方面，本文采用光電耦合技術完成，該隔離技術的工作原理為借助于光電三極管的輸出特性，圖3為其原理結構圖和輸出特性曲線圖。圖3在工作過程中，需要對光電三極管兩端施加電壓，當所施加的電壓達到UPM時，這能過通過光電三極管的輸出特性看出，光電接收管內的電流輸出的最大值為IPM，當施加在發光管兩端的電壓信號在某一段范圍內變化時，比如U0-UPS，則流過光電接收管中的電流值將會0～IPM之間的范圍波動。

圖3 光電三極管內部結構和特性曲線示意圖

基于上述討論，本研究能夠在電源電路中將該隔離技術和耦合技術融合一起使用。融合電路如圖4所示。該電路在工作時，當升高輸出的電壓值時，則光電耦合器中的發光二極管的電流能夠相應地增加，進而使得光強度輸出值也會隨之變化、增加，最后使得晶體三極管的集電極端的輸入電流也逐漸增加，這樣使得功率開關V基極的電流下降。該電路在工作過程中，功率開關V的導通時間會更短，輸出的電壓值也會降低，進而輸出較為穩定的電壓值，使電路的安全性能得以提高[23-24]。

圖4 融入光電耦合器的開關電源電路

2 雜散電流腐蝕分析

2.1 雜散電流腐蝕原理

下面結合圖5中的雜散電流腐蝕原理結構對雜散電流腐蝕原理進行說明。下面以地鐵隧道為例，在以混凝土結構為主要材料進行構建的地鐵隧道中，當地鐵隧道附近的鋼筋泄露出雜散電流時，鋼筋中的電勢將從高電勢移動到低電勢，該過程稱為陽極極化過程。在以金屬為載體發生氧化還原反應時，通過電荷吸引游離出的金屬電子，進而將金屬氧化。

圖5 雜散電流腐蝕原理結構示意圖

在地鐵交通中，利用上述原理可以這樣進行，將走行軌或者金屬管線作為反應中的電子導體使用，將地面作為離子導體，當走行軌或者金屬管線中的電子電荷從圖5中的A點和D點泄露流出時，

則組成、組建了氧化還原反應的條件，此時，金屬導體和地面二者之間組成的e-i界面可以作為氧化還原反應中的陽極使用。當走行軌或者金屬管線中的電子電荷在圖5中的C點和F點流入時，則將地面與金屬導體二者之間組成的i-e界面當作陰極使用。這樣，則將A、B、C和D、E、F構成兩個不同的串聯電解電池來使用。通過上文描述，氧化還原反應中的電流電荷流向通過以下流程進行：

第一電池：A 鋼軌(作為陽極區使用)→B(地鐵交通道床)→C(地鐵交通道床中的金屬管線，可以將其作為陰極區使用)。

第二電池：D(地鐵交通道床中的金屬管線，將其作為陽極區使用)→E(地鐵交通道床中的金屬管線，可以將其作為陰極區使用)→F(金屬管線中的鋼軌，將其作為陰極區使用)。

在上述工作過程中，當雜散電流通過兩個陽極區域流出時，氧化反應則會發生，此時，該部件的金屬(Fe)將被腐蝕。

圖6 地鐵雜散電流泄漏路徑示意圖

2.2 雜散電流泄漏路徑分析

在發生雜散電流泄漏時，其路徑選擇也是極其重要的，下面對其路徑進行分析。當電路中的絕緣部件兩端之間的電勢差值比消弧裝置啟動值后電勢大時，則正線的電流通過回流軌向車輛段流動，這種方式能夠大大減少地鐵在運行時產生雜散電流泄漏，特別是當正線電流流入車輛段引起的雜散電流中。在具體實施例中，由于車輛段軌道流向正線軌道的電流由燃氣管道的雜散電流引起的，在這種情況下，可以通過控制二極管的導通或者關閉來減少車輛段流向正線的電流引起的雜散電流泄漏。因此，雜散電流路徑初步分析為：

正線雜散電流-大地；

車輛-大地-車輛段軌道-正線軌道-地鐵站牽引電源負極。

2.3 限制雜散電流泄漏優化方案

如何限制雜散電流的泄漏也是本文要研究的重點，當對區域范圍內的雜散電流泄漏進行優化時，可以將二極管優化為晶閘管，通過晶閘管的通與斷來控制車輛段到正線方向的持續導通。在晶閘管進行作用時，當無車輛進出時，則可將晶閘管處于斷開狀態，以在正向晶閘管方向上控制電路中電流的通路。通過這種方式，在一定程度上避免了地鐵雜散電流的泄漏。現有技術如圖7所示，在現有技術的基礎上，優化后的方案如圖8所示。

