1、湖南鐵路科技職業技術學院畢業設計（論文）任務書課 題_地鐵雜散電流的防護方案研究與設計編 號 專 業 電氣化鐵道技術 班 級 309-1班 學生姓名潘亞 譚會文 楊泉 指導單位 湖南鐵路科技職業技術學院 指導教師 王向東 向俊杰 設計(論文)任務與要求:任務: 此次畢業設計（論文）的任務是完成地鐵雜散電流的防護的分析設計，通過分析雜散電流的產生來設計其防護措施。 要求： 此次畢業設計（論文）的要求是以地鐵雜散電流的產生及危害為依據和基礎，詳細設計地鐵雜散電流的防護措施。 設計(論文)依據的原始資料: 【1】 湖南鐵路科技職業技術學院畢業設計（論文）工作規范（鐵路科職院） 【2007】26號文件

2、 設計(論文)文件的組成及要求:論文組成：摘要、目錄、引言、結論、附錄、指導教師評閱表、評閱教師評閱表、答辯評閱表、專業答辯組提問情況、評定書。論文要求：觀點明確、實事求是、思路清晰、條理清晰，并在論文中能準確的表達自己的設計理念。 參考資料:1 地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程(49-42).2 朱孝信.地鐵的雜散電流腐蝕與防護J.材料開發與 應用 ,1997,123 王勇.深圳地鐵的雜散電流防護措施分析J.鐵道機車車輛,2001,5:3234.4 李守本,姚萍,王洪仁,張克宇.上海軌道 交通 明珠線雜散電流防護與監測系統J材料開發與應用,2001,16(3):2326.5 高敬宇，易友祥地鐵雜

3、散電流的分析J天津理工學院學報，1996，12(3)：52556 李明地鐵雜散電流防護研究J軌道交通現代化，2002，12(4)：23257 馬沂文，馬宏儒 必須重視城市軌道交通雜散電流腐蝕的防護J 城市管理與科技，2001，3(3)：19218 王立天，高繼地鐵及輕軌系統迷流防腐蝕控制設計方法及體會J地鐵雜散電流腐蝕防護研討會論文集，天津，19949 鄭瞳熾城市軌道交通牽引供電系統M北京：中國鐵道出版社，2000 任務下達時間: 2011年11月15號 畢業設計開始與完成任務日期: 2011年11月16號至2011年12月23號 系部專業教學指導委員會該畢業設計（論文）選題符合本專業人才培養

4、目標要求，同意下達任務。 系部主任審批意見 同意按計劃執行 簽字 年 月 日摘要在城市地鐵軌道交通運輸系統中，一般采用直流電力牽引的供電方式，接觸網(或第三軌)為正極，走行軌兼作負回流線。由于運營環境及其它因素的限制，走行軌對地設施不可能做到完全絕緣，因此回流軌對道床、周圍土壤介質、地下建筑物、埋設管線存在著一定的泄漏電流，該電流沿地下建筑物、埋地管線等介質流至牽引變電所負回饋點附近重新歸入鋼軌，此泄漏電流即為“地鐵雜散電流”，俗稱“地鐵迷流”。地鐵雜散電流主要是對地鐵周圍的埋地金屬管道、電纜金屬鎧裝外皮以及車站和區間隧道主體結構中的鋼筋發生電化學腐蝕，它不僅能縮短金屬管線的使用壽命，而且還會

5、降低地鐵鋼筋混凝土主體結構的強度和耐久性，甚至釀成災難性的事故。對于新建地鐵工程，可采取有效防護措施，使回流軌對地絕緣完好，不產生雜散電流或僅產生微小的雜散電流這些是容易做到的。但隨著運行時間的推移，回流軌與絕緣扣件之間絕緣程度降低，就會產生大量泄漏電流。因此，工程建設前期應當考慮設置合理有效的排流網，采用合理的排流方法降低雜散電流的影響。排流網即為地鐵結構的整體道床以及隧道的結構鋼筋。為保護金屬導體而采取的直接將排流網導體與軌道短接來排放電流到負母線，稱之為“排流”。實際運行顯示排流量的大小對地鐵系統有著直接的影響，因此工程上采用的排流法是在牽引變電所回流點處將走行軌與負母線之間加設排流裝置

