陳靜

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710014）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略布局的調(diào)整，地鐵以其快捷、環(huán)保、高效等特點(diǎn)，作為城市的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迅速發(fā)展，極大地緩解了日益突出的城市交通問(wèn)題。

地鐵大多采用直流牽引供電系統(tǒng)，并將走行軌作為牽引回流線。在列車(chē)運(yùn)行的不同過(guò)程（啟動(dòng)、加速、惰行、制動(dòng)等）和不同負(fù)載（空載、輕載、重載）的情況下，走行軌的工作電流差別很大。該電流絕大部分能經(jīng)過(guò)走行軌流回到牽引變電所的負(fù)極，但仍然會(huì)有一小部分電流從軌道與地面絕緣不良的位置泄漏到道床及周?chē)寥澜橘|(zhì)中，形成雜散電流，俗稱迷流。

雜散電流會(huì)對(duì)地下隧道結(jié)構(gòu)鋼筋、高架橋結(jié)構(gòu)鋼筋、沿線金屬管線、屏蔽網(wǎng)等金屬設(shè)施產(chǎn)生嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕。如果不及時(shí)治理將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及建筑設(shè)施的安全，釀成災(zāi)難性的后果。因此，雜散電流的腐蝕防護(hù)、監(jiān)測(cè)及綜合治理是地鐵建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中的一個(gè)重大課題。

1 雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成

雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由上位機(jī)、參比電極、信號(hào)電纜、傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器、排流柜等組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 地鐵雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Metro stray current monitoring system schematic diagram

由于雜散電流本身很難被檢測(cè)到，所以通常的方法是測(cè)量鋼軌對(duì)地的極化電壓[1]。圖1中的極化電位電極模塊安裝在地鐵沿線的各雜散電流監(jiān)測(cè)點(diǎn)處。上位機(jī)通過(guò)RS485/232總線與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相聯(lián)，輪流采集地鐵沿線各采集點(diǎn)的極化電壓數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析軟件來(lái)分析和查看整條線路上雜散電流極化電壓的大小和分布情況。如果某點(diǎn)雜散電流（極化電壓）“超標(biāo)”，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)排流柜控制裝置按照設(shè)定程序進(jìn)行相應(yīng)操作，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)警，以便運(yùn)營(yíng)人員及時(shí)做出判斷和相應(yīng)措施[2]。

2 雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

廣州地鐵、武漢輕軌、深圳地鐵、上海明珠線北延伸線等均采用集中式雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由參考電極、傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)接器、監(jiān)測(cè)裝置、微機(jī)管理系統(tǒng)組成。圖2給出了集中式雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接線圖。

圖2集中式雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接線圖Fig.2 Centralized stray current monitoring system wiring diagram

通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的合理設(shè)置，每隔一段時(shí)間由工作人員攜帶便攜式計(jì)算機(jī)現(xiàn)場(chǎng)收集測(cè)試數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)卡與便攜式計(jì)算機(jī)通訊得到。測(cè)試數(shù)據(jù)上傳到微機(jī)管理系統(tǒng)后，由微機(jī)管理系統(tǒng)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，形成便于查詢的數(shù)據(jù)及曲線，利用這些分析結(jié)果可以了解軌道沿線鋼結(jié)構(gòu)的電化學(xué)腐蝕狀況[3]。根據(jù)長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)收集分析，能夠預(yù)測(cè)得出全線雜散電流防護(hù)效果情況，一旦出現(xiàn)危險(xiǎn)信號(hào)，可以及時(shí)采取相應(yīng)措施，防止主體結(jié)構(gòu)鋼筋的雜散電流電化學(xué)腐蝕。

3 雜散電流的綜合治理

雜散電流是一種環(huán)境污染，對(duì)雜散電流腐蝕一般采取“以防為主、以排為輔、防排結(jié)合、加強(qiáng)監(jiān)測(cè)”的綜合治理方法。即雜散電流的腐蝕防護(hù)應(yīng)從源頭入手，盡量減少牽引回流的泄漏；同時(shí)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼筋及各專業(yè)金屬管線的腐蝕防護(hù)；其防護(hù)實(shí)際效果要通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)沿線雜散電流的泄漏及腐蝕情況來(lái)反映，以便及時(shí)采取措施，保障地鐵交通安全可靠運(yùn)行。

根據(jù)雜散電流產(chǎn)生的根源及腐蝕過(guò)程，以提高走行軌對(duì)地絕緣及保持牽引回流暢通為手段，本文從“防”和“排”兩方面來(lái)談雜散電流的綜合治理。

3.1 “防”——源控法

所謂“防”就是防止?fàn)恳亓鲝淖咝熊壭谷氪蟮?，這是從源頭和根本上控制和減小雜散電流的有效方法?！胺馈睂儆谠纯胤?。

影響雜散電流大小的主要因素有：牽引電流、牽引變電所之間的距離、走行軌的電阻值及對(duì)地過(guò)渡電阻等[4]。根據(jù)這些主要因素的影響，采取合理的設(shè)計(jì)、施工措施，就可以從根本上控制和減小雜散電流。

