城市轨道交通牵引供电系统杂散电流防护

张海波

(铁道第三勘察设计院集团有限公司电化电信处,300251,天津∥工程师)

杂散电流腐蚀是一个日积月累的渐进过程,其危害是逐步显现的,而杂散电流防护是隐蔽工程,在工程建设中往往被忽视。杂散电流的腐蚀对象一般是重要的金属结构物,如车站结构、隧道结构、金属性结构的水管或消防管道等。这些金属结构物一旦被腐蚀损害,不但会带来重大安全隐患,还不易进行大规模检修或更换,因此杂散电流的防护应引起各方特别是土建设计和施工单位的重视。

本文从腐蚀机理、杂散电流的产生、简单数学分析等方面进行阐述,力求归纳出杂散电流的防护方向,并提供工程上可供参考的杂散电流防护办法。

1 直流杂散电流腐蚀的起因

直流电气化线路引起的杂散电流腐蚀的原理简图如图1所示。城市轨道交通线路的钢轨敷设在道床上时,在钢轨和道床之间都设置了绝缘垫层。该垫层的绝缘电阻在106～108Ω之间,可以认为钢轨与大地是电气隔离的。随着线路的运营,诸如油渍、渗水、轮轨间磨耗产生的铁粉等污垢引起钢轨与大地之间的绝缘减弱,从而使钢轨上的一部分回流电流流入了大地,这样就产生了杂散电流。这些杂散电流将在金属结构物(如道床结构钢筋、隧道或车站结构钢筋及埋设在其中的一些金属管线)中流动,并产生一定的腐蚀。其中运动中的牵引机车(牵引和再生制动状态下)就成为一个运动的杂散电流源。

从电化学本质来讲,图1中引起金属结构物腐蚀的实质是一个电解电池的作用。在杂散电流所形成的电解腐蚀电池中,对于埋地金属结构物而言,杂散电流进入金属结构物的区域(正电流从土壤或水泥流入金属结构物),其电位相对较高;此处为腐蚀电池的阴极区,在金属结构物表面将发生消耗电子的阴极还原反应。而杂散电流离开金属结构物进入土壤或水泥的区域,其电位相对较低;此处为腐蚀电池的阳极,在金属结构物表面将发生阳极氧化反应,即金属原子放出电子而转变成离子态的腐蚀反应。

图1 直流电气化线路引起的杂散电流腐蚀的原理简图

2 泄漏电流的简易计算分析

泄漏电流的大小和分布与牵引变电所的分布、馈电区段、负荷情况、牵引网系统以及钢轨对地电阻等因素有关,土壤电阻率对其也有很大影响,所以泄漏电流的计算是非常复杂的。既便获得计算结果,也很难完全表达实际情况。泄漏电流的实测也非常困难。但通过简易计算分析,可对泄漏电流有一个宏观的、基本的理解,为采取杂散电流腐蚀防护对策提供理论帮助。泄漏电流简易计算示意图如图2所示。

图2 泄漏电流简易计算示意说明

距离N点x公里处的任意点P的轨电位VP=I·r·x,P点处单位长度钢轨的泄漏电流iP=则泄漏电流的总和iL是iP自N点到A点的积分:

式中:

I——负荷电流;

r——钢轨纵向电阻;

L——机车与供电所的区间长度;

ω——钢轨的泄漏阻抗。

从上式可以看出,钢轨泄漏电流 iL与 I、r、L成正比,与ω成反比。因此,减少杂散电流的最重要措施有:

①相互联结在一起的回流网络具有良好的电连续性(降低r值);

②钢轨与土壤具有良好的电绝缘(增大ω值);

③实现多点供电,减少单一变电站的供电范围(减少 L)。

3 杂散电流防护方案

目前,城市轨道交通工程杂散电流防护一般采用两种方式:一种是隔离方式,另一种为排流方式。

3.1 隔离方案

所谓隔离方式,就是加强钢轨与地之间的绝缘水平,尽量避免杂散电流泄漏到道床及其他建筑结构中。隔离法严格遵循“以防为主”的防护原则,以最大程度地减少杂散电流的泄漏量。其通常采取的措施有:

