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(nèi)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(xù)擴大建設(shè)城市軌道交通線路，巨大的運營和建設(shè)規(guī)模，帶來較高的運營、建設(shè)成本，本文針對城市軌道交通供電系統(tǒng)中的雜散電流進行深入分析研究，并建立智能監(jiān)測系統(tǒng)，在節(jié)省電流的同時，把雜散電流的危害降低到最小，實現(xiàn)雜散電流提智增效、節(jié)能降耗、智能運維等智慧城軌目標。

1 雜散電流產(chǎn)生的原理及防治方法

1.1 雜散電流產(chǎn)生的原理

在軌道交通運輸系統(tǒng)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(zhì)中，直接污染了地下管線與結(jié)構(gòu)鋼筋，致使其腐蝕現(xiàn)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(chǎn)生原理如圖1 所示。

圖1 雜散電流產(chǎn)生原理

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

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(xiàn)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(guān)鍵參數(shù)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(guī)定。因為準確測量地鐵結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的外表面，應(yīng)根據(jù)泄漏電流所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)電壓偏離自然電位數(shù)值對受雜散電流腐蝕管控標準來明確。如果地鐵主體結(jié)構(gòu)鋼筋屬于鋼筋混凝土質(zhì)地，應(yīng)在0.5V 以內(nèi)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(shù)規(guī)程）。地鐵附近鋼筋混凝土與相關(guān)設(shè)備、埋地管線，會受到雜散電流的影響而出現(xiàn)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(xiàn)：第一，會對地下金屬管線產(chǎn)生腐蝕；第二，會直接破壞混凝土自身結(jié)構(gòu)；第三，會腐蝕地下設(shè)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(shè)備；第六，異常腐蝕。

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

在陽極：Fe→Fe+2e

陰極出現(xiàn)的吸氧反應(yīng)在充氣的電解質(zhì)中可表現(xiàn)為：O+2HO+4e→4OH

當析氫反應(yīng)在處于缺氧、酸性的環(huán)境下發(fā)生時表現(xiàn)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(xiàn)，可以2Fe+O+2HO→2Fe+4OH方程式予以體現(xiàn)其總反應(yīng)，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(xiàn)鐵銹現(xiàn)象。

工礦企業(yè)的雜散電流會導致一系列事故現(xiàn)象，如引發(fā)保護裝置誤動作、對通信系統(tǒng)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(fā)生過相關(guān)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(qū)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(wǎng)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(shè)質(zhì)量提供保障的關(guān)鍵一環(huán)，地鐵雜散電流防護發(fā)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(fā)生，全面提高監(jiān)測水平。

通常來說，防治雜散電流腐蝕現(xiàn)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(nèi)部進行鋪設(shè)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(yīng)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(yīng)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(chǎn)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(wǎng)電氣連接的測防端子實施監(jiān)測，有利于超標情況發(fā)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(shè)置科學的排流網(wǎng)結(jié)構(gòu)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?qū)ㄑb置。

2 監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成及監(jiān)測內(nèi)容

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

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

全線在各牽引變電所內(nèi)分別設(shè)置一臺雜散電流監(jiān)測裝置，該裝置經(jīng)過通信電纜與該站兩端的傳感器相連，各監(jiān)測點傳感器經(jīng)由測量線與該點結(jié)構(gòu)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(nèi)結(jié)構(gòu)與整體道床鋼筋的極比電位數(shù)據(jù)。

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

經(jīng)雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)到綜合維修基地供電復(fù)視機房的微機管理系統(tǒng)，通過微機管理系統(tǒng)對所測量的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理分析和打印等作業(yè)，具體雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)，如圖3 所示。

圖3 雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)

2.2 系統(tǒng)功能

雜散電流監(jiān)測裝置的輸入端與從沿線各監(jiān)測點等位置引入信號電纜并實施連接，并對分區(qū)范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)鋼筋極化電位進行及時采集監(jiān)測，參比電極自然本體電位，并通過計算、存儲、統(tǒng)計實施A/D 轉(zhuǎn)換后的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用變電所具有的通信網(wǎng)絡(luò)，最終將統(tǒng)計結(jié)果傳送到變電所自動化系統(tǒng)，主要包括以下功能：

