轨道交通车站及区间杂散电流防护设计的探讨

沈逸才

(同济大学 建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092)

轨道交通车站及区间杂散电流防护设计的探讨

沈逸才

(同济大学 建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092)

介绍了杂散电流产生原理及其腐蚀的危害隐蔽性和突发性，阐述了维护和监测的困难性，明确了以防为主、以排为辅、防排结合、加强监测的防护原则，讨论了杂散电流防护中防堵、排流、监测等不同手段，结合工程经验及新型监测技术，力求有效缓解杂散电流腐蚀对轨道交通运营和国民经济所造成的损失。

轨道交通；杂散电流；防堵；排流；监测

0 引 言

国际电工委员会对于杂散电流的定义是不按设想路径流通的电流。

轨道交通列车一般以直流电力作为牵引动力，接触网与牵引变电所的正母线相连，走行轨作为回流通路与牵引变电所的负母线相连；由于走行轨无法做到与大地完全绝缘，列车运行时走行轨与结构钢筋产生电位差，造成部分电流不从走行轨流回牵引变电所，这部分电流就是杂散电流。

杂散电流本质上是电化学腐蚀，导致金属的不断消蚀和破坏。由于电位梯度和电流泄露，会产生二价铁离子，因为地下较为潮湿，二价铁离子与与水结合并氧化形成铁锈。

1 杂散电流腐蚀的危害

杂散电流腐蚀的危害主要有四点：腐蚀钢筋、损坏电气设备、危及人身安全、迫使轨道交通停运。整个杂散电流通路本质上是两个串联的原电池，原电池1：走行轨→道床钢筋→车站及区间结构钢筋→沿线其他市政金属管线。原电池2：沿线市政金属管线→车站及区间结构钢筋→道床钢筋→走行轨。由于车站内一般会敷设均流电缆及回流电缆，所以导致车站内道床钢筋和结构钢筋高于走行轨电位，而区间内相反。所以原电池1的情况一般出现在区间内，原电池2的情况一般出现在车站内[1]。

图1 杂散电流腐蚀路径示意图

如果此时电气设备接地装置也接入结构钢筋，将可能引起接地电位升高，使某些电气设备无法正常工作。在设备外壳接地的情况下，人体误碰外壳更会危及人身安全。

另外走行轨如果大量泄漏杂散电流，可能导致牵引变电所继电保护动作，使得整流机组跳闸，还会使相邻牵引变电所对应的直流馈线断路器失效，造成接触网大范围停电。接触网烧灼断裂。

2 杂散电流的防护措施

杂散电流防护的宗旨是：以防为主，以排为辅，防排结合，加强监测。

根据杂散电流简易估算公式：

I——负荷电流；

r——钢轨纵向电阻；

L——列车到牵引变电所的距离；

ω——走行轨的泄漏阻抗

所以减少泄漏阻抗(防堵)，增加回流阻抗(排流)，减少牵引供电距离是杂散电流防护的重要手段。

2.1 防堵

防堵就是隔离、控制所有可能的杂散电流泄漏途径，减少杂散电流进入车站主体结构、设备、金属管线及其他相关设施。

《地铁设计规范》GB50157-2013中第15.7.15条作为强制性条文规定：直流牵引供电系统应为不接地系统，牵引变电所中的直流牵引供电设备必须绝缘安装。该条款就是为了减少杂散电流的泄漏，并防止结构主体钢筋因杂散电流腐蚀而产生安全隐患。直流牵引供电设备采用绝缘安装，有利于结构主体钢筋腐蚀防护，同时保障地铁沿线其他市政金属管线的安全[3]。

理论上来说如果牵引电流全部从走行轨回流则不存在杂散电流，所以杂散电流的防堵是首要措施，其核心手段有两个：

1)增加走行轨对地绝缘电阻，减少泄漏电流。为此考虑如下措施：

(1)在走行轨与混凝土轨枕之间设置绝缘垫，在紧固螺栓、道钉采用绝缘套管固定安装，连接走行轨和轨枕采用绝缘扣件，轨枕与结构钢筋之间设置绝缘垫。单个走行轨的支撑处在干燥和潮湿条件下的绝缘电阻值可以达到一定数值，但这杂散电流路径来说是若干支撑处的绝缘电阻的并联，电阻值呈现几何级的下降，加之很难保证绝缘套管、绝缘扣件、绝缘垫在安装过程中不被破坏，所以很难起到显著效果。

(2)设置负回流电缆，从牵引变电所负母线至上下行走行轨，上下行各设一回；设置上下行均流电缆，在车站没有负回流电缆的一段的上下行走行轨间设置；均采用多根大截面的铜电缆连通。这种做法已经得到广泛的应用并且效果较好。