(1)在钢轨固定扣件下设置绝缘垫板,其绝缘电阻在106～108Ω之间。

(2)在道床和其他建筑结构之间设置一层绝缘层(或绝缘隔板),其绝缘电阻在106～108Ω之间。这种防护方式目前在国内工程中还没有采用过,但在国外类似工程中已有应用,对杂散电流的防护效果非常好。

(3)设置杂散电流监测系统,加强日常的运营维护,及时发现杂散电流泄漏超标区域,并对该区域进行修补,从而使钢轨对地的泄漏电阻维持在一个较高的水平上。

3.2 排流方案

所谓排流方式,就是将金属结构物中流动的杂散电流,人为地使之直接流回到干扰源中去的防护方法。通常是将道床结构钢筋、隧道及桥梁等的结构钢筋分别沿线路方向电气焊接起来,使其纵向电阻大幅度降低,在钢轨下方形成一个杂散电流的收集网。

排流法实际是一种被动防护的方法。排流网的设置在一定程度上增大了杂散电流的泄漏量(排流法降低了杂散电流流通路径的纵向电阻,使杂散电流更易流入排流网)。且排流网的实质是结构钢筋,这些结构钢筋也是重点保护的对象。把杂散电流收集起来在结构钢筋上流动,是存在安全隐患的。

针对排流法所带来的安全隐患,一般工程也可采用防、排结合的方式(见图3)。即仅利用道床结构钢筋形成杂散电流的收集网,在道床结构和建筑结构(车站、隧道、桥梁等)设置绝缘隔板。考虑到建筑结构修补相当困难,检修年度跨度很大,可将排流回路集中设置于道床结构中,这样,即保留了排流网,也尽最大可能避免杂散电流流入主要的建筑结构中。

图3 防、排结合方式示意图

4 杂散电流防护要求及措施

4.1 主体结构

(1)每个结构段内部的主钢筋应实现可靠焊接,在结构段两端的变形缝或沉降缝处(任何内部结构钢筋断开的结构段两端)附近,应按设计要求焊接引出杂散电流测防端子。

(2)地铁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。防水材料的体积电阻率不得小于108Ω·m。

(3)地铁线路与其他直流电气化铁路交叉跨越的地方,在自交叉位置向两侧各延长50m的区段中,地铁主体结构应采取双倍的加强型防水绝缘措施。

(4)对于盾构区段的防护,一般有两种方式。一种是隔离法,即盾构管片之间的结构相互没有电气连接。这种方法广泛应用于国内的轨道交通工程中。另一种方式是连通法,将盾构管片内的结构钢筋电气焊接牢固,并通过金属附件使管片内部的结构钢筋与管片之间的紧固螺栓电气连通,从而形成杂散电流辅助收集网(此时杂散电流防护系统采用的是排流法)。该方法目前只用于上海地区。在上海市的DG J 108—109—2004《城市轨道交通设计规范》中也有相关规定。

4.2 电缆及管道结构

(1)敷设在隧道洞中的电缆、水管等金属管线结构,不得与地下水流、积水、潮湿墙壁、土壤以及含盐沉积物等发生接触。

(2)水管在线路下方穿越时,宜采用非金属绝缘材质,否则水管应具有加强的绝缘层并在穿越部位两侧装设绝缘法兰。其他安装部位应便于检查和维护。穿越部位必须保持清洁和干燥。

(3)所有通向地铁隧道外部的电缆和管道,必须装有绝缘接头或绝缘法兰,并应装设在干燥和可以接近的部位,以便于观察和检测。上述电缆及管道结构位于绝缘法兰至穿越部位的区段应与周围的结构绝缘。

(4)供水贮槽的水管出口处应设置绝缘法兰。

4.3 车辆段结构与设施

(1)地铁与城市管网相连接的电缆和水管线路,在其离开车辆段的部位应设置绝缘接头、绝缘套管或绝缘法兰。

(2)在地铁车辆段范围内,直接埋设在地下的金属管线应具有双倍加强的绝缘保护层。

(3)在地铁车辆段范围内,电缆应按相应技术要求敷设在专门的电缆沟中,当采用地中直埋敷设方式时应采用带绝缘护套的电缆。

(4)车辆段内电气分段宜采用分束供电、分束回流的方式,应在各种检修库门前和车辆段出、入段处(正线与车辆段的分界处)的钢轨上设置绝缘节及单向导通装置,减少正线杂散电流流入段内、段内杂散电流流入库内。

