城市轨道交通杂散电流防护系统

黄玉苹

(大连市公交客运集团有限公司，116021，大连∥工程师)

城市轨道交通杂散电流又称城市轨道交通迷流，主要是指采用直流供电牵引方式的城市轨道交通列车在运行时泄漏到道床及其周围土壤介质中的电流。国内的城市轨道交通项目基本上都采用了直流供电牵引的方式。在这种供电方式中，列车直流牵引系统的正极接接触网，走行轨兼作负回流线。在城市轨道交通建成并投入运营的初期，走行轨与道床之间的绝缘程度较高，即轨、地过渡电阻值较大，由走行轨泄漏到土壤介质中的杂散电流也较少。但是随着城市轨道交通的运营，由于受到不可避免的污染、受潮、渗水、漏水和高地应力作用等因素的影响，使城市轨道交通车站以及区间隧道中的轨、地绝缘性能降低或先期防护措施失效，势必增大了由走行轨泄漏到土壤介质中的杂散电流。

杂散电流主要影响城市轨道交通周围的埋地金属管道、通信电缆外皮，以及车站、区间隧道和高架桥梁主体结构中的钢筋，使其发生电化学腐蚀。这不仅会缩短金属管、线的使用寿命，而且还会降低城市轨道交通钢筋混凝土主体结构的强度和耐久性，甚至酿成灾难性的事故。

1 杂散电流监测系统

杂散电流监测系统是杂散电流的重要防护措施。虽然通过一系列的杂散电流防护措施，如:降低牵引回流系统的阻抗;增大钢轨泄漏过渡电阻，减少泄漏电流;设置杂散电流主收集网、辅助收集网;设置排流柜及排流端子;在车辆段、停车场线路与正线线路间设置绝缘结和单向导通装置;对整流器柜、直流开关柜、负极柜等直流设备，以及金属管线、送排风金属管道采取防腐蚀加强绝缘等，可以把杂散电流值限制在一定的范围内。但是，随着运营时间的增加，绝缘将不断老化，钢轨的泄漏阻抗将逐渐变小，隧道防水性能将逐渐降低，产生的杂散电流将会逐年增加。因此，需要设置杂散电流监测装置来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。

杂散电流监测系统可以监测整体道床、隧道、桥梁的结构钢筋对周围混凝土介质的极化电位，并通过综合监控系统将相关信息传送至供电车间的杂散电流微机综合管理系统，以进行分析和存储。运营人员可在办公室内直接查询各种统计信息，并可打印各种管理报表。运营人员可根据分析结果，及时对相关区段进行相应的维护管理。

2 杂散电流防护系统设置的主要标准和原则

杂散电流防护系统设置应遵循“以防为主，以排为辅，防排结合，加强监测”的原则;应符合CJJ 49—1992《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》的要求;应符合GB 50157—2003《地铁设计规范》、GB/T 10411—2005《城市轨道交通直流牵引供电系统》、EN 50122—2《Protective Provisions against the effects of stray currents caused by d.c traction systems》等相关标准的要求;应考虑当发生严重的局部腐蚀时，能实现排流柜智能排流功能;腐蚀防护与接地系统应根据各个车站的具体结构形式，采用合理的设计方案，以满足杂散电流腐蚀防护与接地标准;当杂散电流腐蚀防护与安全接地发生矛盾时，应优先考虑安全接地;在保证杂散电流腐蚀防护及接地系统成功实施的基础上，应尽量减少投资。

3 杂散电流监测系统的主要监测方案

根据调查结果，目前我国已建和在建城市轨道项目所采用的杂散电流监测系统按照其结构划分主要有3种方案。

1)分散式监测方案。主要由排流柜、单向导通装置、参比电极、信号接线盒、信号测量电缆、测试箱、综合监测装置、集中微机管理系统、多通道便携式监测分析仪等组成。该方案的优点是设备数量少、投资成本低;缺点是不能完全满足CJJ 49—1992标准第6.3.2条规定(监测点测量导线的截面积不应小于2.5 mm2，长度不宜超过10 m)的技术要求，且测量精度差，电缆材料及施工费用高。