圖7 單向導通裝置原方案示意圖

圖8 單向導通裝置優化方案示意圖

3 試驗結果與分析

通過上述分析，下面對本文設計的技術方案進行如下分析，首先，建立試驗結構架構圖，如圖9所示。在進行地鐵站極化電位測量時，馬群地鐵站軌行區參比電極、排流網接線端子全部拉線至配電房采集器箱內端子。本次測量從采集器箱內端子接線至DA-SU采集器，然后再經由DA-C341雜散電流監測裝置，對發送到D6000雜散電流監控系統的數據進行實時數據監控。

圖9 雜散電流腐蝕模擬試驗示意圖

下面在不同的晶閘管導通閾值情況下進行試驗分析。試驗時，通過數據曲線來表示，在圖10中，其為晶閘管導通閾值為12 V時數據曲線圖。在試驗時，將原單導柜在一段時間范圍內運行，為了提高測試評估的精度，將其在長時間時段內運行，并設置晶閘管導通閾值為12 V時，通過圖10可以看出其運行曲線。

圖10 晶閘管導通閾值為12 V時數據曲線圖

在進一步試驗所設置的晶閘管導通閾值與雜散電流之間關系時，選擇在不同的時間時段，設置不同的閾值進行對比分析。比如在晚上將晶閘管閾值設為70 V，次日08:30時，再將閾值更改為12 V，通過這種方式，觀察數據曲線圖。

圖11 晶閘管導通閾值為70 V時數據曲線圖

然后，再將晶閘管關閉，當單導柜晶閘管已經完全關閉時，得出圖12所示的曲線圖。

圖12 燃氣管道極化電位正向偏移半小時平均值曲線

再次將單導柜上的接線斷開一段時間，比如晚上斷開，次日早上恢復。經過一段時間的通斷，得出圖13所示的曲線圖。

圖13 燃氣管道極化電位正向偏移半小時平均值曲線

通過上述測量，得出數據如表1所示。

表1 極化電位測量數據統計表

通過上述各種情況下的分析比較，在不同的工作狀況下，通過提高晶閘管的動作電壓值，能夠有效地減小晶閘管的導通頻率。通過上述方式雖然減少了雜散電流，但這種方式無法滿足燃氣管道標準要求，比如《SY/T0017-2006埋地鋼質管道直流排流保護技術標準》。因此，在管道中，其上的任意點管道電動勢與自然電動勢相比較，在其正向偏移上的數量值小于99 mV。在斷開單導柜接線時，通過上述表格可以看到，雜散電流便有稍微明顯的改變，能夠符合上述標準。

因此，影響燃氣管道雜散電流的主要因素就能夠看的很清楚了。當前車輛段到正線方向區間，在具體實施中，其采用的是二極管，在該二極管一直處于導通狀態的情況下，車輛段出現有持續性較大電流流向正線，這在地鐵運行時間內，很有可能產生對干擾因素，比如對其他管道、燃氣管道等。

通過本研究的技術方案進行優化設計，燃氣管道極化電位正向偏移半小時平均值曲線如圖14所示。

圖14 燃氣管道極化電位正向偏移半小時平均值曲線

通過上述數據及相關圖標表示，采用優化后的設計方案后，燃氣管道中出現的極化電位大大地降低，其數值大致處于50 mV附近，此時，極化電位平均值比起優化前的平均值將下降約75%，這將有效地降低地鐵雜散電流對鐵道道路中不同管道電動勢的影響。

4 結束語

本研究通過設計出新型的監測及防護系統，實現地鐵、車輛段等電流泄露的監測。并將隔離與耦合技術融合在電源設計中，實現雜散波的隔離與防護。本研究還對雜散電流腐蝕原理進行了說明，結合該原理，分析出雜散波的泄露路徑，并對限制雜散電流泄漏優化方案進行了設計。通過該試驗，借助于曲線圖，能夠看出地鐵雜散電流對鐵道道路中不同管道電動勢的影響。但是，在實際工作中，在單向通道裝置中，更具體的是，在出入段線與車輛段分界處時，在車輛段至正線方向上，通常設置有二極管，在正線至車輛段方向上，通常設置有晶閘管。通過這種方式，雖然在一定程度上能夠減少正線對車輛段的影響，但仍存在雜散電流泄露的風險和隱患，因此，雜散電流腐蝕的監測技術仍舊是長期研究的課題，本研究為日后更深層次的研究奠定技術基礎。