城市轨道交通工程杂散电流腐蚀防护研究_张凌雁.pdf

城市轨道交通工程杂散电流腐蚀防护研究张凌雁（中铁二院工程集团有限责任公司地铁院电化分院，四川 成都 ）摘要：城市轨道交通直流牵引供电不可避免地会带来杂散电流泄漏问题，造成地铁自身混凝土结构钢筋、地铁钢轨及附件、周边埋地金属管道、周边建筑物主体结构钢筋等腐蚀穿孔，以及对人身安全造成威胁。从杂散电流的产生、危害、既有治理和监测方案、改进治理措施等入手进行分析和阐述，对城市轨道交通工程杂散电流腐蚀防护具有十分重要的意义和作用。关键词：直流牵引供电；杂散电流防护；杂散电流监测；钢轨电位中图分类号：（，）：，：；收稿日期：地铁杂散电流的产生及危害在城市轨道交通工程中，牵引供电系统通常采用直流供电系统，即牵引整流机组将直流正极电源馈出至接触网，列车通过接触网取流，电流再经钢轨回流至牵引整流机组负极。但是利用绝缘安装的钢轨进行回流，受运营环境及其他方面因素的限制，随着运营时间的推移，钢轨的绝缘水平将逐渐降低，因此任何利用钢轨进行回流的城市轨道交通回流并非全部由钢轨回流牵引变电所，而是部分由钢轨流入大地，这部分电流就称为杂散电流，如图 所示。图城市轨道交通杂散电流示意图如果城市轨道交通钢轨绝缘不好，杂散电流就会造成地铁自身混凝土结构钢筋、地铁钢轨及附件、周边埋地金属管道、周边建筑物主体结构钢筋等腐蚀穿孔，如图所示。此外，杂散电流还会导致地铁车体与站台存在电位差，从而使得人在上下车时存在触电的危险。直流杂散电流对埋地金属管道腐蚀的特点如下。图杂散电流造成的金属管道腐蚀案例（）腐蚀强度大，危害大。埋地金属燃气管道自然腐蚀大部分为原电池型，驱动电位差只有几百毫伏，腐蚀电流只有几十毫安；而杂散电流干扰腐蚀时是电解电池原理，电位可达几伏，电流最大可能达到百安。的直流电通过钢管表面流向土壤溶液年可溶解 左右的铁；的回流成为杂散电流，将腐蚀掉相当于 长的钢轨（）。由此可看出，直流杂散电流干扰腐蚀相对其他原因引起的腐蚀严重得多。电工技术系统解决方案（）范围广，随机性强。杂散电流干扰腐蚀范围大，特别是城市轨道交通的杂散电流几乎影响整个城区的地下金属管网；轨道与地的绝缘电阻、管道的防腐绝缘层电阻、土壤电阻率、电流大小等都是变化的，因此杂散电流流向也是随机的，给防护带来一定难度。现有杂散电流腐蚀防护方案根据牵引回流系统的构成和杂散电流产生的机理，目前城市轨道交通工程主要采取以下措施进行杂散电流腐蚀防护。（）限制杂散电流产生根源的措施。首先降低回流系统阻抗，保证畅通的牵引回流通路。通过尽量将钢轨焊接成长钢轨、在车站两端的上下行钢轨间设置均流电缆、确保牵引变电所负回流电缆的数量满足牵引供 电 计 算 的 结 果 及 其 与 钢 轨 的 可 靠 连 接 等 措 施 来实现。其次增大钢轨泄漏过渡电阻，减少泄漏电流。采用绝缘法安装钢轨；保持城市轨道交通车站及隧道内清洁干燥，城市轨道交通主体结构的防水层必须具有良好的防水性能和电气绝缘性能；条件允许的情况下，尽可能增强道床结构与隧道桥梁结构间的绝缘措施。（）正线杂散电流腐蚀防护方法。利用正线整体道床内结构钢筋的可靠电气连接，形成杂散电流主收集网，以降低整体道床内结构钢筋所受杂散电流腐蚀并减少杂散电流继续扩散；利用地下车站、区间隧道结构钢筋（除盾构区间隧道外）和型槽每个结构段内部的可靠电气连接，形成杂散电流辅助监测网；在正线牵引变电所内设置排流柜，在运营过程中，根据监测系统对杂散电流腐蚀状况的监测结果判断是否投入运行。（）特殊区段的杂散电流腐蚀防护措施。在盾构区间隧道采用隔离法防护，隔断盾构管片之间的电气连接，使得流过每片盾构管片内结构钢筋的杂散电流非常小，从而实现盾构管片内部结构钢筋的腐蚀钝化状态，达到防护目的。对于过江（河）地铁隧道，加大钢轨对地的过渡电阻，将钢轨底部与底板间的间距加大；提高钢轨橡胶垫的绝缘强度；通过计算得出各供电分区区段满足道床结构钢筋处于钝 化 状 态 的 收 集 网 结 构 钢 筋 最 小 截 面，将 过 江（河）区段道床钢筋截面适当增大。