城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)雜散電流防護(hù)

張海波

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電化電信處,300251,天津∥工程師)

雜散電流腐蝕是一個(gè)日積月累的漸進(jìn)過程,其危害是逐步顯現(xiàn)的,而雜散電流防護(hù)是隱蔽工程,在工程建設(shè)中往往被忽視。雜散電流的腐蝕對象一般是重要的金屬結(jié)構(gòu)物,如車站結(jié)構(gòu)、隧道結(jié)構(gòu)、金屬性結(jié)構(gòu)的水管或消防管道等。這些金屬結(jié)構(gòu)物一旦被腐蝕損害,不但會帶來重大安全隱患,還不易進(jìn)行大規(guī)模檢修或更換,因此雜散電流的防護(hù)應(yīng)引起各方特別是土建設(shè)計(jì)和施工單位的重視。

本文從腐蝕機(jī)理、雜散電流的產(chǎn)生、簡單數(shù)學(xué)分析等方面進(jìn)行闡述,力求歸納出雜散電流的防護(hù)方向,并提供工程上可供參考的雜散電流防護(hù)辦法。

1 直流雜散電流腐蝕的起因

直流電氣化線路引起的雜散電流腐蝕的原理簡圖如圖1所示。城市軌道交通線路的鋼軌敷設(shè)在道床上時(shí),在鋼軌和道床之間都設(shè)置了絕緣墊層。該墊層的絕緣電阻在106～108Ω之間,可以認(rèn)為鋼軌與大地是電氣隔離的。隨著線路的運(yùn)營,諸如油漬、滲水、輪軌間磨耗產(chǎn)生的鐵粉等污垢引起鋼軌與大地之間的絕緣減弱,從而使鋼軌上的一部分回流電流流入了大地,這樣就產(chǎn)生了雜散電流。這些雜散電流將在金屬結(jié)構(gòu)物(如道床結(jié)構(gòu)鋼筋、隧道或車站結(jié)構(gòu)鋼筋及埋設(shè)在其中的一些金屬管線)中流動,并產(chǎn)生一定的腐蝕。其中運(yùn)動中的牽引機(jī)車(牽引和再生制動狀態(tài)下)就成為一個(gè)運(yùn)動的雜散電流源。

從電化學(xué)本質(zhì)來講,圖1中引起金屬結(jié)構(gòu)物腐蝕的實(shí)質(zhì)是一個(gè)電解電池的作用。在雜散電流所形成的電解腐蝕電池中,對于埋地金屬結(jié)構(gòu)物而言,雜散電流進(jìn)入金屬結(jié)構(gòu)物的區(qū)域(正電流從土壤或水泥流入金屬結(jié)構(gòu)物),其電位相對較高;此處為腐蝕電池的陰極區(qū),在金屬結(jié)構(gòu)物表面將發(fā)生消耗電子的陰極還原反應(yīng)。而雜散電流離開金屬結(jié)構(gòu)物進(jìn)入土壤或水泥的區(qū)域,其電位相對較低;此處為腐蝕電池的陽極,在金屬結(jié)構(gòu)物表面將發(fā)生陽極氧化反應(yīng),即金屬原子放出電子而轉(zhuǎn)變成離子態(tài)的腐蝕反應(yīng)。

圖1 直流電氣化線路引起的雜散電流腐蝕的原理簡圖

2 泄漏電流的簡易計(jì)算分析

泄漏電流的大小和分布與牽引變電所的分布、饋電區(qū)段、負(fù)荷情況、牽引網(wǎng)系統(tǒng)以及鋼軌對地電阻等因素有關(guān),土壤電阻率對其也有很大影響,所以泄漏電流的計(jì)算是非常復(fù)雜的。既便獲得計(jì)算結(jié)果,也很難完全表達(dá)實(shí)際情況。泄漏電流的實(shí)測也非常困難。但通過簡易計(jì)算分析,可對泄漏電流有一個(gè)宏觀的、基本的理解,為采取雜散電流腐蝕防護(hù)對策提供理論幫助。泄漏電流簡易計(jì)算示意圖如圖2所示。

圖2 泄漏電流簡易計(jì)算示意說明

距離N點(diǎn)x公里處的任意點(diǎn)P的軌電位VP=I·r·x,P點(diǎn)處單位長度鋼軌的泄漏電流iP=則泄漏電流的總和iL是iP自N點(diǎn)到A點(diǎn)的積分:

式中:

