沈逸才

(同濟(jì)大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

軌道交通車站及區(qū)間雜散電流防護(hù)設(shè)計(jì)的探討

沈逸才

(同濟(jì)大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

介紹了雜散電流產(chǎn)生原理及其腐蝕的危害隱蔽性和突發(fā)性，闡述了維護(hù)和監(jiān)測的困難性，明確了以防為主、以排為輔、防排結(jié)合、加強(qiáng)監(jiān)測的防護(hù)原則，討論了雜散電流防護(hù)中防堵、排流、監(jiān)測等不同手段，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)及新型監(jiān)測技術(shù)，力求有效緩解雜散電流腐蝕對軌道交通運(yùn)營和國民經(jīng)濟(jì)所造成的損失。

軌道交通；雜散電流；防堵；排流；監(jiān)測

0 引 言

國際電工委員會對于雜散電流的定義是不按設(shè)想路徑流通的電流。

軌道交通列車一般以直流電力作為牽引動(dòng)力，接觸網(wǎng)與牽引變電所的正母線相連，走行軌作為回流通路與牽引變電所的負(fù)母線相連；由于走行軌無法做到與大地完全絕緣，列車運(yùn)行時(shí)走行軌與結(jié)構(gòu)鋼筋產(chǎn)生電位差，造成部分電流不從走行軌流回牽引變電所，這部分電流就是雜散電流。

雜散電流本質(zhì)上是電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致金屬的不斷消蝕和破壞。由于電位梯度和電流泄露，會產(chǎn)生二價(jià)鐵離子，因?yàn)榈叵螺^為潮濕，二價(jià)鐵離子與與水結(jié)合并氧化形成鐵銹。

1 雜散電流腐蝕的危害

雜散電流腐蝕的危害主要有四點(diǎn)：腐蝕鋼筋、損壞電氣設(shè)備、危及人身安全、迫使軌道交通停運(yùn)。整個(gè)雜散電流通路本質(zhì)上是兩個(gè)串聯(lián)的原電池，原電池1：走行軌→道床鋼筋→車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)鋼筋→沿線其他市政金屬管線。原電池2：沿線市政金屬管線→車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)鋼筋→道床鋼筋→走行軌。由于車站內(nèi)一般會敷設(shè)均流電纜及回流電纜，所以導(dǎo)致車站內(nèi)道床鋼筋和結(jié)構(gòu)鋼筋高于走行軌電位，而區(qū)間內(nèi)相反。所以原電池1的情況一般出現(xiàn)在區(qū)間內(nèi)，原電池2的情況一般出現(xiàn)在車站內(nèi)[1]。

圖1 雜散電流腐蝕路徑示意圖

如果此時(shí)電氣設(shè)備接地裝置也接入結(jié)構(gòu)鋼筋，將可能引起接地電位升高，使某些電氣設(shè)備無法正常工作。在設(shè)備外殼接地的情況下，人體誤碰外殼更會危及人身安全。

另外走行軌如果大量泄漏雜散電流，可能導(dǎo)致牽引變電所繼電保護(hù)動(dòng)作，使得整流機(jī)組跳閘，還會使相鄰牽引變電所對應(yīng)的直流饋線斷路器失效，造成接觸網(wǎng)大范圍停電。接觸網(wǎng)燒灼斷裂。

2 雜散電流的防護(hù)措施

雜散電流防護(hù)的宗旨是：以防為主，以排為輔，防排結(jié)合，加強(qiáng)監(jiān)測。

根據(jù)雜散電流簡易估算公式：

I——負(fù)荷電流；

r——鋼軌縱向電阻；

L——列車到牽引變電所的距離；

ω——走行軌的泄漏阻抗

所以減少泄漏阻抗(防堵)，增加回流阻抗(排流)，減少牽引供電距離是雜散電流防護(hù)的重要手段。

2.1 防堵

防堵就是隔離、控制所有可能的雜散電流泄漏途徑，減少雜散電流進(jìn)入車站主體結(jié)構(gòu)、設(shè)備、金屬管線及其他相關(guān)設(shè)施。