（）相关设备及管线的防护方法。牵引变电所内的直流设备采用绝缘法安装，并设置框架泄漏保护装置；金属管线与钢轨不得有电气连接；进出城市轨道交通和进出隧道的金属管线均进行绝缘处理后方可引入或引出；穿越道床的金属管道表面进行加强绝缘层处理，尽量和道床垂直，并在穿越部位的两侧加装绝缘法兰；城市轨道交通内的设备安装时应尽量与安装处的结构钢筋绝缘，且应与接地系统连接。杂散电流监测系统的使用杂散电流腐蚀防护系统建立后，可以把杂散电流值限制在一定范围内。但随着运营年限的增加，绝缘材料会不断老化，钢轨的泄漏阻抗会逐渐变小，隧道防水性能也会逐渐变差，产生的杂散电流将逐年增加，因此就需要设置完备的杂散电流监测系统，实时监视杂散电流对整体道床结构钢筋和城市轨道交通主体结构钢筋的腐蚀情况，以便及时采取相应的维护措施。杂散电流监测系统构成如图所示。图 杂散电流监测系统构成杂散电流监测系统监测整体道床、隧道、车站、桥梁结构钢筋对周围混凝土介质的极化电位（极化电位不大于），以此电位作为判断杂散电流对结构钢筋的腐蚀是否超标的依据。当测试到某段结构钢筋平均极化电位超过 的标准时，对钢轨回路阻抗和钢轨泄漏阻抗的在线监测结果进行分析，分析引起杂散电流超标的原因：若是钢轨回流系统出现电气导通“断点”所引起，则应及时将“断点”处按设计要求标准进行连接；若是某处钢轨泄漏阻抗太小，则应检查钢轨是否积水、灰尘污染或安装的绝缘设备损坏，并及时清扫或对绝缘设备进行维护。如果全线钢轨泄漏阻抗普遍降低，简单清扫或维护不能解决问题，那么就需投入设置在牵引变电所的排流柜，使杂散电流由收集网向牵引整流机组负极柜单向导通，保护结构钢筋免受杂散电流腐蚀。治理杂散电流泄漏的改进措施 合理降低钢轨电位限制装置的动作次数由于钢轨具有纵向电阻，因此电流从接触网到运行的车辆，再经钢轨回到变电所负母线，在钢轨上就产生了电位，同时钢轨与大地之间存在一定的阻抗，使得钢轨对大地之间产生了电压差。当钢轨电位高于人体耐受曲线时，乘客、运营维护人员和直流供电设备就会有安全隐患。城市轨道交通工程通过在变电所设置轨电位限制装置来对钢轨电位进行限制。轨电位限制装置通过一个接触器连接钢轨和大地，正常情况下接触器是断开的，当轨电位高于人体耐受曲线值（见表）时，接触器就需要闭合，以确保人身和设备安全，但同时也给杂散电流提供了一条从钢轨到地的通路，从而导致杂散电流泄漏的加剧。系统解决方案电工技术 表人体耐受曲线持续时间人体耐受电压 持续时间人体耐受电压 传统的轨电位限制装置的动作值整定为三段，见表。当电压为 （不含 ），持续时间达到时，接触器合闸。当合闸时间达到，接触网自动分开，如果在 内接触器合闸次数达到次，那么接触器永久合闸。当电压为 （不含 ）时，接触器直接永久合闸。当电压大于 时由于晶闸管动作迅速，因此首先导通晶闸管来接通钢轨和地，在接触网完成合闸后，晶闸管再断开。表 传统的轨电位限制装置整定值保护种类参数正线车站车场备注段电压保护 动作延时 复归延时 防跳动作计数次次防跳复归延时 接触器合闸 段电压保护 动作延时 接触器永久合闸 段电压保护 动作延时 晶闸管接通受人体耐受曲线限制，三段动作电压对应的整定时间均偏短，且列车在运行过程中加速和刹车、大双边供电、相邻车站轨电位限制装置的分合闸引起的操作过电压均会推高钢轨电位，导致现有运营的线路中轨电位限制装置均长期处于合闸位置，给杂散电流的泄漏提供了一条长期的通路。为了解决轨电位限制装置长期合闸带来的杂散电流泄漏加剧问题，在满足人体耐受曲线要求的前提下，需要尽可能减少轨电位限制装置的动作次数。通过增加轨电位限制装置的整定动作值段数，按照人体耐受曲线尽量增加每一级动作电压对应的动作时间，来减少轨电位限制装置动作次数，见表。实践证明，把轨电位限制装置的动作值整定段数增加到段后，台轨电位限制装置的动作次数由几十次甚至上百次下降到了几次，甚至个别车站出现了不动作。此外，轨电位限制装置的操作过电压也是引起装置动作的一个主要因素。