(3)在道床边设置排水沟，保证道床与结构面的干燥；并做好道床清洁，以降低绝缘电阻。

(4)沿站台边沿设置两米宽的结缘层，站台屏蔽门安装在绝缘层之上，屏蔽门金属框架通过电缆与走行轨相接，避免列车和站台之间的电位差，杜绝人身触电安全事故的发生。

2)降低回流阻抗，减少走行轨上的电压降。采用重轨走行轨，尽量焊接成长走行轨；若采用短走行轨，则用鱼尾板螺栓连接，另两根走行轨之间加焊大截面绝缘铜电缆

2.2 排流

排流就是通过杂散电流的收集及排流系统，提供杂散电流返回牵引变电所的金属通路，以限制杂散电流继续向地铁以外泄漏，减少杂散电流对沿线其他市政金属管线的腐蚀。

排流作为防护的辅助措施，其根本目的是保证在防堵措施无法延缓杂散电流腐蚀的状况下，作为备用手段投入使用。

(1)利用整体道床作为主要杂散电流收集网。在线路垂直轨道下方，选取两根纵向结构钢筋作为排流条钢筋和所有的横向钢筋焊接。另在整体道床内敷设一根紫铜排和所有横向结构钢筋可靠焊接。

(2)将车站及区间隧道结构钢筋按一定要求焊接(如果采用盾构区间隧道隔离法则不焊接)，作为辅助杂散电流收集网。车站和非盾构区间隧道的每个结构层、结构段内横向及纵向钢筋保持电气连接，在变形缝两侧引出连接端子，通过铜电缆将两侧结构钢筋连成一个电气整体。

(3)在牵引变电所设置排流柜。其在轨道交通运营初期并不投入运行，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。

(4)缩短牵引供电距离。牵引变电所的布点要根据全线供电系统设计情况而定，单纯为降低走行轨上的电压降而缩短牵引变电所的间距是不合理的，要结合系统方案和工程经济性综合考虑。

值得注意的是，盾构区间防护目前国内有两种主流做法。第一种连接法：将隧道管片的纵向，横向均采用螺栓导通保证其电气连接，形成盾构区间杂散电流辅助收集网。其螺栓、螺母、垫圈均接触良好且导电性良好。单块管片环向电阻值及纵向电阻值、整环管片任意两点间电阻值、纵向相邻的两块管片任意两点间的电阻值均应满足测试要求。并在每块管片上设置连接端子和参比电极，作为日后将各管片电缆连接的条件和测试极化电压的条件。此外，在车站和盾构区间隧道的结构缝两侧采用大截面的电缆连通。

第二种隔离法：充分利用盾构管片的结构及安装特点。由于盾构区间隧道是由盾构管片构成，盾构管片之间存在用于防水的橡胶垫圈，且盾构管片内部结构钢筋同管片之间的连接螺栓通过素混凝土隔离，并且作好阻水隔水措施，这样客观上隔断了盾构管片之间的电气连接，使得管片内钢筋所收集的杂散电流数量非常小，从而实现盾构管片内部结构钢筋的钝化腐蚀状态，达到防护的目的。

笔者认为如果盾构管片的各项电阻值如果能够达到要求，采用连接法效果更好，并且也做到了盾构管片之间的等电位联结。但是目前国内轨道交通建设周期普遍较短，管片制作工期较紧，盾构管片的各项电阻值可能无法达到实际要求。所以就目前国内轨道交通的建设及运营管理现状来看隔离法更为合理。

2.3 监测

监测：设置完备的杂散电流检测系统，监视、测量杂散电流的大小，为运营维护提供依据。

随着运营年代的增加，绝缘不断老化，防水性能的逐渐降低，走行轨的泄漏阻抗逐渐变小，产生的杂散电流也将逐年增加。设置杂散电流监测系统，监视杂散电流对结构钢筋和设备的腐蚀情况，以便及时采取相应的措施，确保轨道交通的安全运行。

杂散电流的监测主要涉及三个重要的危险性指标：

(1)极化电压的正向偏移平均值不超过0.5 V，该指标也作为检测结构钢筋腐蚀状态的主要指标。

(2)结构钢筋中允许泄漏电流密度为0.6 mA/dm2以下时，可以认为腐蚀在钝化范围内，但是该指标测量难度较大。

(3)兼用作回流的走行轨与主体结构之间的过渡电阻值新建线路不小于15 Ω·km，已运行线路不小于3 Ω·km[4]。另外开式路基大宗运输系统的轨-地间单位电导建议0.1 S/km，约合10 Ω·km。正线走行轨虽然有断点，但是该指标测量难度也较大[5]。

杂散电流监测系统主要测试主要收集网和辅助收集网极化电位(收集网引出的测防端子与周围介质电位差)，通过极化电位反映杂散电流腐蚀状况。运营人员可查询各种统计信息，根据监测结果，及时对相关区段进行清扫、排查走行轨电气导通断电以及绝缘损坏。

3 杂散电流监测方案

列车在车站起动时，特别是没有设置牵引变电所的车站，因为距牵引变电所较远，走行轨电位较高，杂散电流较大，道床钢筋泄漏至结构钢筋也较其它区段严重；在此类区段设置监测点具有一定代表意义。

