秦亞玲

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

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市人口持續(xù)增長，城市交通也日趨緊張。軌道交通作為一種成熟的交通方式，具有便捷、高效、充分利用城市有限空間等優(yōu)點，已成為緩解交通擁堵，促進(jìn)城市健康可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。目前，國內(nèi)外城市軌道交通的動力源普遍采用直流牽引供電系統(tǒng)（DC-Powered Transit System），通過直流供電系統(tǒng)取流，將走行軌作為電流回流通路。走行軌不可能與大地完全絕緣，因此總有少量電流不會沿著走行軌回到牽引變電所的負(fù)極，而是沿著軌道與地面絕緣不良的位置泄漏到地鐵道床及周圍土壤介質(zhì)中，經(jīng)過在地下的無規(guī)律流動，從大地回到牽引變電所負(fù)極或根本回不到牽引變電所，從而最終形成雜散電流。雜散電流會對沿線金屬管線、屏蔽網(wǎng)、地下隧道和高架橋中的結(jié)構(gòu)鋼筋等金屬設(shè)施產(chǎn)生嚴(yán)重的電流腐蝕作用，不及時處理會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及建筑設(shè)施的安全，釀成災(zāi)難性后果。

1 排流網(wǎng)

在軌道交通的實際工程中，在枕木以下的混凝土整體道床內(nèi)，一般均利用整體道床和浮制板道床內(nèi)的結(jié)構(gòu)鋼筋和隧道結(jié)構(gòu)鋼筋，在軌道與埋地金屬之間設(shè)置一個低電阻的雜散電流流通路徑，形成雜散電流收集網(wǎng)，稱為排流網(wǎng)。

排流網(wǎng)一般由上下兩層各5根直徑大于12 mm的鋼筋沿隧道縱向鋪設(shè)，且每隔50 m由一根直徑25 mm以上的鋼筋將縱向鋼筋焊接在一起，并用2根直徑20 mm以上的鋼筋跨接上下兩層排流鋼筋，使兩層結(jié)構(gòu)的排流網(wǎng)沿縱向和橫向形成電氣連接，結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖2是上海市地鐵隧道內(nèi)的排流網(wǎng)鋪設(shè)示意圖。

圖1 雜散電流排流網(wǎng)示意圖Fig.1 Drainage net of the stray current

這主要是針對運(yùn)營期間，當(dāng)先期防護(hù)措施逐漸失效或滲水等因素造成大量雜散電流時而采取的防護(hù)措施，目的在于收集由走行軌泄漏到大地中去的雜散電流，并由此引導(dǎo)雜散電流流回牽引變電所的負(fù)極母線。使用排流網(wǎng)能夠使其附近的雜散電流被“吸引”到排流網(wǎng)上來，從而降低了已經(jīng)泄漏到大地中去的雜散電流再次向四周“四處亂竄”的可能性，避免了雜散電流對地鐵隧道主體結(jié)構(gòu)鋼筋及外部埋地金屬管道等地下設(shè)施的電化學(xué)腐蝕[1]。

圖2 雜散電流排流網(wǎng)的鋪設(shè)示意圖Fig.2 Installation of the drainage net

采用排流網(wǎng)后，大部分雜散電流可被限制在排流網(wǎng)之內(nèi)，但仍無法完全避免少量雜散電流的擴(kuò)散。相應(yīng)地一般還采取一定的排流保護(hù)措施，保護(hù)地下金屬管線及線路附近的設(shè)備免受雜散電流腐蝕，并防止雜散電流向軌道交通系統(tǒng)外擴(kuò)散。

2 3種排流保護(hù)法

排流保護(hù)法主要是為保護(hù)金屬導(dǎo)體而采取的防護(hù)措施，其基本原理是將被保護(hù)的金屬導(dǎo)體對走行軌的陽極區(qū)用導(dǎo)線連接到走行軌上，從而將金屬導(dǎo)體與走行軌短路，使被保護(hù)的金屬體變?yōu)殛帢O性的，從而防止金屬發(fā)生陽極腐蝕[2]。這種方法又可分為以下3種，如圖3所示。

