城市軌道交通雜散電流監測系統的應用與探索

崔軼昕、劉琴、趙程、陳燕靜

（1.寧波市軌道交通集團有限公司，浙江 寧波 315010；2.中國工商股份銀行有限公司，北京 100140）

0 引言

截至2020年12月31日，國內共有包括上海、北京、廣州、南京、武漢、重慶等44 個城市，開通運營城市軌道交通線路233 條，運營里程7545.5km，車站4660 座，日均客流約7000 多萬人次，運營人員達幾十萬人，同時每座城市還在繼續擴大建設城市軌道交通線路，巨大的運營和建設規模，帶來較高的運營、建設成本，本文針對城市軌道交通供電系統中的雜散電流進行深入分析研究，并建立智能監測系統，在節省電流的同時，把雜散電流的危害降低到最小，實現雜散電流提智增效、節能降耗、智能運維等智慧城軌目標。

1 雜散電流產生的原理及防治方法

1.1 雜散電流產生的原理

在軌道交通運輸系統期間，城市地鐵與輕軌常常運用直流牽引供電的方式，但因為鋼軌對地時無法做到完全絕緣，加上回流軌電壓降的因素，造成運行期間列車有一些負荷電流會泄漏到道床及其周圍土壤介質中，直接污染了地下管線與結構鋼筋，致使其腐蝕現象嚴重，這部分電流就是地鐵迷流，屬于雜散性電流，英文全稱為Metro stray current，雜散電流產生原理如圖1 所示。

圖1 雜散電流產生原理

電池I 為A 鋼軌（陽極區）至B 道床至C 排流網（陰極區）；電池II 為D 排流網（陽極區）至E 道床至F鋼軌（陰極區)。從圖中可以看出，在圖中金屬管線D與鋼軌A 兩個陽極區流出當地鐵雜散電流后，會致使此位置的金屬和相關范圍內的電解質形成陽極質，即為酸性電解質，也就是說，當pH 值小于7 時，那么就會發生析氫腐蝕現象，屬于一種氧化還原反應；當pH值大于等于7，金屬鐵周圍的介質屬于堿性電解質時，就會發生吸氧腐蝕，也屬于一種氯化還原反應。

1.2 雜散電流的腐蝕的危害

雜散電流腐蝕具有四種特點：第一種腐蝕現象嚴重；第二種腐蝕多位于局部；第三種當存在防腐層時，那么缺陷部位的腐蝕情況較為集中；第四種金屬結構受到雜散電流帶來的腐蝕時，多服從于電解法則，即服從法拉第定律：

W=Kit

從實質層面而言，金屬腐蝕過程屬于微觀的電解過程，嚴格遵循的是法拉第電解定律，也屬于電化學過程。腐蝕期間，受到影響的最關鍵參數就是泄漏電流值，這個電流密度值在實踐操作時明確了定量規定。因為準確測量地鐵結構泄漏電流具有較大難度，腐蝕危險性的間接指標是指由泄漏電流引起的電位極化偏移(電壓)值；隧洞結構的外表面，應根據泄漏電流所產生的結構電壓偏離自然電位數值對受雜散電流腐蝕管控標準來明確。如果地鐵主體結構鋼筋屬于鋼筋混凝土質地，應在0.5V 以內來管控上述極化電壓的正向偏移平均值（CJJ49-92 地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程）。地鐵附近鋼筋混凝土與相關設備、埋地管線，會受到雜散電流的影響而出現腐蝕情況，導致的后果較為嚴重。具體可從六個方面予以表現：第一，會對地下金屬管線產生腐蝕；第二，會直接破壞混凝土自身結構；第三，會腐蝕地下設備或者鋼軌；第四，可造成人身傷害；第五，雜散電流影響通信設備；第六，異常腐蝕。

電化學腐蝕現象只有滿足以下四種條件才能發生：第一種陰極與陽極必須存在；第二種在電解質中有陽極與陰極同時沉浸，并且有自由離子在電解質中流動；第三種陽極與陰極間應存在金屬電流通道；第四種陰極與陽極應存在一定的電位差。

在陽極：Fe→Fe+2e

陰極出現的吸氧反應在充氣的電解質中可表現為：O+2HO+4e→4OH

當析氫反應在處于缺氧、酸性的環境下發生時表現為：4HO+4e→4OH+2H

吸氧腐蝕就是鋼鐵受到電化學腐蝕的主要表現，可以2Fe+O+2HO→2Fe+4OH方程式予以體現其總反應，氫氧根離子與鐵離子可以形成氫氧化亞鐵，進而造成鋼鐵表面出現鐵銹現象。