I——負(fù)荷電流;

r——鋼軌縱向電阻;

L——機(jī)車與供電所的區(qū)間長度;

ω——鋼軌的泄漏阻抗。

從上式可以看出,鋼軌泄漏電流 iL與 I、r、L成正比,與ω成反比。因此,減少雜散電流的最重要措施有:

①相互聯(lián)結(jié)在一起的回流網(wǎng)絡(luò)具有良好的電連續(xù)性(降低r值);

②鋼軌與土壤具有良好的電絕緣(增大ω值);

③實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)供電,減少單一變電站的供電范圍(減少 L)。

3 雜散電流防護(hù)方案

目前,城市軌道交通工程雜散電流防護(hù)一般采用兩種方式:一種是隔離方式,另一種為排流方式。

3.1 隔離方案

所謂隔離方式,就是加強(qiáng)鋼軌與地之間的絕緣水平,盡量避免雜散電流泄漏到道床及其他建筑結(jié)構(gòu)中。隔離法嚴(yán)格遵循“以防為主”的防護(hù)原則,以最大程度地減少雜散電流的泄漏量。其通常采取的措施有:

(1)在鋼軌固定扣件下設(shè)置絕緣墊板,其絕緣電阻在106～108Ω之間。

(2)在道床和其他建筑結(jié)構(gòu)之間設(shè)置一層絕緣層(或絕緣隔板),其絕緣電阻在106～108Ω之間。這種防護(hù)方式目前在國內(nèi)工程中還沒有采用過,但在國外類似工程中已有應(yīng)用,對雜散電流的防護(hù)效果非常好。

(3)設(shè)置雜散電流監(jiān)測系統(tǒng),加強(qiáng)日常的運(yùn)營維護(hù),及時(shí)發(fā)現(xiàn)雜散電流泄漏超標(biāo)區(qū)域,并對該區(qū)域進(jìn)行修補(bǔ),從而使鋼軌對地的泄漏電阻維持在一個(gè)較高的水平上。

3.2 排流方案

所謂排流方式,就是將金屬結(jié)構(gòu)物中流動的雜散電流,人為地使之直接流回到干擾源中去的防護(hù)方法。通常是將道床結(jié)構(gòu)鋼筋、隧道及橋梁等的結(jié)構(gòu)鋼筋分別沿線路方向電氣焊接起來,使其縱向電阻大幅度降低,在鋼軌下方形成一個(gè)雜散電流的收集網(wǎng)。

排流法實(shí)際是一種被動防護(hù)的方法。排流網(wǎng)的設(shè)置在一定程度上增大了雜散電流的泄漏量(排流法降低了雜散電流流通路徑的縱向電阻,使雜散電流更易流入排流網(wǎng))。且排流網(wǎng)的實(shí)質(zhì)是結(jié)構(gòu)鋼筋,這些結(jié)構(gòu)鋼筋也是重點(diǎn)保護(hù)的對象。把雜散電流收集起來在結(jié)構(gòu)鋼筋上流動,是存在安全隱患的。

針對排流法所帶來的安全隱患,一般工程也可采用防、排結(jié)合的方式(見圖3)。即僅利用道床結(jié)構(gòu)鋼筋形成雜散電流的收集網(wǎng),在道床結(jié)構(gòu)和建筑結(jié)構(gòu)(車站、隧道、橋梁等)設(shè)置絕緣隔板?？紤]到建筑結(jié)構(gòu)修補(bǔ)相當(dāng)困難,檢修年度跨度很大,可將排流回路集中設(shè)置于道床結(jié)構(gòu)中,這樣,即保留了排流網(wǎng),也盡最大可能避免雜散電流流入主要的建筑結(jié)構(gòu)中。

圖3 防、排結(jié)合方式示意圖

4 雜散電流防護(hù)要求及措施

4.1 主體結(jié)構(gòu)

(1)每個(gè)結(jié)構(gòu)段內(nèi)部的主鋼筋應(yīng)實(shí)現(xiàn)可靠焊接,在結(jié)構(gòu)段兩端的變形縫或沉降縫處(任何內(nèi)部結(jié)構(gòu)鋼筋斷開的結(jié)構(gòu)段兩端)附近,應(yīng)按設(shè)計(jì)要求焊接引出雜散電流測防端子。