圖3 雜散電流排流保護(hù)法Fig.3 Drainage protection of the stray current

直接排流法是將被保護(hù)金屬導(dǎo)體與靠近變電所附近的回流走行軌直接用導(dǎo)線連接，如圖3（a）所示。但實際上雜散電流的方向往往隨列車運(yùn)行位置的移動而發(fā)生改變，使得在變電站前方走行軌的對地電位并不總是為負(fù)值。當(dāng)走行軌的對地電位為正值時，走行軌上的電流反而通過排流電纜由走行軌流向排流網(wǎng)，使雜散電流腐蝕加劇。因此直接排流法現(xiàn)在已廢棄不用。

選擇排流法就是在直接排流法的連接線上加裝單向?qū)щ姷亩O管整流器，只允許被保護(hù)埋地金屬物的雜散電流流向走行軌，阻止?fàn)恳娏髁飨虮槐Ｗo(hù)埋地金屬物，如圖3（b）所示。只有當(dāng)排流網(wǎng)相對于走行軌（或變電所負(fù)母線）的電位為正時二極管才正向?qū)ǎ帕骶W(wǎng)中收集的雜散電流流回變電所負(fù)母線端子；否則二極管反向截至，阻止?fàn)恳娏鲝淖冸娝?fù)母線流向排流網(wǎng)，從而達(dá)到保護(hù)埋地金屬物的目的。這是目前廣泛采取的主要排流措施之一。

強(qiáng)制排流法是當(dāng)被保護(hù)埋地金屬物處于雜散電流交替干擾區(qū)時，采用直接或選擇排流法都不能將干擾電流排回走行軌排流網(wǎng)時采用的強(qiáng)制排流措施[3]。強(qiáng)制排流裝置是一個直流電源裝置，由變壓器和整流器組成，如圖3（c）所示。外部直流電源強(qiáng)制其排流同時阻止了逆向電流，促使雜散電流從排流網(wǎng)流向走行軌（或變電所負(fù)母線），避免已經(jīng)流入排流網(wǎng)的雜散電流從遠(yuǎn)離變電站的遠(yuǎn)方流出，從而防止雜散電流引起電化學(xué)腐蝕。這種排流措施具有較強(qiáng)的抗交變電流腐蝕的能力。

總之，排流法成本低、工作可靠，在軌道交通的雜散電流防護(hù)中一般優(yōu)先采用。

3 排流保護(hù)法存在的問題

排流法可以對需要保護(hù)的金屬導(dǎo)體提供可靠保護(hù)，但排流法也有不小的缺陷。

1）排流量過大

排流量過大會造成鄰近未采取排流保護(hù)的地下金屬埋設(shè)物受到更強(qiáng)的電解腐蝕，這種現(xiàn)象通?？煞Q之為“干擾”現(xiàn)象，可能提升軌道電位并危及人身安全。此外，排流量過大還會造成其他方面的危害：一是破壞埋地金屬管道的腐蝕保護(hù)層，以氯化亞汞電極為基準(zhǔn)，埋設(shè)管道的對地電位低于－2.5 V時，保護(hù)層被破壞的危險增大，之后其內(nèi)部金屬的腐蝕將更加嚴(yán)重。二是對鉛鎧電纜的鉛皮產(chǎn)生陰極腐蝕，當(dāng)土壤水分中含鹽時，鉛不僅作為陽極受到腐蝕，而且也受到陰極腐蝕[4]。當(dāng)排流量增大，鉛皮電位變得更低時腐蝕會加??；此外，排流量過大還會導(dǎo)致鉛皮溫度上升，影響電纜的工作性能。

