地铁杂散电流监测系统的构成及综合治理

陈静

（西安铁路职业技术学院 陕西 西安 710014）

随着我国经济战略布局的调整，地铁以其快捷、环保、高效等特点，作为城市的基础设施建设迅速发展，极大地缓解了日益突出的城市交通问题。

地铁大多采用直流牵引供电系统，并将走行轨作为牵引回流线。在列车运行的不同过程（启动、加速、惰行、制动等）和不同负载（空载、轻载、重载）的情况下，走行轨的工作电流差别很大。该电流绝大部分能经过走行轨流回到牵引变电所的负极，但仍然会有一小部分电流从轨道与地面绝缘不良的位置泄漏到道床及周围土壤介质中，形成杂散电流，俗称迷流。

杂散电流会对地下隧道结构钢筋、高架桥结构钢筋、沿线金属管线、屏蔽网等金属设施产生严重的电化学腐蚀。如果不及时治理将会造成巨大的经济损失，甚至危及建筑设施的安全，酿成灾难性的后果。因此，杂散电流的腐蚀防护、监测及综合治理是地铁建设和运营中的一个重大课题。

1 杂散电流监测系统的构成

杂散电流监测系统由上位机、参比电极、信号电缆、传感器、信号转换器、排流柜等组成，其系统结构图如图1所示。

图1 地铁杂散电流监测系统原理图Fig.1 Metro stray current monitoring system schematic diagram

由于杂散电流本身很难被检测到，所以通常的方法是测量钢轨对地的极化电压[1]。图1中的极化电位电极模块安装在地铁沿线的各杂散电流监测点处。上位机通过RS485/232总线与数据采集系统相联，轮流采集地铁沿线各采集点的极化电压数据，存入数据库，通过数据分析软件来分析和查看整条线路上杂散电流极化电压的大小和分布情况。如果某点杂散电流（极化电压）“超标”，监测系统通过排流柜控制装置按照设定程序进行相应操作，同时系统会自动产生报警，以便运营人员及时做出判断和相应措施[2]。

2 杂散电流监测系统的应用

广州地铁、武汉轻轨、深圳地铁、上海明珠线北延伸线等均采用集中式杂散电流监测系统，该系统由参考电极、传感器、信号转接器、监测装置、微机管理系统组成。图2给出了集中式杂散电流监测系统接线图。

图2集中式杂散电流监测系统接线图Fig.2 Centralized stray current monitoring system wiring diagram

通过监测点的合理设置，每隔一段时间由工作人员携带便携式计算机现场收集测试数据，所有数据通过网卡与便携式计算机通讯得到。测试数据上传到微机管理系统后，由微机管理系统对测试数据进行分析处理，形成便于查询的数据及曲线，利用这些分析结果可以了解轨道沿线钢结构的电化学腐蚀状况[3]。根据长期的数据收集分析，能够预测得出全线杂散电流防护效果情况，一旦出现危险信号，可以及时采取相应措施，防止主体结构钢筋的杂散电流电化学腐蚀。

3 杂散电流的综合治理

杂散电流是一种环境污染，对杂散电流腐蚀一般采取“以防为主、以排为辅、防排结合、加强监测”的综合治理方法。即杂散电流的腐蚀防护应从源头入手，尽量减少牵引回流的泄漏；同时加强结构钢筋及各专业金属管线的腐蚀防护；其防护实际效果要通过监测系统实时监测沿线杂散电流的泄漏及腐蚀情况来反映，以便及时采取措施，保障地铁交通安全可靠运行。

根据杂散电流产生的根源及腐蚀过程，以提高走行轨对地绝缘及保持牵引回流畅通为手段，本文从“防”和“排”两方面来谈杂散电流的综合治理。

3.1 “防”——源控法

所谓“防”就是防止牵引回流从走行轨泄入大地，这是从源头和根本上控制和减小杂散电流的有效方法。“防”属于源控法。

影响杂散电流大小的主要因素有：牵引电流、牵引变电所之间的距离、走行轨的电阻值及对地过渡电阻等[4]。根据这些主要因素的影响，采取合理的设计、施工措施，就可以从根本上控制和减小杂散电流。

3.1.1加强走行轨对地的绝缘，提高轨地过渡电阻

《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》中明确规定，新建线路走行轨与区间主体结构之间的过渡电阻值应小于15 Ω·km，运行线路不小于3 Ω·km。可见，加强轨地绝缘，保持走行轨对大地的过渡电阻值在合理的范围内，是降低杂散电流的强制措施。加强和保持轨道绝缘是一项系统工程，涉及土建、轨道、给排水等多个专业，并要求从设计施工阶段就要严格制定相应措施，从源头治本。主要有以下方法：

1）走行轨设置绝缘垫，单块绝缘垫电阻不小于108Ω；

2）走行轨对地保持一定距离，其间隙不小于30 mm[5]；

3）杂散电流道床收集网与走行轨之间绝缘处理；

4）道床收集网与主体结构钢筋之间避免金属连通；

5）道床排水沟合理设置，保证排水畅通，防止走行轨对地绝缘水平降低。

3.1.2减小走行轨纵向电阻，保持牵引回流通路畅通

走行轨纵向电阻越小，牵引回流流过时产生的压降越小，使钢轨对地的纵向电位差也会减小，保证了良好的回流，减小了杂散电流的泄漏。一般采取以下措施：

1）增加走行轨截面尺寸。钢轨横截面积越大，可以降低回流电阻，减少了杂散电流。因此，在工程实施中，考虑投资、运量等相关因素情况下，应尽量采用60 kg/m钢轨；工程中还应尽量采用无缝钢轨；如钢轨采用鱼尾板连接，在钢轨接缝处采用电缆连接两边钢轨，减小钢轨接缝处的电阻值；在特殊区段，增设与钢轨并联的纵向电缆也是降低回流电阻的有效措施。