(2)地鐵主體結(jié)構(gòu)的防水層必須具有良好的防水性能和電氣絕緣性能。防水材料的體積電阻率不得小于108Ω·m。

(3)地鐵線路與其他直流電氣化鐵路交叉跨越的地方,在自交叉位置向兩側(cè)各延長50m的區(qū)段中,地鐵主體結(jié)構(gòu)應(yīng)采取雙倍的加強(qiáng)型防水絕緣措施。

(4)對于盾構(gòu)區(qū)段的防護(hù),一般有兩種方式。一種是隔離法,即盾構(gòu)管片之間的結(jié)構(gòu)相互沒有電氣連接。這種方法廣泛應(yīng)用于國內(nèi)的軌道交通工程中。另一種方式是連通法,將盾構(gòu)管片內(nèi)的結(jié)構(gòu)鋼筋電氣焊接牢固,并通過金屬附件使管片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)鋼筋與管片之間的緊固螺栓電氣連通,從而形成雜散電流輔助收集網(wǎng)(此時(shí)雜散電流防護(hù)系統(tǒng)采用的是排流法)。該方法目前只用于上海地區(qū)。在上海市的DG J 108—109—2004《城市軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范》中也有相關(guān)規(guī)定。

4.2 電纜及管道結(jié)構(gòu)

(1)敷設(shè)在隧道洞中的電纜、水管等金屬管線結(jié)構(gòu),不得與地下水流、積水、潮濕墻壁、土壤以及含鹽沉積物等發(fā)生接觸。

(2)水管在線路下方穿越時(shí),宜采用非金屬絕緣材質(zhì),否則水管應(yīng)具有加強(qiáng)的絕緣層并在穿越部位兩側(cè)裝設(shè)絕緣法蘭。其他安裝部位應(yīng)便于檢查和維護(hù)。穿越部位必須保持清潔和干燥。

(3)所有通向地鐵隧道外部的電纜和管道,必須裝有絕緣接頭或絕緣法蘭,并應(yīng)裝設(shè)在干燥和可以接近的部位,以便于觀察和檢測。上述電纜及管道結(jié)構(gòu)位于絕緣法蘭至穿越部位的區(qū)段應(yīng)與周圍的結(jié)構(gòu)絕緣。

(4)供水貯槽的水管出口處應(yīng)設(shè)置絕緣法蘭。

4.3 車輛段結(jié)構(gòu)與設(shè)施

(1)地鐵與城市管網(wǎng)相連接的電纜和水管線路,在其離開車輛段的部位應(yīng)設(shè)置絕緣接頭、絕緣套管或絕緣法蘭。

(2)在地鐵車輛段范圍內(nèi),直接埋設(shè)在地下的金屬管線應(yīng)具有雙倍加強(qiáng)的絕緣保護(hù)層。

(3)在地鐵車輛段范圍內(nèi),電纜應(yīng)按相應(yīng)技術(shù)要求敷設(shè)在專門的電纜溝中,當(dāng)采用地中直埋敷設(shè)方式時(shí)應(yīng)采用帶絕緣護(hù)套的電纜。

(4)車輛段內(nèi)電氣分段宜采用分束供電、分束回流的方式,應(yīng)在各種檢修庫門前和車輛段出、入段處(正線與車輛段的分界處)的鋼軌上設(shè)置絕緣節(jié)及單向?qū)ㄑb置,減少正線雜散電流流入段內(nèi)、段內(nèi)雜散電流流入庫內(nèi)。

(5)電化線路與非電化線路軌道之間應(yīng)設(shè)置絕緣節(jié)。

車輛段的防護(hù)總原則是減少雜散電流的漏泄量,形成更暢通的回流路徑,而不是收集雜散電流。

4.4 對道床收集網(wǎng)的設(shè)置要求

道床收集網(wǎng)只在雜散電流防護(hù)系統(tǒng)采用排流法時(shí)設(shè)置。

(1)將每個(gè)整體道床結(jié)構(gòu)段內(nèi)的縱向鋼筋電氣連通,鋼筋連接處必須牢固焊接。在結(jié)構(gòu)段兩端和中間,每隔5 m用一橫向鋼筋與所有縱向鋼筋進(jìn)行焊接,并在每根鋼軌下方道床結(jié)構(gòu)鋼筋內(nèi)選擇兩根縱向主筋與所有橫向鋼筋焊接(此縱向鋼筋稱為排流條),使得全線道床形成主收集網(wǎng)。