2）排流量控制存在的問題

在直流牽引供電系統(tǒng)中，大地及支持軌道交通隧道的鋼筋結(jié)構(gòu)實際上環(huán)繞隧道一周。如果將地下鋼筋結(jié)構(gòu)直接與負(fù)母線搭接來排流，會破壞鋼軌的浮地性質(zhì)，同時軌道電位也會增大。因此，一般讓鋼筋結(jié)構(gòu)通過排流裝置與負(fù)母線搭接，使泄漏電流通過鋼筋結(jié)構(gòu)及排流裝置流回負(fù)母線，可以通過控制電流的大小使鋼筋結(jié)構(gòu)上的壓降減小，從而大大降低泄漏到大地的電流。傳統(tǒng)的控制方法是以設(shè)置排流裝置的整流器車站處極化電位作為監(jiān)測參數(shù)，手動控制[5]。這必然存在人為的極大誤差與誤判，排流量控制過大，可能會造成更大的腐蝕，引起軌道電位的升高；控制過小，可能造成不能減小雜散電流腐蝕的危險。

目前排流的控制是采用恒值報警模式。所謂恒值報警，即設(shè)定一個報警限值，當(dāng)現(xiàn)場的測試數(shù)據(jù)超過限值時，系統(tǒng)就報警。對于排流的控制，監(jiān)測裝置通過監(jiān)測軌道交通車站整流器回流點處的正向極化電位，并設(shè)定報警限制為0.5 V，當(dāng)現(xiàn)場監(jiān)測的極化電位超過0.5 V時，進(jìn)行最大排流。其余情況根據(jù)工作人員的經(jīng)驗手動進(jìn)行排流量大小的選取，排流大小可通過控制板進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定范圍為0～200 A。由此可見，系統(tǒng)簡單地認(rèn)為排流量的大小只是與整流器回流點處的回流有關(guān)，報警模型通過簡單的比較運(yùn)算來進(jìn)行排流的控制?？稍趯嶋H中，對于整個供電區(qū)段，各處的雜散電流泄漏情況不一，僅僅測量回流點處的極化電位難以反映全線的情況。例如當(dāng)某些監(jiān)測點處的極化電位超限，但其他監(jiān)測點的極化電位沒有超限的情況下，是否應(yīng)當(dāng)采取最大的排流措施。如果采取最大排流，雖然可以達(dá)到保護(hù)的效果，但必然會產(chǎn)生較大的副作用。同時，由于在一個供電區(qū)間內(nèi)，整流器回流點處埋地金屬結(jié)構(gòu)為陽極區(qū)，此處傳感器所監(jiān)測的極化電位偏移最大，在整流器車站的其他監(jiān)測點所測得極化電位正向偏移相對較小，而在非整流器車站監(jiān)測點所測得極化電位正向偏移最小，在這種情況下，如果報警限值簡單地設(shè)為0.5 V，必然會降低保護(hù)效果，例如采用全線采用0.5 V，但對于遠(yuǎn)離整流車站的位置，腐蝕較弱，采用該限值必然引起漏報情況；但如果設(shè)置的過低例如0.3 V，對于腐蝕嚴(yán)重的位置將導(dǎo)致系統(tǒng)頻繁誤報警，降低了系統(tǒng)的可靠性。

因此，有必要綜合研究合理的排流量控制手段，減少雜散電流對金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕，消除其副作用。現(xiàn)有控制方式的弊端，究其原因是恒值報警采用了線性控制方式，而實際的量并非線性關(guān)系。因此要想可靠報警，必須研究腐蝕程度與排流之間的非線性關(guān)系，進(jìn)行控制。造成排流控制過大或過小的原因在于系統(tǒng)報警模型簡單，沒有充分考慮到全線的綜合情況，從而導(dǎo)致系統(tǒng)工作的不可靠。如果能找到一種恰當(dāng)?shù)姆绞?，來描述排流大小與極化電位之間的非線性關(guān)系，并通過這種關(guān)系實現(xiàn)排流的控制，那么系統(tǒng)報警的可靠性將得到有效地改善。需要對排流量進(jìn)行監(jiān)視與智能化控制。