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50157-2013中第15.7.15條作為強(qiáng)制性條文規(guī)定：直流牽引供電系統(tǒng)應(yīng)為不接地系統(tǒng)，牽引變電所中的直流牽引供電設(shè)備必須絕緣安裝。該條款就是為了減少雜散電流的泄漏，并防止結(jié)構(gòu)主體鋼筋因雜散電流腐蝕而產(chǎn)生安全隱患。直流牽引供電設(shè)備采用絕緣安裝，有利于結(jié)構(gòu)主體鋼筋腐蝕防護(hù)，同時(shí)保障地鐵沿線其他市政金屬管線的安全[3]。

理論上來說如果牽引電流全部從走行軌回流則不存在雜散電流，所以雜散電流的防堵是首要措施，其核心手段有兩個(gè)：

1)增加走行軌對地絕緣電阻，減少泄漏電流。為此考慮如下措施：

(1)在走行軌與混凝土軌枕之間設(shè)置絕緣墊，在緊固螺栓、道釘采用絕緣套管固定安裝，連接走行軌和軌枕采用絕緣扣件，軌枕與結(jié)構(gòu)鋼筋之間設(shè)置絕緣墊。單個(gè)走行軌的支撐處在干燥和潮濕條件下的絕緣電阻值可以達(dá)到一定數(shù)值，但這雜散電流路徑來說是若干支撐處的絕緣電阻的并聯(lián)，電阻值呈現(xiàn)幾何級的下降，加之很難保證絕緣套管、絕緣扣件、絕緣墊在安裝過程中不被破壞，所以很難起到顯著效果。

(2)設(shè)置負(fù)回流電纜，從牽引變電所負(fù)母線至上下行走行軌，上下行各設(shè)一回；設(shè)置上下行均流電纜，在車站沒有負(fù)回流電纜的一段的上下行走行軌間設(shè)置；均采用多根大截面的銅電纜連通。這種做法已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用并且效果較好。

(3)在道床邊設(shè)置排水溝，保證道床與結(jié)構(gòu)面的干燥；并做好道床清潔，以降低絕緣電阻。

(4)沿站臺邊沿設(shè)置兩米寬的結(jié)緣層，站臺屏蔽門安裝在絕緣層之上，屏蔽門金屬框架通過電纜與走行軌相接，避免列車和站臺之間的電位差，杜絕人身觸電安全事故的發(fā)生。

2)降低回流阻抗，減少走行軌上的電壓降。采用重軌走行軌，盡量焊接成長走行軌；若采用短走行軌，則用魚尾板螺栓連接，另兩根走行軌之間加焊大截面絕緣銅電纜

2.2 排流

排流就是通過雜散電流的收集及排流系統(tǒng)，提供雜散電流返回牽引變電所的金屬通路，以限制雜散電流繼續(xù)向地鐵以外泄漏，減少雜散電流對沿線其他市政金屬管線的腐蝕。

排流作為防護(hù)的輔助措施，其根本目的是保證在防堵措施無法延緩雜散電流腐蝕的狀況下，作為備用手段投入使用。

(1)利用整體道床作為主要雜散電流收集網(wǎng)。在線路垂直軌道下方，選取兩根縱向結(jié)構(gòu)鋼筋作為排流條鋼筋和所有的橫向鋼筋焊接。另在整體道床內(nèi)敷設(shè)一根紫銅排和所有橫向結(jié)構(gòu)鋼筋可靠焊接。

(2)將車站及區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)鋼筋按一定要求焊接(如果采用盾構(gòu)區(qū)間隧道隔離法則不焊接)，作為輔助雜散電流收集網(wǎng)。車站和非盾構(gòu)區(qū)間隧道的每個(gè)結(jié)構(gòu)層、結(jié)構(gòu)段內(nèi)橫向及縱向鋼筋保持電氣連接，在變形縫兩側(cè)引出連接端子，通過銅電纜將兩側(cè)結(jié)構(gòu)鋼筋連成一個(gè)電氣整體。