功能1：測量整體道床結(jié)構(gòu)鋼筋對周圍混凝土介質(zhì)的極化電位；功能2：根據(jù)理論和工程實踐證明的數(shù)學模型，實施自動化處理測量數(shù)據(jù)，對監(jiān)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(shù)據(jù)、曲線和報表；功能3：監(jiān)測裝置在各供電區(qū)域范圍內(nèi)，定期向傳感器、排流柜發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令，并根據(jù)規(guī)定的格式，將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測裝置；功能4：系統(tǒng)可以進行及時報警、分析、查詢等智能化決策能力。

2.3 監(jiān)測內(nèi)容

具體可從兩個方面來區(qū)分雜散電流自動防護系統(tǒng)的計算與測量參數(shù)：

一是參比電極的本體電位。在測量結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)鋼筋極化電壓正向偏移平均值與結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)鋼筋，在明確過程中，可以使用雜散電流所帶來的結(jié)構(gòu)鋼筋電壓極化電壓偏移值的方式，極化電壓在0.5h 以內(nèi)，對于鋼筋混凝土地鐵主體結(jié)構(gòu)的鋼筋，需要保證正向偏移平均值小于500mV。

3 雜散電流的監(jiān)測方案

3.1 分散式雜散電流監(jiān)測

由微機管理系統(tǒng)、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(jiān)測系統(tǒng)，其監(jiān)測點測量導線應(yīng)具有大于2.5mm的截面積，長度要小于10m。將大量電纜敷設(shè)于軌道交通沿線，能夠保證該方法的有效監(jiān)測，但同時也會降低美觀性，加大高架區(qū)段的荷載，浪費現(xiàn)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(guān)規(guī)程標準背道而馳，數(shù)據(jù)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(tǒng)，分散式雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 分散式雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)

3.2 集中式雜散電流監(jiān)測

由微機管理系統(tǒng)、監(jiān)測設(shè)備、信號轉(zhuǎn)接器、傳感器以及參考電極等組成的集中式雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)，具有較高的智能化特點，雖然可以精準的測量數(shù)據(jù)，但由于受到通信距離的限制影響，監(jiān)測范圍必須在20km 以內(nèi)，擴展性較差?？v觀我國當前地鐵發(fā)展現(xiàn)狀而言，對于相關(guān)規(guī)定標準尚未達到，特別是在地鐵線延伸期間，系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)無法在基站系統(tǒng)上實施通信網(wǎng)絡(luò)專用接口，造價較高；集中式雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 集中式雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)

3.3 分布式雜散電流監(jiān)測

通常以通信實時可靠、數(shù)據(jù)測量精準性高、監(jiān)測點設(shè)置科學的原則，來對分布式雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)進行設(shè)計，該系統(tǒng)涉及的組成部分較多，包括微機管理系統(tǒng)、監(jiān)測設(shè)備以及傳感器等。在設(shè)置參比電極、傳感器以及監(jiān)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(cè)以及回流點附近，參比電極與傳感器需要在每個監(jiān)測點進行設(shè)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(qū)間牽引變電所設(shè)置監(jiān)測設(shè)備的原則，布設(shè)監(jiān)測裝置。監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)。在布置排流柜期間，應(yīng)遵循在供電區(qū)間牽引變電所來設(shè)置排流柜的原則。單向?qū)ㄐ枰裱囕v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(jié)處給以布置的原則，分布式雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)，如圖6 所示。

圖6 分布式雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)

4 結(jié)語

目前在地鐵建設(shè)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(jiān)測提供了判斷依據(jù)；通過在線監(jiān)測為地鐵雜散電流腐蝕預(yù)測提供數(shù)據(jù)支持；利用監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行分析判斷，為是否啟動或停止排流裝置提供了依據(jù)，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?qū)ㄑb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(chǎn)生而燒損軌道；有效監(jiān)測和減小地鐵雜散電流腐蝕，為地鐵系統(tǒng)安全運營提供保障。