城市軌道交通雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用與探索

崔軼昕、劉琴、趙程、陳燕靜

（1.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315010；2.中國(guó)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(guó)內(nèi)共有包括上海、北京、廣州、南京、武漢、重慶等44 個(gè)城市，開(kāi)通運(yùn)營(yíng)城市軌道交通線路233 條，運(yùn)營(yíng)里程7545.5km，車(chē)站4660 座，日均客流約7000 多萬(wàn)人次，運(yùn)營(yíng)人員達(dá)幾十萬(wàn)人，同時(shí)每座城市還在繼續(xù)擴(kuò)大建設(shè)城市軌道交通線路，巨大的運(yùn)營(yíng)和建設(shè)規(guī)模，帶來(lái)較高的運(yùn)營(yíng)、建設(shè)成本，本文針對(duì)城市軌道交通供電系統(tǒng)中的雜散電流進(jìn)行深入分析研究，并建立智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在節(jié)省電流的同時(shí)，把雜散電流的危害降低到最小，實(shí)現(xiàn)雜散電流提智增效、節(jié)能降耗、智能運(yùn)維等智慧城軌目標(biāo)。

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(yùn)輸系統(tǒng)期間，城市地鐵與輕軌常常運(yùn)用直流牽引供電的方式，但因?yàn)殇撥墝?duì)地時(shí)無(wú)法做到完全絕緣，加上回流軌電壓降的因素，造成運(yùn)行期間列車(chē)有一些負(fù)荷電流會(huì)泄漏到道床及其周?chē)寥澜橘|(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(yán)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(yáng)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(yáng)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(gè)陽(yáng)極區(qū)流出當(dāng)?shù)罔F雜散電流后，會(huì)致使此位置的金屬和相關(guān)范圍內(nèi)的電解質(zhì)形成陽(yáng)極質(zhì)，即為酸性電解質(zhì)，也就是說(shuō)，當(dāng)pH 值小于7 時(shí)，那么就會(huì)發(fā)生析氫腐蝕現(xiàn)象，屬于一種氧化還原反應(yīng)；當(dāng)pH值大于等于7，金屬鐵周?chē)慕橘|(zhì)屬于堿性電解質(zhì)時(shí)，就會(huì)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(diǎn)：第一種腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重；第二種腐蝕多位于局部；第三種當(dāng)存在防腐層時(shí)，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(lái)的腐蝕時(shí)，多服從于電解法則，即服從法拉第定律：

W=Kit

從實(shí)質(zhì)層面而言，金屬腐蝕過(guò)程屬于微觀的電解過(guò)程，嚴(yán)格遵循的是法拉第電解定律，也屬于電化學(xué)過(guò)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(gè)電流密度值在實(shí)踐操作時(shí)明確了定量規(guī)定。因?yàn)闇?zhǔn)確測(cè)量地鐵結(jié)構(gòu)泄漏電流具有較大難度，腐蝕危險(xiǎn)性的間接指標(biāo)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(duì)受雜散電流腐蝕管控標(biāo)準(zhǔn)來(lái)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(lái)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(hù)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(huì)受到雜散電流的影響而出現(xiàn)腐蝕情況，導(dǎo)致的后果較為嚴(yán)重。具體可從六個(gè)方面予以表現(xiàn)：第一，會(huì)對(duì)地下金屬管線產(chǎn)生腐蝕；第二，會(huì)直接破壞混凝土自身結(jié)構(gòu)；第三，會(huì)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(xué)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(yáng)極必須存在；第二種在電解質(zhì)中有陽(yáng)極與陰極同時(shí)沉浸，并且有自由離子在電解質(zhì)中流動(dòng)；第三種陽(yáng)極與陰極間應(yīng)存在金屬電流通道；第四種陰極與陽(yáng)極應(yīng)存在一定的電位差。

在陽(yáng)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(dāng)析氫反應(yīng)在處于缺氧、酸性的環(huán)境下發(fā)生時(shí)表現(xiàn)為：4HO+4e→4OH+2H

吸氧腐蝕就是鋼鐵受到電化學(xué)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(jìn)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(huì)導(dǎo)致一系列事故現(xiàn)象，如引發(fā)保護(hù)裝置誤動(dòng)作、對(duì)通信系統(tǒng)給予干擾以及造成電雷管先期放炮。我國(guó)香港、深圳以及美國(guó)都曾發(fā)生過(guò)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(dǎo)致穿孔而造成的；深圳地區(qū)對(duì)于雜散電流問(wèn)題，燃?xì)饧瘓F(tuán)曾要求過(guò)地鐵公司來(lái)賠償煤氣管網(wǎng)后期維護(hù)費(fèi)用；而美國(guó)在防護(hù)治理直流牽引雜散電流時(shí)每年需要高達(dá)5 億美元的費(fèi)用（1995年報(bào)告），雜散電流的危害嚴(yán)重影響城市軌道交通運(yùn)營(yíng)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(yùn)營(yíng)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(hù)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(duì)雜散電流實(shí)施防護(hù)工作，最大程度地避免外泄事件的發(fā)生，全面提高監(jiān)測(cè)水平。