(3)在牽引變電所設(shè)置排流柜。其在軌道交通運(yùn)營初期并不投入運(yùn)行，在運(yùn)營過程中，根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)對雜散電流腐蝕狀況的監(jiān)測結(jié)果判斷是否投入運(yùn)行。

(4)縮短牽引供電距離。牽引變電所的布點(diǎn)要根據(jù)全線供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)情況而定，單純?yōu)榻档妥咝熊壣系碾妷航刀s短牽引變電所的間距是不合理的，要結(jié)合系統(tǒng)方案和工程經(jīng)濟(jì)性綜合考慮。

值得注意的是，盾構(gòu)區(qū)間防護(hù)目前國內(nèi)有兩種主流做法。第一種連接法：將隧道管片的縱向，橫向均采用螺栓導(dǎo)通保證其電氣連接，形成盾構(gòu)區(qū)間雜散電流輔助收集網(wǎng)。其螺栓、螺母、墊圈均接觸良好且導(dǎo)電性良好。單塊管片環(huán)向電阻值及縱向電阻值、整環(huán)管片任意兩點(diǎn)間電阻值、縱向相鄰的兩塊管片任意兩點(diǎn)間的電阻值均應(yīng)滿足測試要求。并在每塊管片上設(shè)置連接端子和參比電極，作為日后將各管片電纜連接的條件和測試極化電壓的條件。此外，在車站和盾構(gòu)區(qū)間隧道的結(jié)構(gòu)縫兩側(cè)采用大截面的電纜連通。

第二種隔離法：充分利用盾構(gòu)管片的結(jié)構(gòu)及安裝特點(diǎn)。由于盾構(gòu)區(qū)間隧道是由盾構(gòu)管片構(gòu)成，盾構(gòu)管片之間存在用于防水的橡膠墊圈，且盾構(gòu)管片內(nèi)部結(jié)構(gòu)鋼筋同管片之間的連接螺栓通過素混凝土隔離，并且作好阻水隔水措施，這樣客觀上隔斷了盾構(gòu)管片之間的電氣連接，使得管片內(nèi)鋼筋所收集的雜散電流數(shù)量非常小，從而實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)管片內(nèi)部結(jié)構(gòu)鋼筋的鈍化腐蝕狀態(tài)，達(dá)到防護(hù)的目的。

筆者認(rèn)為如果盾構(gòu)管片的各項(xiàng)電阻值如果能夠達(dá)到要求，采用連接法效果更好，并且也做到了盾構(gòu)管片之間的等電位聯(lián)結(jié)。但是目前國內(nèi)軌道交通建設(shè)周期普遍較短，管片制作工期較緊，盾構(gòu)管片的各項(xiàng)電阻值可能無法達(dá)到實(shí)際要求。所以就目前國內(nèi)軌道交通的建設(shè)及運(yùn)營管理現(xiàn)狀來看隔離法更為合理。

2.3 監(jiān)測

監(jiān)測：設(shè)置完備的雜散電流檢測系統(tǒng)，監(jiān)視、測量雜散電流的大小，為運(yùn)營維護(hù)提供依據(jù)。

隨著運(yùn)營年代的增加，絕緣不斷老化，防水性能的逐漸降低，走行軌的泄漏阻抗逐漸變小，產(chǎn)生的雜散電流也將逐年增加。設(shè)置雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)視雜散電流對結(jié)構(gòu)鋼筋和設(shè)備的腐蝕情況，以便及時(shí)采取相應(yīng)的措施，確保軌道交通的安全運(yùn)行。

雜散電流的監(jiān)測主要涉及三個(gè)重要的危險(xiǎn)性指標(biāo)：

(1)極化電壓的正向偏移平均值不超過0.5 V，該指標(biāo)也作為檢測結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕狀態(tài)的主要指標(biāo)。