(5)电化线路与非电化线路轨道之间应设置绝缘节。

车辆段的防护总原则是减少杂散电流的漏泄量,形成更畅通的回流路径,而不是收集杂散电流。

4.4 对道床收集网的设置要求

道床收集网只在杂散电流防护系统采用排流法时设置。

(1)将每个整体道床结构段内的纵向钢筋电气连通,钢筋连接处必须牢固焊接。在结构段两端和中间,每隔5 m用一横向钢筋与所有纵向钢筋进行焊接,并在每根钢轨下方道床结构钢筋内选择两根纵向主筋与所有横向钢筋焊接(此纵向钢筋称为排流条),使得全线道床形成主收集网。

(2)在结构段两端须引出连接端子,材质为铜(就端子材质而言,采用扁钢也能满足防护需求,但是在潮湿环境下,扁钢端子容易产生锈蚀,降低了电气连接效果,因此端子材质的选择应结合具体工程实施的环境而定),用电缆纵向连接两端子,使各结构段收集网全线贯通。

(3)加强扣件的绝缘性能,采用高绝缘性能的轨距垫、轨下橡胶垫板,确保钢轨与扣件的绝缘;铁垫板下的橡胶垫板、尼龙套管应确保扣件与轨下基础的绝缘,绝缘件的绝缘阻值均应达到106～108Ω。钢轨采用点支承绝缘扣件敷设;穿越道床的所有管线应采用绝缘塑料或外部涂绝缘层的金属管。

(4)应采用更为合理的1/30轨底坡,较少钢轨磨耗,减少铁屑洒落在扣件表面形成杂散电流通道。

(5)扣件零部件设计应考虑阻止形成水膜电阻,扣件预埋套管高于轨枕表面4 mm,橡胶垫板钉孔为不同直径,能防止水膜形成和杂质进入预埋套管。

5 杂散电流监测系统

5.1 监测点设置原则

在车站两端以内50 m左右的上、下行道床及主体结构钢筋上分别设置监测点,在区间的上、下行道床及主体结构钢筋上每250 m至300 m分别设置一处监测点(尽量靠近区间动力照明的检修电源箱,利于传感器电源的引入)。监测点由传感器和参比电极组成。传感器将采集的模拟信号转换为数字信号,并送至牵引所监测装置进行信息处理。所内监测装置可对传感器实时发布指令进行监测,并将处理信息通过牵引所综合自动化装置送至控制中心,进行全线的信息处理。

5.2 监测防护系统构成

杂散电流监测防护系统采用分布式结构框架,框架简图如图4所示。

(1)按供电分区(以牵引变电所为中心进行划分)监测,集中管理。

(2)在每个供电分区内设置一个子系统(包括传感器、监测装置和排流柜等),车辆段设置一个子系统(包括监测装置和单向导通装置)。每个子系统的监测装置与所内的综合自动化联网(见图5),通过综合自动化通信通道与设置在监控中心的杂散电流监控主机通信。

(3)杂散电流防护系统借用综合自动化通信传输通道,自成系统,通过对全线极化电位、接触电压、过渡电阻等杂散电流危险性指标的监控,可实现数据保存、查看、检索、报表、曲线、分析、预测等功能。

图4 分布式杂散电流监测系统框架简图

图5 杂散电流监测装置接入综合自动化示意图

(4)监测装置接口根据具体工程情况而定。对综合自动化,采用以太网,TCP/IP通信协议或RS-485接口,MODBUS通信协议;对排流柜,采用RS-485接口,485通信协议;对传感器,采用 RS-485接口,485/CAN总线;对单向导通装置,采用RS-485接口,485通信协议。

总之,杂散电流防护是一个十分复杂的问题,需要多专业之间相互配合,并结合工程实际情况具体分析。本文分析了杂散电流的产生、防护方向及相关措施,供城市轨道交通工程设计单位和施工单位参考。

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