通常來(lái)說(shuō)，防治雜散電流腐蝕現(xiàn)象的措施可從三個(gè)層面入手：

第一，被動(dòng)型：覆蓋絕緣層，主要于絕緣管道內(nèi)部進(jìn)行鋪設(shè)工作，科學(xué)選取選擇合適的路線和電分段，以此來(lái)實(shí)施被動(dòng)型的防護(hù)手段。

第二，主動(dòng)型：一是排流保護(hù)法；二是陰極保護(hù)法；三是防蝕器防護(hù)法；四是陽(yáng)極保護(hù)法；五是加強(qiáng)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(fù)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(duì)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(cè)防端子實(shí)施監(jiān)測(cè)，有利于超標(biāo)情況發(fā)生時(shí)制定科學(xué)的有效策略，即為“測(cè)”；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(fù)極，也就是向雜散電流通過(guò)設(shè)置科學(xué)的排流網(wǎng)結(jié)構(gòu)而指出一條暢通無(wú)阻的道路，即為“排”；其四，特殊地段采用單向?qū)ㄑb置。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成及監(jiān)測(cè)內(nèi)容

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

雜散電流監(jiān)測(cè)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(cè)試端子、道床收集網(wǎng)測(cè)試端子、智能傳感器、雜散電流自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置、傳輸電纜和微機(jī)綜合管理系統(tǒng)構(gòu)成，應(yīng)用車(chē)站或者變電所統(tǒng)一控制與監(jiān)測(cè)的二級(jí)系統(tǒng)。

全線在各牽引變電所內(nèi)分別設(shè)置一臺(tái)雜散電流監(jiān)測(cè)裝置，該裝置經(jīng)過(guò)通信電纜與該站兩端的傳感器相連，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳感器經(jīng)由測(cè)量線與該點(diǎn)結(jié)構(gòu)鋼和整體道床測(cè)防端子所相符的參與電極進(jìn)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(hù)工程設(shè)計(jì)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(cè)的手段作為雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要方案，也就是將包含排流柜、監(jiān)測(cè)裝置和傳感器等在內(nèi)的子系統(tǒng)，需要在每一個(gè)牽引供電分區(qū)內(nèi)進(jìn)行布置，并且每個(gè)子系統(tǒng)監(jiān)測(cè)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(shí)刻與調(diào)度中心雜散電流監(jiān)控的主機(jī)之間保持通信。在電力監(jiān)控系統(tǒng)通信通道的充分運(yùn)用下，雜散電流防護(hù)系統(tǒng)可以做到全線自成系統(tǒng)，將雜散電流防護(hù)系統(tǒng)主機(jī)設(shè)置在監(jiān)控中心，能夠及時(shí)預(yù)測(cè)、分析、檢索、保存以及查看相關(guān)數(shù)據(jù)，主要負(fù)責(zé)全線的管控與測(cè)量。監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)到綜合維修基地供電復(fù)視機(jī)房的微機(jī)管理系統(tǒng)，通過(guò)微機(jī)管理系統(tǒng)對(duì)所測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)系統(tǒng)組網(wǎng)，如圖3 所示。

圖3 雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組網(wǎng)

2.2 系統(tǒng)功能

雜散電流監(jiān)測(cè)裝置的輸入端與從沿線各監(jiān)測(cè)點(diǎn)等位置引入信號(hào)電纜并實(shí)施連接，并對(duì)分區(qū)范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)鋼筋極化電位進(jìn)行及時(shí)采集監(jiān)測(cè)，參比電極自然本體電位，并通過(guò)計(jì)算、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)實(shí)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(jì)結(jié)果傳送到變電所自動(dòng)化系統(tǒng)，主要包括以下功能：

功能1：測(cè)量整體道床結(jié)構(gòu)鋼筋對(duì)周?chē)炷两橘|(zhì)的極化電位；功能2：根據(jù)理論和工程實(shí)踐證明的數(shù)學(xué)模型，實(shí)施自動(dòng)化處理測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)監(jiān)測(cè)位置的極化電位正向偏移平均值進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，并打印出各種數(shù)據(jù)、曲線和報(bào)表；功能3：監(jiān)測(cè)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(cè)裝置；功能4：系統(tǒng)可以進(jìn)行及時(shí)報(bào)警、分析、查詢等智能化決策能力。