(2)結(jié)構(gòu)鋼筋中允許泄漏電流密度為0.6 mA/dm2以下時(shí)，可以認(rèn)為腐蝕在鈍化范圍內(nèi)，但是該指標(biāo)測量難度較大。

(3)兼用作回流的走行軌與主體結(jié)構(gòu)之間的過渡電阻值新建線路不小于15 Ω·km，已運(yùn)行線路不小于3 Ω·km[4]。另外開式路基大宗運(yùn)輸系統(tǒng)的軌-地間單位電導(dǎo)建議0.1 S/km，約合10 Ω·km。正線走行軌雖然有斷點(diǎn)，但是該指標(biāo)測量難度也較大[5]。

雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)主要測試主要收集網(wǎng)和輔助收集網(wǎng)極化電位(收集網(wǎng)引出的測防端子與周圍介質(zhì)電位差)，通過極化電位反映雜散電流腐蝕狀況。運(yùn)營人員可查詢各種統(tǒng)計(jì)信息，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，及時(shí)對相關(guān)區(qū)段進(jìn)行清掃、排查走行軌電氣導(dǎo)通斷電以及絕緣損壞。

3 雜散電流監(jiān)測方案

列車在車站起動(dòng)時(shí)，特別是沒有設(shè)置牽引變電所的車站，因?yàn)榫酄恳冸娝^遠(yuǎn)，走行軌電位較高，雜散電流較大，道床鋼筋泄漏至結(jié)構(gòu)鋼筋也較其它區(qū)段嚴(yán)重；在此類區(qū)段設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)具有一定代表意義。

目前的監(jiān)測系統(tǒng)主要都是對營運(yùn)時(shí)道床及結(jié)構(gòu)鋼筋的極化電位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并在夜間停運(yùn)時(shí)對結(jié)構(gòu)鋼筋本體電位進(jìn)行檢測，尚無法對走行軌與主體結(jié)構(gòu)之間的過渡電阻值以及鋼筋中泄漏電流密度進(jìn)行監(jiān)測。

雜散電流監(jiān)測有分散式監(jiān)測系統(tǒng)、集中式監(jiān)測系統(tǒng)和獨(dú)立式監(jiān)測系統(tǒng)三種方案。

3.1 分散式監(jiān)測系統(tǒng)

圖2 分散式監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

分散式監(jiān)測系統(tǒng)(如圖2所示)由參比電極[6]、測試端子、接線盒、測量電纜、設(shè)在變電所的測試端子箱和便攜式綜合測試裝置構(gòu)成。運(yùn)營管理人員定期攜帶便攜式綜合測試裝置，分別在逐個(gè)變電所進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。國內(nèi)早期地鐵較多等采用該方案。

3.2 集中式監(jiān)測系統(tǒng)

該方案是將結(jié)構(gòu)鋼筋極化電位數(shù)據(jù)、走行軌電位、排流等相關(guān)數(shù)據(jù)傳至變電所數(shù)據(jù)采集及統(tǒng)計(jì)處理裝置，該裝置可以設(shè)置在變電所中央信號屏內(nèi)；測試及數(shù)據(jù)處理裝置與變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)接口，并將處理和統(tǒng)計(jì)后的數(shù)據(jù)經(jīng)通信通道傳至監(jiān)控中心。目前國內(nèi)較多采用該方案(如圖3所示)。

圖3 集中式監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

3.3 獨(dú)立式監(jiān)測系統(tǒng)