4 排流模糊評判可行性分析

如前文所述，排流量大小的控制與極化電位值大小之間是非線性關(guān)系。非線性問題有多種解決方法，一是數(shù)學(xué)擬合法。如果能知道某一非線性關(guān)系的形式或者說復(fù)雜程度，通過數(shù)學(xué)擬合的方法，可以得到非線性：關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，從而得出數(shù)學(xué)模型；但這種關(guān)系需要大量的數(shù)據(jù)樣本[6]。但是目前我們沒有積累足夠的樣本數(shù)據(jù)，特別對于軌道交通的腐蝕防護(hù)是一個長期的工作，因此非線性擬合的方法在本文中很難采用用。二是模糊控制的方法，它可以利用由現(xiàn)有專家經(jīng)驗以及根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出的推理規(guī)則建立的規(guī)則庫，來描述非線性關(guān)系。模糊邏輯方法具有多因素綜合分析的特點，因而適合于對受多種因素影響的具有不確定性結(jié)論的事物或現(xiàn)象做出總的評價。即對被評判事物或現(xiàn)象通過賦予每個影響它的因素一個評判指標(biāo)，再根據(jù)所給條件計算分析得出其總體的帶一定傾向性的結(jié)論。反映軌道交通雜散電流泄露的極化電位是帶有模糊特征的量，運(yùn)用模糊邏輯方法對其進(jìn)行分析是一種非常有效的手段。

模糊推理過程實際上是將人類的模糊概念和思維過程用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)表達(dá)進(jìn)行描述，從而可以模仿人類思維——人工智能。例如：人類識別一個人的過程，被識別人的身高、體態(tài)、臉型、眼睛、鼻子、嘴等將在人的大腦中形成一個模糊的概念，如高個子、大眼睛、圓臉、高鼻梁等等。有了這些模糊的概念，人類就可以對這個人進(jìn)行準(zhǔn)確的識別，甚至只看到背影便可以進(jìn)行識別。理論上已經(jīng)證明，只要規(guī)則庫足夠地充分，模糊推理就可以逼近任意非線性關(guān)系。

軌道交通工程是一個很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，對于實際的軌道交通結(jié)構(gòu)很難定義精確的數(shù)學(xué)模型。并且排流保護(hù)后的效果評價只是一個定性原則，而且要求進(jìn)行多點檢測評定，被保護(hù)的金屬結(jié)構(gòu)在一個供電區(qū)間內(nèi)有多個極化電位的監(jiān)測點，無法根據(jù)單個監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行是否排流和使用多大排流量進(jìn)行排流的判斷，也難以用常規(guī)單一的數(shù)學(xué)模型來描述，因此比較適合采用模糊控制的方法來進(jìn)行判斷控制。軌道交通系統(tǒng)中主要考慮整體道床排流網(wǎng)的排流保護(hù)和隧道側(cè)壁結(jié)構(gòu)鋼的排流保護(hù)，設(shè)計排流模糊控制器時應(yīng)該分別考慮。

5 結(jié)束語

文中對現(xiàn)有排流方法進(jìn)行了分析，得出了現(xiàn)有排流方法的不足與缺陷，并根據(jù)排流量與極化電位之間的關(guān)系提出利用模糊控制理論來控制排流量的方法。

[1]清勇．雜散電流腐蝕問題基礎(chǔ)研究[D]．大連：大連理工大學(xué)，2006.

[2]計雪松，秦朝葵.雜散電流對埋地燃?xì)夤艿赖母g及其檢測[J].上海煤氣，2007（4）:12－16.JI Xue-song，QIN Chao-kui.The study and test of electroerosion of scattering current to gas pipeline under the earth[J].Shanghai Gas，2007（4）:12－16.

[3]陳文斌．埋地鋼質(zhì)管道雜散電流測試分析技術(shù)研究[D]．北京：北京工業(yè)大學(xué)，2009.

[4]呂偉杰．地鐵雜散電流的防護(hù)方案研究與設(shè)計 [D]．成都：西南交通大學(xué)，2007.

[5]曹阿林．埋地金屬管線的雜散電流腐蝕防護(hù)研究 [D]．重慶：重慶大學(xué)，2010.

[6]張文修，梁廣錫．模糊控制與系統(tǒng)[M]．西安：西安交通大學(xué)出版社，1998.