3.1.1加強(qiáng)走行軌對(duì)地的絕緣，提高軌地過(guò)渡電阻

《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》中明確規(guī)定，新建線路走行軌與區(qū)間主體結(jié)構(gòu)之間的過(guò)渡電阻值應(yīng)小于15 Ω·km，運(yùn)行線路不小于3 Ω·km?？梢?jiàn)，加強(qiáng)軌地絕緣，保持走行軌對(duì)大地的過(guò)渡電阻值在合理的范圍內(nèi)，是降低雜散電流的強(qiáng)制措施。加強(qiáng)和保持軌道絕緣是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及土建、軌道、給排水等多個(gè)專業(yè)，并要求從設(shè)計(jì)施工階段就要嚴(yán)格制定相應(yīng)措施，從源頭治本。主要有以下方法：

1）走行軌設(shè)置絕緣墊，單塊絕緣墊電阻不小于108Ω；

2）走行軌對(duì)地保持一定距離，其間隙不小于30 mm[5]；

3）雜散電流道床收集網(wǎng)與走行軌之間絕緣處理；

4）道床收集網(wǎng)與主體結(jié)構(gòu)鋼筋之間避免金屬連通；

5）道床排水溝合理設(shè)置，保證排水暢通，防止走行軌對(duì)地絕緣水平降低。

3.1.2減小走行軌縱向電阻，保持牽引回流通路暢通

走行軌縱向電阻越小，牽引回流流過(guò)時(shí)產(chǎn)生的壓降越小，使鋼軌對(duì)地的縱向電位差也會(huì)減小，保證了良好的回流，減小了雜散電流的泄漏。一般采取以下措施：

1）增加走行軌截面尺寸。鋼軌橫截面積越大，可以降低回流電阻，減少了雜散電流。因此，在工程實(shí)施中，考慮投資、運(yùn)量等相關(guān)因素情況下，應(yīng)盡量采用60 kg/m鋼軌；工程中還應(yīng)盡量采用無(wú)縫鋼軌；如鋼軌采用魚(yú)尾板連接，在鋼軌接縫處采用電纜連接兩邊鋼軌，減小鋼軌接縫處的電阻值；在特殊區(qū)段，增設(shè)與鋼軌并聯(lián)的縱向電纜也是降低回流電阻的有效措施。

2）盡量多地設(shè)置鋼軌之間的均流線。復(fù)線地鐵中四根鋼軌并聯(lián)，理論上總回流電阻為單根鋼軌回流電阻的1/4。由于信號(hào)對(duì)軌道電路有一定的要求，在滿足信號(hào)專業(yè)要求的前提下，應(yīng)盡量多地設(shè)置的均流線，在一定程度上可以減小回流電阻。

3）車(chē)輛段和停車(chē)場(chǎng)設(shè)置多個(gè)回流點(diǎn)，使?fàn)恳亓骶徒亓?，并設(shè)置均流線，減小回流通路的電阻，降低車(chē)輛段或停車(chē)場(chǎng)雜散電流的總量。

4）鋼軌與道床之間采用點(diǎn)支撐安裝，減少鋼軌與道床之間接觸面，降低鋼軌縱向壓降，減小回流電阻。

3.1.3縮短變電所之間的距離，合理設(shè)置牽引變電所

供電距離越短，軌道泄漏電流和軌道電位越低，雜散電流越小，對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋或金屬管線產(chǎn)生的腐蝕也就越小。因此，應(yīng)合理設(shè)置牽引變電所，適當(dāng)考慮減小變電所距離，采用雙邊供電，盡量不采用單邊供電。此外，停車(chē)場(chǎng)或車(chē)輛段需要單獨(dú)設(shè)置牽引變電所，正常情況下與正線牽引變電所無(wú)電氣連接，防止正線雜散電流流入。

3.1.4降低列車(chē)電流

列車(chē)電流與系統(tǒng)電壓、客流量、變電所間距、列車(chē)追蹤時(shí)間間隔等有關(guān)[6]。列車(chē)電流對(duì)泄漏電流和軌道電位都有很大影響，其電流越大，產(chǎn)生的雜散電流就越多。

采用變壓變頻（VVVF）控制的三相異步電機(jī)具有傳動(dòng)效率高，節(jié)電效果更顯著的優(yōu)點(diǎn)，而再生制動(dòng)的應(yīng)用則可進(jìn)一步減少負(fù)荷。此外，采用較高的系統(tǒng)電壓可以減小列車(chē)電流。在相同的牽引功率下，采用 1 500 V電壓牽引供電就比采用750 V電壓牽引供電產(chǎn)生的雜散電流小[7]。

3.1.5 防止道床污染，重視日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)