工礦企業的雜散電流會導致一系列事故現象，如引發保護裝置誤動作、對通信系統給予干擾以及造成電雷管先期放炮。我國香港、深圳以及美國都曾發生過相關事件：香港煤氣的泄漏事故就是地鐵雜散流腐蝕煤氣管道導致穿孔而造成的；深圳地區對于雜散電流問題，燃氣集團曾要求過地鐵公司來賠償煤氣管網后期維護費用；而美國在防護治理直流牽引雜散電流時每年需要高達5 億美元的費用（1995年報告），雜散電流的危害嚴重影響城市軌道交通運營安全，腐蝕程度觸目驚心。雜散電流腐蝕危害如圖2 所示。

圖2 雜散電流腐蝕危害

1.3 雜散電流的防治方法及措施

作為地鐵運營安全及建設質量提供保障的關鍵一環，地鐵雜散電流防護發揮著極為重要的作用，遵循以防為主、以排為鋪的原則，對雜散電流實施防護工作，最大程度地避免外泄事件的發生，全面提高監測水平。

通常來說，防治雜散電流腐蝕現象的措施可從三個層面入手：

第一，被動型：覆蓋絕緣層，主要于絕緣管道內部進行鋪設工作，科學選取選擇合適的路線和電分段，以此來實施被動型的防護手段。

第二，主動型：一是排流保護法；二是陰極保護法；三是防蝕器防護法；四是陽極保護法；五是加強排流法。

第三，地鐵防治雜散電流腐蝕的方法：其一，回流軌中的電流應禁止向下泄漏，需要直接流回到牽引變電所的負極，也就是回流軌和地之間應使用有效絕緣，這樣能保證完全隔離雜散電流的泄漏途徑，將雜散電流產生的根源予以最大程度地管控，即為“堵”；其二，對于雜散電流大小可以采取走行軌與排流網電氣連接的測防端子實施監測，有利于超標情況發生時制定科學的有效策略，即為“測”；其三，以某種途徑將回流軌中一些向外泄漏的電流引回至變電所負極，也就是向雜散電流通過設置科學的排流網結構而指出一條暢通無阻的道路，即為“排”；其四，特殊地段采用單向導通裝置。

2 監測系統構成及監測內容

2.1 系統構成

雜散電流監測系統涉及到的組成部分較多，包括參比電極、隧道收集網測試端子、道床收集網測試端子、智能傳感器、雜散電流自動監測裝置、傳輸電纜和微機綜合管理系統構成，應用車站或者變電所統一控制與監測的二級系統。

全線在各牽引變電所內分別設置一臺雜散電流監測裝置，該裝置經過通信電纜與該站兩端的傳感器相連，各監測點傳感器經由測量線與該點結構鋼和整體道床測防端子所相符的參與電極進行連接，目的是有效采集此范圍內結構與整體道床鋼筋的極比電位數據。

雜散電流防護工程設計中設置了排流網，牽引變電所設置了排流柜。選取集中管理與供電分區監測的手段作為雜散電流監測系統的主要方案，也就是將包含排流柜、監測裝置和傳感器等在內的子系統，需要在每一個牽引供電分區內進行布置，并且每個子系統監測設備都需要連接牽引變電所內的電力監控系統，利用系統的通信通道，時刻與調度中心雜散電流監控的主機之間保持通信。在電力監控系統通信通道的充分運用下，雜散電流防護系統可以做到全線自成系統，將雜散電流防護系統主機設置在監控中心，能夠及時預測、分析、檢索、保存以及查看相關數據，主要負責全線的管控與測量。監測裝置與排流柜通信，采集數據并控制排流。

經雜散電流監測系統轉發到綜合維修基地供電復視機房的微機管理系統，通過微機管理系統對所測量的數據進行數據處理分析和打印等作業，具體雜散電流監測系統組網，如圖3 所示。

圖3 雜散電流監測系統組網

2.2 系統功能

雜散電流監測裝置的輸入端與從沿線各監測點等位置引入信號電纜并實施連接，并對分區范圍內的結構鋼筋極化電位進行及時采集監測，參比電極自然本體電位，并通過計算、存儲、統計實施A/D 轉換后的相關數據，利用變電所具有的通信網絡，最終將統計結果傳送到變電所自動化系統，主要包括以下功能：