6、，排流量控制在一定范圍內，使得雜散電流盡可能完全流回牽引變電所負極。本文分析了國內外雜散電流防護和監測的現狀；闡述了雜散電流的腐蝕機理；建立了雜散電流分布的數學模型，提出了求解方法，并分析排流與否對雜散電流防護效果的影響；與此同時總結了地鐵雜散電流監測系統中，監測點位置選取的問題以及監測系統的拓撲結構；本文為雜散電流的防護提供了一種思路和方法，同時排流量計算程序對監測系統進行進一步的功能擴展和優化設計打下了一定的基礎。關鍵詞：地鐵；雜散電流；降低； 目錄緒論71. 設計方案81.1 研究內容81.2 研究意義81.3 研究思路82. 雜散電流的形成腐蝕機理及其危害102.1 雜散電流的形成及分

7、布102.2 金屬結構雜散電流腐蝕機理與判斷依據112.3 地鐵雜散電流腐蝕的危害143.地鐵雜散電流的防護163.1 從源頭上控制雜散電流的產生163.2 排流保護措施173.3 雜散電流的監測183.4 上海地鐵、深圳地鐵雜散電流防護分析183.5 地鐵雜散電流的分析193.6 地鐵雜散電流的防護措施244.地鐵雜散電流的排流3041排流網的設置3042排流保護法的分析33結論35謝辭36參考文獻37緒論隨著我國社會主義建設事業的發展，作為一項城市重要交通工具的地鐵正得到迅速的發展，地鐵在給人民生活帶來方便的同時，也帶來一些不容忽視的問題，其運行期間產生的雜散電流腐蝕問題就是其一。在地鐵建

8、成投入運營的初期，走行軌與道床之間的絕緣程度較高，由走行軌泄漏到大地中的雜散電流也較少。隨著地鐵運營年限的增加，運營環境受到不可避免的污染(潮濕、廢棄物、滲水、漏水)、列車對軌道的作用力等因素的影響，造成軌、地絕緣性能降低，使先期防護措施失效。這樣就有大量雜散電流泄漏到周圍的土壤介質中去。經常遭受雜散電流腐蝕的管線有時幾個月便可能會穿孔。北京地鐵的實測結果表明，列車在啟動和運行時流入地下的雜散電流值一般要大于100A；而深圳地鐵采用額定電壓為DCl500V的直流供電系統，額定牽引電流可高達3000A，按5計算，流入地下的雜散電流值可達150A。從而深刻認識到雜散電流確實數值很大，危害程度當然不

9、可忽視。上海、天津、南京、廣州、深圳和香港等國內的地鐵均采用直流電力牽引的方式。；在國外，英國曾因雜散電流的腐蝕使鋼筋混凝土發生塌方；美國也曾經報道過由陰極保護系統來的雜散電流曾造成汽油管線漏電點上與之接觸的水管腐蝕穿孔，而漏出的水侵蝕了汽油管線表面，使陰極保護系統失效。地鐵雜散電流問題己引起了人們的高度的重視，發達國家在該課題上投入了巨大的人力和物力，取得了一定的成果，而我國在這方面的研究還處于起步階段。1. 設計方案1.1 研究內容本論文對排流量模糊控制的原理和實現進行了詳細的分析，并進行了系統的研究和具體設計工作，主要有以下幾個方面：1)詳細介紹了雜散電流產生、腐蝕機理和危害；2)建立地

10、鐵雜散電流分布數學模型，進行理論推導；3)探討雜散電流監測點選取的問題以及排流法保護方式、排流網設置形式；4)進行雜散電流排流量模糊控制算法的研究及雜散電流排流計算程序的編制。 1.2 研究意義地鐵是一種復雜的地下工程，其結構在施工完成后已定型。經若干年運營后，要對主體結構因雜散電流腐蝕而進行更換或翻修則是十分艱難的。因此，對地鐵雜散電流引起主體結構中鋼筋腐蝕問題的研究、監測雜散電流以及如何采取積極有效排流措施無疑具有重要現實的意義。傳統的排流裝置大多對排流量不進行控制，或者即使進行控制，其控制量也是隨意給定的，給定的排流量沒有確切的依據。本論文根據多輸入單輸出模糊控制器的設計方法設計的排流量