新建地鐵線路鋼軌對(duì)地過(guò)渡電阻一般較高，但隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的推移，軌道會(huì)受到各種污染，道床混凝土也會(huì)隨著排水不暢等原因致使電阻率降低，造成軌地過(guò)渡電阻逐漸減小。因此，運(yùn)營(yíng)中應(yīng)采取必要措施，保證絕緣性能保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。1）定期對(duì)全線軌道線路清掃，保持線路清潔干燥。尤其是加強(qiáng)對(duì)軌道扣件及鋼軌絕緣墊的檢查，杜絕易導(dǎo)電的物質(zhì)在鋼軌扣件和絕緣墊表面附著，避免由此而產(chǎn)生的軌道對(duì)地過(guò)渡電阻的下降；2）定期檢查各雜散電流收集網(wǎng)之間的連接線、負(fù)回流電纜及均流電纜連接是否良好，連接螺栓是否生銹等。如果這些連接部件狀態(tài)不良，則應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修復(fù)；3）利用雜散電流綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)整體道床結(jié)構(gòu)鋼筋、車(chē)站隧道結(jié)構(gòu)鋼筋等相對(duì)周?chē)炷两橘|(zhì)的平均電位是否超標(biāo)。根據(jù)監(jiān)測(cè)狀況，以便決定是否對(duì)鋼軌回路及鋼軌泄漏電阻進(jìn)行測(cè)試檢查，結(jié)合測(cè)試結(jié)果進(jìn)行維護(hù)和處理。

3.2 “排”——排流法

所謂“排”就是雜散電流監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)到道床收集網(wǎng)鋼筋極化電位超過(guò)設(shè)定數(shù)值時(shí)，通過(guò)為雜散電流提供較小的電阻通路，使雜散電流順暢流回牽引變電所負(fù)極，有效抑制雜散電流再?gòu)匿摻顢U(kuò)散至混凝土，達(dá)到減少雜散電流流出鋼筋導(dǎo)致的電化學(xué)反應(yīng)，這種方法稱為排流法?！芭拧本褪桥帕鞣ā?/p>

排流法需要在先期設(shè)計(jì)施工就建立雜散電流收集網(wǎng)，并在牽引變電所內(nèi)設(shè)置雜散電流排流裝置。

3.2.1雜散電流收集網(wǎng)的設(shè)置

雜散電流收集網(wǎng)的構(gòu)成如圖3所示。在地鐵施工中，雜散電流主收集網(wǎng)由整體道床內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋縱向連通形成，為雜散電流的主電氣通路，減少雜散電流由道床向其他結(jié)構(gòu)的外泄；雜散電流的輔助電氣通路（即輔助收集網(wǎng)）由隧道內(nèi)鋼筋（內(nèi)襯墻鋼筋）縱向連通形成，減少雜散電流向地鐵以外泄漏。大部分雜散電流是經(jīng)過(guò)主收集網(wǎng)流回牽引變電所，小部分雜散電流通過(guò)輔助收集網(wǎng)流回牽引變電所，向外泄露的電流就非常少，這樣就可以達(dá)到減少雜散電流外泄的目的。

圖3地鐵雜散電流收集網(wǎng)的構(gòu)成Fig.3 Metro stray current collection network composition

3.2.2排流柜的設(shè)置

采用排流法進(jìn)行雜散電流的腐蝕防護(hù)時(shí)，在正線的牽引變電所內(nèi)需設(shè)置排流柜。其一端通過(guò)電纜與牽引變電所負(fù)極柜相連接，另一端與雜散電流收集網(wǎng)的排流端子相連接。排流柜通過(guò)其控制裝置與雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)通信電纜連接，實(shí)現(xiàn)雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息交換。當(dāng)被保護(hù)的金屬結(jié)構(gòu)極化電位處于超標(biāo)時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)確定排流量，并把排流量的數(shù)值傳給排流柜控制器進(jìn)行排流；當(dāng)檢測(cè)被保護(hù)的金屬結(jié)構(gòu)的極化電位處于安全狀態(tài)時(shí)，雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)向排流裝置發(fā)出停止排流的命令。

排流法在雜散電流的腐蝕防護(hù)中具有較好的效果，但同時(shí)也有一定的副作用[8]。如排流會(huì)使雜散電流的數(shù)值增加，使那些沒(méi)有排流設(shè)備的金屬結(jié)構(gòu)腐蝕加劇；還會(huì)使鋼軌電位升高，可能超過(guò)安全電壓。因此，排流只能作為一種應(yīng)急手段。

4 結(jié)束語(yǔ)

雜散電流的綜合治理，關(guān)鍵在于前期從源頭上采取有效措施。如加強(qiáng)走行軌對(duì)地的絕緣、減小走行軌縱向電阻、縮短變電所之間的距離、防止道床污染、降低列車(chē)電流等。在地鐵投入運(yùn)營(yíng)后，則應(yīng)重視加強(qiáng)雜散電流的監(jiān)測(cè)與防護(hù)。通過(guò)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，針對(duì)不同的問(wèn)題，采取有效措施，進(jìn)行必要的維護(hù)和處理，將雜散電流控制在允許的范圍內(nèi)。

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