2.3 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

具體可從兩個(gè)方面來(lái)區(qū)分雜散電流自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的計(jì)算與測(cè)量參數(shù)：

一是參比電極的本體電位。在測(cè)量結(jié)構(gòu)鋼極比電位時(shí)，主要采用的就是參與電極，但隨著時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，參比電極的本體電位會(huì)逐漸下降，這時(shí)測(cè)量精度會(huì)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(shí)平均值、瞬時(shí)值。當(dāng)雜散電流從地鐵軌道中泄漏后，會(huì)腐蝕隧道結(jié)構(gòu)鋼筋，在明確過(guò)程中，可以使用雜散電流所帶來(lái)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(duì)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(cè)方案

3.1 分散式雜散電流監(jiān)測(cè)

由微機(jī)管理系統(tǒng)、綜合測(cè)試裝置、測(cè)試箱、信號(hào)盒以及參考電極等共同組成的分散式雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量導(dǎo)線應(yīng)具有大于2.5mm的截面積，長(zhǎng)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(cè)，但同時(shí)也會(huì)降低美觀性，加大高架區(qū)段的荷載，浪費(fèi)現(xiàn)象十分嚴(yán)重。不僅如此，由于模擬量傳輸時(shí)過(guò)長(zhǎng)的距離影響，與相關(guān)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)背道而馳，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性無(wú)法得到保證，十分不利于日后維護(hù)雜散電流防護(hù)系統(tǒng)，分散式雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 分散式雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.2 集中式雜散電流監(jiān)測(cè)

由微機(jī)管理系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)設(shè)備、信號(hào)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(cè)系統(tǒng)，具有較高的智能化特點(diǎn)，雖然可以精準(zhǔn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，但由于受到通信距離的限制影響，監(jiān)測(cè)范圍必須在20km 以內(nèi)，擴(kuò)展性較差?？v觀我國(guó)當(dāng)前地鐵發(fā)展現(xiàn)狀而言，對(duì)于相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)尚未達(dá)到，特別是在地鐵線延伸期間，系統(tǒng)擴(kuò)展需求難以滿足。例如，武漢輕軌一期延伸過(guò)程中，在不改造的前提下，雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)法在基站系統(tǒng)上實(shí)施通信網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)用接口，造價(jià)較高；集中式雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 集中式雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.3 分布式雜散電流監(jiān)測(cè)

通常以通信實(shí)時(shí)可靠、數(shù)據(jù)測(cè)量精準(zhǔn)性高、監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置科學(xué)的原則，來(lái)對(duì)分布式雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)涉及的組成部分較多，包括微機(jī)管理系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)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(cè)點(diǎn)的過(guò)程中要掌握幾個(gè)重點(diǎn)，如重大建筑物附近、站臺(tái)兩側(cè)以及回流點(diǎn)附近，參比電極與傳感器需要在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置。同時(shí)，嚴(yán)格按照排流柜、集成于CP 屏或者單獨(dú)組柜在供電區(qū)間牽引變電所設(shè)置監(jiān)測(cè)設(shè)備的原則，布設(shè)監(jiān)測(cè)裝置。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)的布置原則：放置在主控室、車(chē)輛段、供電車(chē)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(lái)設(shè)置排流柜的原則。單向?qū)ㄐ枰裱?chē)輛鋼軌和正線鋼軌、高架橋兩端、過(guò)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(cè)系統(tǒng)，如圖6 所示。

圖6 分布式雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

4 結(jié)語(yǔ)

目前在地鐵建設(shè)過(guò)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(yùn)營(yíng)后各種防范措施是否還起作用，通過(guò)雜散電流腐蝕情況在線監(jiān)測(cè)提供了判斷依據(jù)；通過(guò)在線監(jiān)測(cè)為地鐵雜散電流腐蝕預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持；利用監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，為是否啟動(dòng)或停止排流裝置提供了依據(jù)，同時(shí)綜合分析和計(jì)算排流裝置排流量的大小，使排流裝置達(dá)到最佳的排流效果，減少因?yàn)榕帕鲙?lái)的副作用；綜合檢測(cè)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(shí)起到消弧作用，消除因?yàn)殡娀〉漠a(chǎn)生而燒損軌道；有效監(jiān)測(cè)和減小地鐵雜散電流腐蝕，為地鐵系統(tǒng)安全運(yùn)營(yíng)提供保障。