功能1：測量整體道床結構鋼筋對周圍混凝土介質的極化電位；功能2：根據理論和工程實踐證明的數學模型，實施自動化處理測量數據，對監測位置的極化電位正向偏移平均值進行準確計算，并打印出各種數據、曲線和報表；功能3：監測裝置在各供電區域范圍內，定期向傳感器、排流柜發出數據采集命令，并根據規定的格式，將數據傳送到監測裝置；功能4：系統可以進行及時報警、分析、查詢等智能化決策能力。

2.3 監測內容

具體可從兩個方面來區分雜散電流自動防護系統的計算與測量參數：

一是參比電極的本體電位。在測量結構鋼極比電位時，主要采用的就是參與電極，但隨著時間的不斷延長，參比電極的本體電位會逐漸下降，這時測量精度會受到其下降的直接影響。

二是結構鋼筋極化電壓正向偏移平均值與結構鋼的極化電壓半小時平均值、瞬時值。當雜散電流從地鐵軌道中泄漏后，會腐蝕隧道結構鋼筋，在明確過程中，可以使用雜散電流所帶來的結構鋼筋電壓極化電壓偏移值的方式，極化電壓在0.5h 以內，對于鋼筋混凝土地鐵主體結構的鋼筋，需要保證正向偏移平均值小于500mV。

3 雜散電流的監測方案

3.1 分散式雜散電流監測

由微機管理系統、綜合測試裝置、測試箱、信號盒以及參考電極等共同組成的分散式雜散電流監測系統，其監測點測量導線應具有大于2.5mm的截面積，長度要小于10m。將大量電纜敷設于軌道交通沿線，能夠保證該方法的有效監測，但同時也會降低美觀性，加大高架區段的荷載，浪費現象十分嚴重。不僅如此，由于模擬量傳輸時過長的距離影響，與相關規程標準背道而馳，數據采集準確性無法得到保證，十分不利于日后維護雜散電流防護系統，分散式雜散電流監測系統如圖4 所示。

圖4 分散式雜散電流監測系統

3.2 集中式雜散電流監測

由微機管理系統、監測設備、信號轉接器、傳感器以及參考電極等組成的集中式雜散電流監測系統，具有較高的智能化特點，雖然可以精準的測量數據，但由于受到通信距離的限制影響，監測范圍必須在20km 以內，擴展性較差?？v觀我國當前地鐵發展現狀而言，對于相關規定標準尚未達到，特別是在地鐵線延伸期間，系統擴展需求難以滿足。例如，武漢輕軌一期延伸過程中，在不改造的前提下，雜散電流監測系統無法在基站系統上實施通信網絡專用接口，造價較高；集中式雜散電流監測系統如圖5 所示。

圖5 集中式雜散電流監測系統

3.3 分布式雜散電流監測

通常以通信實時可靠、數據測量精準性高、監測點設置科學的原則，來對分布式雜散電流監測系統進行設計，該系統涉及的組成部分較多，包括微機管理系統、監測設備以及傳感器等。在設置參比電極、傳感器以及監測點的過程中要掌握幾個重點，如重大建筑物附近、站臺兩側以及回流點附近，參比電極與傳感器需要在每個監測點進行設置。同時，嚴格按照排流柜、集成于CP 屏或者單獨組柜在供電區間牽引變電所設置監測設備的原則，布設監測裝置。監測系統上位機的布置原則：放置在主控室、車輛段、供電車間或納入電力監控系統。在布置排流柜期間，應遵循在供電區間牽引變電所來設置排流柜的原則。單向導通需要遵循車輛鋼軌和正線鋼軌、高架橋兩端、過江隧道兩端、地下和地下鋼軌中間等絕緣結處給以布置的原則，分布式雜散電流監測系統，如圖6 所示。

圖6 分布式雜散電流監測系統

4 結語

目前在地鐵建設過程中通常采取綜合的方法減少雜散電流的腐蝕，在各種方法采取之后其效果如何、在地鐵投入運營后各種防范措施是否還起作用，通過雜散電流腐蝕情況在線監測提供了判斷依據；通過在線監測為地鐵雜散電流腐蝕預測提供數據支持；利用監測到的數據進行分析判斷，為是否啟動或停止排流裝置提供了依據，同時綜合分析和計算排流裝置排流量的大小，使排流裝置達到最佳的排流效果，減少因為排流帶來的副作用；綜合檢測和控制特殊地段單向導通裝置的使用，有效防止雜散電流腐蝕，同時起到消弧作用，消除因為電弧的產生而燒損軌道；有效監測和減小地鐵雜散電流腐蝕，為地鐵系統安全運營提供保障。