(2)在結(jié)構(gòu)段兩端須引出連接端子,材質(zhì)為銅(就端子材質(zhì)而言,采用扁鋼也能滿足防護(hù)需求,但是在潮濕環(huán)境下,扁鋼端子容易產(chǎn)生銹蝕,降低了電氣連接效果,因此端子材質(zhì)的選擇應(yīng)結(jié)合具體工程實(shí)施的環(huán)境而定),用電纜縱向連接兩端子,使各結(jié)構(gòu)段收集網(wǎng)全線貫通。

(3)加強(qiáng)扣件的絕緣性能,采用高絕緣性能的軌距墊、軌下橡膠墊板,確保鋼軌與扣件的絕緣;鐵墊板下的橡膠墊板、尼龍?zhí)坠軕?yīng)確?？奂c軌下基礎(chǔ)的絕緣,絕緣件的絕緣阻值均應(yīng)達(dá)到106～108Ω。鋼軌采用點(diǎn)支承絕緣扣件敷設(shè);穿越道床的所有管線應(yīng)采用絕緣塑料或外部涂絕緣層的金屬管。

(4)應(yīng)采用更為合理的1/30軌底坡,較少鋼軌磨耗,減少鐵屑灑落在扣件表面形成雜散電流通道。

(5)扣件零部件設(shè)計(jì)應(yīng)考慮阻止形成水膜電阻,扣件預(yù)埋套管高于軌枕表面4 mm,橡膠墊板釘孔為不同直徑,能防止水膜形成和雜質(zhì)進(jìn)入預(yù)埋套管。

5 雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)

5.1 監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置原則

在車站兩端以內(nèi)50 m左右的上、下行道床及主體結(jié)構(gòu)鋼筋上分別設(shè)置監(jiān)測點(diǎn),在區(qū)間的上、下行道床及主體結(jié)構(gòu)鋼筋上每250 m至300 m分別設(shè)置一處監(jiān)測點(diǎn)(盡量靠近區(qū)間動力照明的檢修電源箱,利于傳感器電源的引入)。監(jiān)測點(diǎn)由傳感器和參比電極組成。傳感器將采集的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,并送至牽引所監(jiān)測裝置進(jìn)行信息處理。所內(nèi)監(jiān)測裝置可對傳感器實(shí)時(shí)發(fā)布指令進(jìn)行監(jiān)測,并將處理信息通過牽引所綜合自動化裝置送至控制中心,進(jìn)行全線的信息處理。

5.2 監(jiān)測防護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成

雜散電流監(jiān)測防護(hù)系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)框架,框架簡圖如圖4所示。

(1)按供電分區(qū)(以牽引變電所為中心進(jìn)行劃分)監(jiān)測,集中管理。

(2)在每個(gè)供電分區(qū)內(nèi)設(shè)置一個(gè)子系統(tǒng)(包括傳感器、監(jiān)測裝置和排流柜等),車輛段設(shè)置一個(gè)子系統(tǒng)(包括監(jiān)測裝置和單向?qū)ㄑb置)。每個(gè)子系統(tǒng)的監(jiān)測裝置與所內(nèi)的綜合自動化聯(lián)網(wǎng)(見圖5),通過綜合自動化通信通道與設(shè)置在監(jiān)控中心的雜散電流監(jiān)控主機(jī)通信。

(3)雜散電流防護(hù)系統(tǒng)借用綜合自動化通信傳輸通道,自成系統(tǒng),通過對全線極化電位、接觸電壓、過渡電阻等雜散電流危險(xiǎn)性指標(biāo)的監(jiān)控,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保存、查看、檢索、報(bào)表、曲線、分析、預(yù)測等功能。

圖4 分布式雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)框架簡圖

圖5 雜散電流監(jiān)測裝置接入綜合自動化示意圖

(4)監(jiān)測裝置接口根據(jù)具體工程情況而定。對綜合自動化,采用以太網(wǎng),TCP/IP通信協(xié)議或RS-485接口,MODBUS通信協(xié)議;對排流柜,采用RS-485接口,485通信協(xié)議;對傳感器,采用 RS-485接口,485/CAN總線;對單向?qū)ㄑb置,采用RS-485接口,485通信協(xié)議。

總之,雜散電流防護(hù)是一個(gè)十分復(fù)雜的問題,需要多專業(yè)之間相互配合,并結(jié)合工程實(shí)際情況具體分析。本文分析了雜散電流的產(chǎn)生、防護(hù)方向及相關(guān)措施,供城市軌道交通工程設(shè)計(jì)單位和施工單位參考。

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