2)集中式监测方案。主要由排流柜、单向导通装置、参比电极、传感器、总线信号转接器、微机管理系统、单通道便携式监测分析仪等组成。该方案的特点是采用了现场总线技术，通信的可靠性大大提高。该方案的优点是系统智能化程度高，全线采用专用的现场总线技术，网络可靠性高;缺点是通讯网络总长度有限制，监测与排流相互独立，自动化程度低，系统扩展性差。

3)分布式监测方案。主要由排流柜、单向导通装置、参比电极、传感器、监测装置、微机管理系统、单通道便携式监测分析仪等组成。该方案的特点是分段采集、集中管理，由每个供电区间的监测装置依据就近接入的原则采集传感器上传的数据。传感器与监测装置之间采用现场总线(CAN总线或RS485总线)实现通信，充分发挥了现场总线通讯距离长，可靠性高的优势。监测装置和微机管理系统之间通过通信系统或PSCADA(电力监控与数据采集)系统的光纤通信通道实现整个系统的集成。同时监测装置还能实现对排流柜智能控制器和单向导通装置智能控制器的数据通信和控制功能，从而实现智能排流的目的。

4 大连市202路轨道交通线路延伸工程杂散电流防护系统的技术要求及特点

大连市202路轨道交通线路延伸工程线路全长40.38 km，其中山岭隧道4座。全线共设14座车站(含6座预留站)，其中高架车站13座(含6座预留站)、地下车站1座。大连市为暖温带大陆性季风气候，年平均气温10.5℃，极端气温最高35.3℃，最低－18.8℃。由于202路线路延伸工程为高架露天工程，因此，对于部分户外安装的设备如参比电极、传感器、单向导通装置及其控制器等应进行防腐蚀、防水、防尘等工艺处理。

考虑到该工程站间距大、主体结构分散等特点，在杂散电流的防护设计中设置了排流网，在牵引变电所设置了排流柜，在车辆段设置了单向导通装置。杂散电流监测系统采用分布式监测方案，即:在每一个供电分区内设置一个杂散电流自动监测的子系统(包括参比电极、传感器、监测装置和排流柜)，车辆段设置一个杂散电流自动监测子系统(包括监测装置和单向导通装置);每个子系统的监测装置与牵引变电所内的SCADA(监控与数据采集)系统联网，通过SCADA系统的通信通道，与设置在调度中心的杂散电流监控终端通信。杂散电流防护系统借用SCADA系统通信传输通道传输信息，在调度中心设立杂散电流防护系统监控主机，负责全线测量、控制，可实现数据保存、查看、检索、分析、预测，以及生成报表、曲线等功能，同时实现与原有202路轨道交通线路杂散电流监测系统的接入及一体化集成。

主要设备的技术要求及特点如下:

1)排流柜。选用具有极性排流功能的智能排流柜，采用户内安装方式，安装于牵引降压混合变电所中;系统电压为DC 1 500 V，四路排流支路加一路接地支路;排流支路额定电流设计容量为200 A/路，接地支路设计容量为400 A，配置保护和监测电路。排流柜设置排流柜智能控制器，根据监测装置分析采样信息。智能控制排流电流的大小和投入排流支路的数量，在大于排流支路最大排流电流值时，排流柜将不会切断排流回路，但排流控制器将通过相应措施，在保证不损坏排流设备的同时继续排流，同时将报警信号通过通信接口上传到监控中心。监控中心可远程监控排流柜的设备运行状态和排流电流的大小。排流柜屏上安装数字式LED(发光二极管)、显示单元、报警信号单元和监测装置。

2)单向导通装置。设置在车辆段进出线与正线间走行轨绝缘结附近及大库(停车列检库、月检库等)出口处，采用户外安装方式，要求达到IP45及以上防护等级，极限工作温度为－35℃ ～55℃。该装置通过电缆与绝缘结两端回流轨相连，使回流轨中电流仅单方向流通，以利于杂散电流防护并减少杂散电流影响。其内除设置二极管支路外，还设有隔离开关和消弧装置。在特殊运营方式下，隔离开关将绝缘结两端回流轨直接与电气连接;当车辆再生制动导致单向导通装置附近回流轨电位升高时，消弧装置与电气导通，降低走行轨电位，限制绝缘结两端放电并保证回流轨附近人员的安全。单向导通装置中设置一套智能控制器，实现电流、电压数据采集，二极管、隔离开关、消弧装置状态信号采集，以及智能消弧装置控制、电动隔离开关控制。智能控制装置采用RS485接口接入到监测装置。