2）尽量多地设置钢轨之间的均流线。复线地铁中四根钢轨并联，理论上总回流电阻为单根钢轨回流电阻的1/4。由于信号对轨道电路有一定的要求，在满足信号专业要求的前提下，应尽量多地设置的均流线，在一定程度上可以减小回流电阻。

3）车辆段和停车场设置多个回流点，使牵引回流就近回流，并设置均流线，减小回流通路的电阻，降低车辆段或停车场杂散电流的总量。

4）钢轨与道床之间采用点支撑安装，减少钢轨与道床之间接触面，降低钢轨纵向压降，减小回流电阻。

3.1.3缩短变电所之间的距离，合理设置牵引变电所

供电距离越短，轨道泄漏电流和轨道电位越低，杂散电流越小，对结构钢筋或金属管线产生的腐蚀也就越小。因此，应合理设置牵引变电所，适当考虑减小变电所距离，采用双边供电，尽量不采用单边供电。此外，停车场或车辆段需要单独设置牵引变电所，正常情况下与正线牵引变电所无电气连接，防止正线杂散电流流入。

3.1.4降低列车电流

列车电流与系统电压、客流量、变电所间距、列车追踪时间间隔等有关[6]。列车电流对泄漏电流和轨道电位都有很大影响，其电流越大，产生的杂散电流就越多。

采用变压变频（VVVF）控制的三相异步电机具有传动效率高，节电效果更显著的优点，而再生制动的应用则可进一步减少负荷。此外，采用较高的系统电压可以减小列车电流。在相同的牵引功率下，采用 1 500 V电压牵引供电就比采用750 V电压牵引供电产生的杂散电流小[7]。

3.1.5 防止道床污染，重视日常运营维护

新建地铁线路钢轨对地过渡电阻一般较高，但随着运营时间的推移，轨道会受到各种污染，道床混凝土也会随着排水不畅等原因致使电阻率降低，造成轨地过渡电阻逐渐减小。因此，运营中应采取必要措施，保证绝缘性能保持在规定的范围内。1）定期对全线轨道线路清扫，保持线路清洁干燥。尤其是加强对轨道扣件及钢轨绝缘垫的检查，杜绝易导电的物质在钢轨扣件和绝缘垫表面附着，避免由此而产生的轨道对地过渡电阻的下降；2）定期检查各杂散电流收集网之间的连接线、负回流电缆及均流电缆连接是否良好，连接螺栓是否生锈等。如果这些连接部件状态不良，则应及时进行修复；3）利用杂散电流综合监测系统，监测整体道床结构钢筋、车站隧道结构钢筋等相对周围混凝土介质的平均电位是否超标。根据监测状况，以便决定是否对钢轨回路及钢轨泄漏电阻进行测试检查，结合测试结果进行维护和处理。

3.2 “排”——排流法

所谓“排”就是杂散电流监测装置监测到道床收集网钢筋极化电位超过设定数值时，通过为杂散电流提供较小的电阻通路，使杂散电流顺畅流回牵引变电所负极，有效抑制杂散电流再从钢筋扩散至混凝土，达到减少杂散电流流出钢筋导致的电化学反应，这种方法称为排流法。“排”就是排流法。

排流法需要在先期设计施工就建立杂散电流收集网，并在牵引变电所内设置杂散电流排流装置。

3.2.1杂散电流收集网的设置

杂散电流收集网的构成如图3所示。在地铁施工中，杂散电流主收集网由整体道床内结构钢筋纵向连通形成，为杂散电流的主电气通路，减少杂散电流由道床向其他结构的外泄；杂散电流的辅助电气通路（即辅助收集网）由隧道内钢筋（内衬墙钢筋）纵向连通形成，减少杂散电流向地铁以外泄漏。大部分杂散电流是经过主收集网流回牵引变电所，小部分杂散电流通过辅助收集网流回牵引变电所，向外泄露的电流就非常少，这样就可以达到减少杂散电流外泄的目的。

图3地铁杂散电流收集网的构成Fig.3 Metro stray current collection network composition

3.2.2排流柜的设置

采用排流法进行杂散电流的腐蚀防护时，在正线的牵引变电所内需设置排流柜。其一端通过电缆与牵引变电所负极柜相连接，另一端与杂散电流收集网的排流端子相连接。排流柜通过其控制装置与杂散电流监测系统通过通信电缆连接，实现杂散电流监测系统的信息交换。当被保护的金属结构极化电位处于超标时，监测系统确定排流量，并把排流量的数值传给排流柜控制器进行排流；当检测被保护的金属结构的极化电位处于安全状态时，杂散电流监测系统向排流装置发出停止排流的命令。

排流法在杂散电流的腐蚀防护中具有较好的效果，但同时也有一定的副作用[8]。如排流会使杂散电流的数值增加，使那些没有排流设备的金属结构腐蚀加剧；还会使钢轨电位升高，可能超过安全电压。因此，排流只能作为一种应急手段。

4 结束语

杂散电流的综合治理，关键在于前期从源头上采取有效措施。如加强走行轨对地的绝缘、减小走行轨纵向电阻、缩短变电所之间的距离、防止道床污染、降低列车电流等。在地铁投入运营后，则应重视加强杂散电流的监测与防护。通过加强监测，针对不同的问题，采取有效措施，进行必要的维护和处理，将杂散电流控制在允许的范围内。

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