獨(dú)立式雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)由參比電極、主要收集網(wǎng)測試端子、輔助收集網(wǎng)測試端子、傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器、通信電纜及雜散電流綜合測試裝置構(gòu)成。在每個(gè)測試點(diǎn)，將參比電極端子和測試端子接至傳感器，將該車站區(qū)段內(nèi)的上下行傳感器通過測試電纜連接到位于車站內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器將處理后的數(shù)據(jù)通過全線貫通敷設(shè)的通信電纜送到雜散電流綜合監(jiān)測裝置，雜散電流綜合監(jiān)測裝置和工業(yè)控制機(jī)相連，工業(yè)控制機(jī)和打印機(jī)組成的微機(jī)管理系統(tǒng)將接收到的數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)庫儲存在電腦硬盤內(nèi)，同時(shí)可以對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，例如：對比高峰小時(shí)運(yùn)行時(shí)連續(xù)測出的極化點(diǎn)位并求小時(shí)平均值，以及繪制各測試點(diǎn)的極化電位以及隨時(shí)間變化曲線。目前廣州地鐵采用該方案(如圖4所示)。

圖4 獨(dú)立式監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

3.4 各方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

如表1所示，隨著地鐵智能化監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，各系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將會呈現(xiàn)井噴式增長，集中式監(jiān)控系統(tǒng)采用共享數(shù)據(jù)通道的資源較為緊張，而獨(dú)立式監(jiān)控系統(tǒng)自帶傳輸系統(tǒng)，其可擴(kuò)展性也為今后監(jiān)測走行軌與主體結(jié)構(gòu)之間的過渡電阻值以及鋼筋中泄漏電流密度打下基礎(chǔ)。筆者認(rèn)為在工程造價(jià)允許的情況下，可嘗試采用獨(dú)立式監(jiān)測系統(tǒng)。

表1 各監(jiān)測方案優(yōu)缺點(diǎn)比較表

4 結(jié)束語

雜散電流腐蝕是量變到質(zhì)變的過程，走行軌、結(jié)構(gòu)鋼筋以及其他市政金屬管線等被腐蝕報(bào)廢后要大規(guī)模檢修而導(dǎo)致軌道交通停運(yùn)和重大經(jīng)濟(jì)損失。

雜散電流防護(hù)是一項(xiàng)隱蔽而重要的工程，我們應(yīng)當(dāng)根據(jù)軌道交通工程的實(shí)際情況，選擇更適合、更合理的雜散電流防護(hù)方案，提高運(yùn)營管理的可靠性、實(shí)時(shí)性、經(jīng)濟(jì)性，力求有效緩解雜散電流腐蝕對軌道交通運(yùn)營和國民經(jīng)濟(jì)所造成的損失。

[1] 于松偉，楊興山，韓連祥，等.城市軌道交通設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用[M].成都：西南交通大學(xué)出版社， 2008.

[2] 張海波.城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)雜散電流防護(hù)[J].城市軌道交通研究，2010,13(1):77.

[3] 北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司.地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范GB50157—2013[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[4] 北京地下鐵道科學(xué)技術(shù)研究所.地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程.CJJ49-92[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1992.

[5] 中鐵電氣化勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司.軌道交通地面裝置 第2部分直流牽引系統(tǒng)雜散電流防護(hù)措施.GB/T 28026.2-2011[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[6] 黃德勝，再談地鐵接地問題 [J].都市快軌交通，2006,19(3):43-45.

A Discussion about Protective Design of Stray Current for Rail Transit Stations and Sections

Shen Yicai

(Tongji University Architectural Design Academy (Group) Co., Ltd., Shanghai 200092, China)

This paper introduces the principle of generation of stray current as well as concealment and abruptness of its corrosion, expounds the difficulty of its maintenance and monitoring, determines the protection principle of taking prevention as primary measure and current drainage as secondary step in combination and strengthening monitoring. It discusses various means for stray current protection, such as anti-blocking, current drainage and monitoring. In combination with engineering experience and new monitoring technologies, every effort is made to achieve effective relief of losses of rail transit operation and national economy caused by stray current corrosion.

rail transit； stray current； anti-blocking；current drainage； monitoring

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.021

TG172.84

A

1000-3886(2017)02-0069-03

沈逸才(1985-)，男，湖州人,大學(xué)本科，工程師，長期從事地鐵供電設(shè)計(jì)與研究。

定稿日期: 2016-08-27