3)参比电极。采用的氧化钼参比电极，具有体积小、电位稳定、耐振动、寿命长、适用于较干燥混凝土结构测试等特点，极化电位波动≤30 mV，寿命≥10年。

4)传感器。智能传感器主要完成对参比电极与结构钢筋(金属管线)的电位监测以及轨道-结构钢筋的电位监测，安装在沿线各测试点处。测试点和智能传感器的连接距离不大于10 m。智能传感器对参比电极-结构钢筋电压、钢轨-结构钢筋电压模拟信号采样，并在夜间列车停运时校正本体电位值，经数据转换变成数字信号，并进行存储、计算，然后由通信接口输出。在回流系统上，由于机车位置的变动和加减速频繁，电流的大小及方向随之频繁变动，从而反应在极化电位及轨电位的值也是变动的。为保证测量数据的可靠性，传感器的采样频率应不低于500次/s，并且在就地完成极化电位30 min平均值的计算后，再将结果上传。

5)监测装置。安装在牵引变电所内的监测装置，具有丰富的接口，通过现场总线与传感器、排流柜通信，完成本区间数据的存储、显示等处理，并通过以太网接口将数据传给杂散电流微机管理系统。监测装置的主要功能:①实时数据显示和历史数据组合查询;②监测参数的趋势分析图和生成报表;③与SCADA系统通信，上传重要数据和报警信息;④与杂散电流监测微机管理系统通信，上传监测数据信息;⑤具有设备配置管理、操作人员权限管理和帮助系统等功能;⑥对排流柜的自动控制功能。

6)微机管理系统。由计算机、打印机、管理软件操作台和UPS(不间断电源)组成，与监测装置通信，采集并记录整条线路杂散电流数据，并进行分析、存储和打印;可实时查询地铁沿线杂散电流造成的腐蚀的情况，并分析腐蚀的演化趋势。该系统通过图形界面可显示:①实时轨地电位、极化电位实时值;②轨地电位电压分布;③结构钢筋对参比电极的自然本体电位;④极化电压最大值、正向平均值、负向平均值、最小值;⑤信息报警，在设定上、下限后，根据测量值和计算值进行信息报警。微机管理系统软件支持B/S系统架构，具有WEB发布功能，便携式计算机、平板电脑等终端可通过IE浏览器实时查询杂散电流信息。

7)便携式监测分析仪。由电源及电池模块、采样分析模块、存储模块、通信及人机接口模块组成，主要用于对传感器采样数据进行校验，评估传感器精度和故障状态。在没有安装固定监测装置的场所，可使用本装置对杂散电流进行监测;传感器故障时用于临时测量与判断某一位置的腐蚀情况。便携式监测分析仪自带锂电池，充电完成可支持15 h以上工作时间，可实时监测轨电位、本体电位、极化电位等技术参数，同时进行各种30 min平均值计算与分析。该仪器采用抗震结构设计，防护等级达到IP67。

5 结语

网络技术和现场总线技术的发展，极大地推动了杂散电流监测系统向着集中管理方向发展，能够更实时、更直观、更有效地对杂散电流进行监控和防护，使城市轨道交通工程对周边金属管线、钢筋混凝土结构的腐蚀和破坏处于一种可监控、可预防的状态中，能够有效地保障了人民生命财产的安全。

［1］ CJJ 49—1992地铁杂散电流腐蚀防护技术规程［s］.

［2］ 李威.地铁杂散电流腐蚀监测及防护技术［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2004.

［3］ 汪圆圆.杂散电流监测方案的探讨［J］.电气化铁道，2001(1):48.

［4］ 蔡李花，许少毅，殷庆华.分布式杂散电流监测系统的研究［J］.上海电气技术，2011(4):37.

［5］ 刘拥政.地铁杂散电流防护系统故障原因及对策［J］.城市轨道交通研究，2010(7):79.