目前的监测系统主要都是对营运时道床及结构钢筋的极化电位进行实时监测，并在夜间停运时对结构钢筋本体电位进行检测，尚无法对走行轨与主体结构之间的过渡电阻值以及钢筋中泄漏电流密度进行监测。

杂散电流监测有分散式监测系统、集中式监测系统和独立式监测系统三种方案。

3.1 分散式监测系统

图2 分散式监测系统示意图

分散式监测系统(如图2所示)由参比电极[6]、测试端子、接线盒、测量电缆、设在变电所的测试端子箱和便携式综合测试装置构成。运营管理人员定期携带便携式综合测试装置，分别在逐个变电所进行实时测量。国内早期地铁较多等采用该方案。

3.2 集中式监测系统

该方案是将结构钢筋极化电位数据、走行轨电位、排流等相关数据传至变电所数据采集及统计处理装置，该装置可以设置在变电所中央信号屏内；测试及数据处理装置与变电所综合自动化系统接口，并将处理和统计后的数据经通信通道传至监控中心。目前国内较多采用该方案(如图3所示)。

图3 集中式监测系统示意图

3.3 独立式监测系统

独立式杂散电流监测系统由参比电极、主要收集网测试端子、辅助收集网测试端子、传感器、数据转接器、通信电缆及杂散电流综合测试装置构成。在每个测试点，将参比电极端子和测试端子接至传感器，将该车站区段内的上下行传感器通过测试电缆连接到位于车站内的数据转接器。数据转接器将处理后的数据通过全线贯通敷设的通信电缆送到杂散电流综合监测装置，杂散电流综合监测装置和工业控制机相连，工业控制机和打印机组成的微机管理系统将接收到的数据形成数据库储存在电脑硬盘内，同时可以对所采集的数据进行统计和分析，例如：对比高峰小时运行时连续测出的极化点位并求小时平均值，以及绘制各测试点的极化电位以及随时间变化曲线。目前广州地铁采用该方案(如图4所示)。

图4 独立式监测系统示意图

3.4 各方案优缺点比较

如表1所示，随着地铁智能化监控技术的发展，各系统的实时数据将会呈现井喷式增长，集中式监控系统采用共享数据通道的资源较为紧张，而独立式监控系统自带传输系统，其可扩展性也为今后监测走行轨与主体结构之间的过渡电阻值以及钢筋中泄漏电流密度打下基础。笔者认为在工程造价允许的情况下，可尝试采用独立式监测系统。

表1 各监测方案优缺点比较表

4 结束语

杂散电流腐蚀是量变到质变的过程，走行轨、结构钢筋以及其他市政金属管线等被腐蚀报废后要大规模检修而导致轨道交通停运和重大经济损失。

杂散电流防护是一项隐蔽而重要的工程，我们应当根据轨道交通工程的实际情况，选择更适合、更合理的杂散电流防护方案，提高运营管理的可靠性、实时性、经济性，力求有效缓解杂散电流腐蚀对轨道交通运营和国民经济所造成的损失。

[1] 于松伟，杨兴山，韩连祥，等.城市轨道交通设计原理与应用[M].成都：西南交通大学出版社， 2008.

[2] 张海波.城市轨道交通牵引供电系统杂散电流防护[J].城市轨道交通研究，2010,13(1):77.

[3] 北京城建设计研究总院有限责任公司.地铁设计规范GB50157—2013[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[4] 北京地下铁道科学技术研究所.地铁杂散电流腐蚀防护技术规程.CJJ49-92[S].北京：中国标准出版社，1992.

[5] 中铁电气化勘测设计研究院有限公司.轨道交通地面装置 第2部分直流牵引系统杂散电流防护措施.GB/T 28026.2-2011[S].北京：中国标准出版社，2011.

[6] 黄德胜，再谈地铁接地问题 [J].都市快轨交通，2006,19(3):43-45.

A Discussion about Protective Design of Stray Current for Rail Transit Stations and Sections

Shen Yicai

(Tongji University Architectural Design Academy (Group) Co., Ltd., Shanghai 200092, China)

This paper introduces the principle of generation of stray current as well as concealment and abruptness of its corrosion, expounds the difficulty of its maintenance and monitoring, determines the protection principle of taking prevention as primary measure and current drainage as secondary step in combination and strengthening monitoring. It discusses various means for stray current protection, such as anti-blocking, current drainage and monitoring. In combination with engineering experience and new monitoring technologies, every effort is made to achieve effective relief of losses of rail transit operation and national economy caused by stray current corrosion.

rail transit； stray current； anti-blocking；current drainage； monitoring

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.021

TG172.84

A

1000-3886(2017)02-0069-03

沈逸才(1985-)，男，湖州人,大学本科，工程师，长期从事地铁供电设计与研究。

定稿日期: 2016-08-27