根据现场实测，当轨电位限制装置合闸时，轨电位限制装置连通钢轨和大地，从轨电位限制装置流过的电流可以达到上百安，若在该电流过大时操作轨电位限制装置接触器分闸，则操作过电压可以达到 以上，如此大的操作过电压，可以引起相邻几个牵引变电表 改进后的轨电位限制装置整定值保护种类参数正线车站车场备注电压保护一段动作电压 一段动作延时 接触器合闸二段动作电压 二段动作延时 接触器合闸三段动作电压 三段动作延时 接触器合闸四段动作电压 四段动作延时 接触器合闸五段动作电压 五段动作延时 接触器合闸六段动作电压 六段动作延时 晶闸管接通自动复归延时 防跳动作计数次次防跳复归延时 安全电流上限 安全电流下限 所的轨电位限制装置动作。因此，在表中增加了一个安全电流值，若流过轨电位限制装置的电流大于安全电流值，则不允许轨电位限制装置动作，由此消除了轨电位限制装置接触器操作过电压引起的轨电位短时抬升对相邻车站轨电位限制装置的影响。减少车场对正线杂散电流泄漏的影响城市轨道交通车场一般位于地面，经过出入线与正线连接。车场库外线路采用碎石道床，无法设置杂散电流收集网，库内线路较库外线路防护条件更差，加上车场建筑较多，并设有维修基地，生活及工作设备、管线较多，运营环境特殊，相对于正线，车场是防护杂散电流的薄弱环节。通常会在出入段线和车场之间的钢轨绝缘节处设置从车场向正线方向的单向导通装置，这就为正线的杂散电流通过大地流入车场，再由车场通过钢轨经由单向导通装置流回正线提供了通路。根据实测，将车场与正线之间的单向导通装置断开，会极大地降低正线的轨电位，减少钢轨电位限制装置的合闸次数，从而可减少杂散电流的泄漏，但又会出现在列车出入车场时钢轨绝缘节两侧打火严重的问题。针对该问题，可采用响应式单向导通装置和定向回流导通装置。响应式单向导通装置就是在出入段线两侧设置红外响应装置，正常情况下，响应式单向导通装置是完全断开的。当列车经过时，红外响应装置发射信号给响应式单向导通装置，响应式单向导通装置导通；在列车离开后，响应式单向导通装置重新断开。定向回流装置则是通过在车场出入场线走行轨设置两个钢轨绝缘结，截断车场线路与正线线路之间的杂散电流走行轨回流路径。同时，在车场内合理设置回流分区，通过在车场出入场线和库前设置的钢轨绝缘结合定向回流导（下转第 页）电工技术系统解决方案图 单相交流功率因数 仿真结论从仿真结果得到，中间环节直流电压能够稳定；交流侧和能量反馈系统工作时功率因数高，都在 以上；各种工况下，电路都能够稳定运行。通过 仿真，该装置有效地实现了交直流能量互通，本文正确建立了模型。结语本文介绍了一种双流制牵引供电潮流融通装置，它能够实现交直流侧的能量互通和对再生制动能量的充分利用。此外，本文考虑到双流制列车的运行工况，搭建了拓扑结构，并提出了牵引优先、能量反馈其次、储能最后的能量管理策略，以及上层参考功率计算、下层变换器控制的分层控制策略。这将直流侧、交流侧、储能系统、能量反馈系统有机结合起来，实现了对牵引变电所的削峰填谷，减少了牵引变电所的能量消耗。最后，仿真结果验证了双流制牵引供电潮流融通装置的可行性和准确性。参考文献 陈俊宇，胡海涛，葛银波，等高速铁路再生制动能量储存与利用技术研究中国电机工程学报，（）：邓文丽，戴朝华，韩春白雪，等 计及再生制动能量回收和电能质量改善的铁路背靠背混合储能系统及其控制方法中国电机工程学报，（）：黄文龙，胡海涛，陈俊宇，等枢纽型牵引变电所再生制动能量利用系统能量管理及控制策略 电工技术学报，（）：陈俊宇，胡海涛，王科，等一种考虑列车运行图的高速铁路牵引供电系统再生能量评估方法 中国铁道科学，（）：颉永兵 高铁牵引变电所储能技术研究及经济性分析 电气化铁道，（）：，（）：，（）：靳守杰，陈广赞 基于超级电容的列车再生制动储能系统及其控制控制与信息技术，（）：章宝歌，李萍，张振，等应用于城轨列车混合储能系统的能量管理策略储能科学与技术，（）：，（）：，（）：，（），（）：，（）：（上接第 页）通装置