11、模糊控制器，可以充分考慮多點極化電位的影響，滿足排流控制多點評價的要求，使得排流量的大小控制在合適的范圍內，避免排流量過大帶來的副作用。這必然會減小投入大量的人力、物力、財力去控制其弊端，對于投資巨大的地鐵工程順利良好的運行有著積極的意義。1.3 研究思路地鐵雜散電流的防護研究是一個系統長期且復雜的過程，需要各個部門及相關專業人員協作來完成。本論文在進行綜合分析防護措施的基礎上，探討排流保護法在地鐵防護工程中發揮的積極意義以及其存在一些的副作用和如何減小這些副作用。本論文詳細介紹了地鐵雜散電流的形成、腐蝕機理以及其造成的嚴重危害。為我們在后續防護工作中，能夠從其腐蝕的特點入手，采取有針對性的工

12、作，提供了理論基礎與依據。本論文在了解了地鐵結構的基礎上，講述對地鐵雜散電流的防護措施。主要有：從源頭上控制雜散電流的產生；棑流保護措施；雜散電流的監測；上海 深圳地鐵雜散電流的防護分析； 雜散電流防護的實際運用。2. 雜散電流的形成腐蝕機理及其危害2.1 雜散電流的形成及分布2.1.1 雜散電流的形成機車所需電流由牽引變電所提供，通過接觸網(軌)向機車送電，并利用走行軌把牽引電流返回牽引變電所負極。由于鋼軌很難做到完全對地絕緣，所以牽引電流并非全部由鋼軌流回牽引變電所，而是有一部分由鋼軌泄漏入大地，再由大地流回鋼軌并返回牽引變電所，從而形成雜散電流。如圖2-2所示，I1和I2分別為一個供電區

13、間兩個牽引變電所向機車提供的電流，I3和I4分別為通過走行軌向兩個牽引變電所回流的電流I5和I6分別為泄露到地下的雜散電流。圖 2-1 地鐵供電系統及雜散電流的形成示意2.1.2 地鐵雜散電流的分布地鐵由多個區間隧道組成，對每個地鐵供電區段至少有兩個變電所供電，因此列車在軌道上運行時負荷會發生變化。由于每個區段的地質條件不同，軌地過渡電阻隨列車的走形而不斷發生變化；即使是同一個區段，軌地過渡電阻也因地質條件的不同而發生變化，且走形軌和埋地金屬物的電阻因制作工藝和受污染程度等因素影響，并非隨其走向是均勻分布的。所以，嚴格意義上的地鐵雜散電流分布很難確定。主要的一些結論有：（1）變電所附近的軌道電

14、位為負極大值，埋地金屬體對地為陽極雜散電流腐嚴重；列車底部軌道電位為正極大值，鋼軌對地為陽極雜散電流腐蝕嚴重。（2）變電所供電電流對走形軌電位和雜散電流都有影響，供電電流取值越大，泄漏的雜散電流也越大，腐蝕電流也越大。（3）軌地過渡電阻對軌道電位和雜散電流影響最大，過渡電阻越小，泄漏的雜散電流越大，腐蝕電流也越大。當過渡電阻大于15.Km時，雜散電流和腐蝕電流可以不計；小于5.Km時，應采取措施。（4）軌道縱向電阻對軌道電位和雜散電流影響較大，縱向電阻越大，雜散電流和腐蝕電流也越大，走形軌電壓和電流也相應變化較大。（5）埋地金屬體縱向電阻對軌道電位和雜散電流影響非常小，呈微弱的升降趨勢，可認為

15、沒有影響。2.2 金屬結構雜散電流腐蝕機理與判斷依據221金屬的腐蝕機理腐蝕一般分為兩種形式：化學腐蝕和電化學腐蝕。在無電流作用下產生的化學腐蝕是在潮濕和酸性環境中產生的，以鐵為例，化學方程式如下： (2-1)其中FeS和就是鐵銹的重要成分。由于電流的影響，發生在金屬與周圍環境(如空氣、水或者土壤)間的電化學反應導致了電化學腐蝕。這種腐蝕的形成必須具備四個基本條件：1)金屬材料為陽極(或陽極區)及另一個陰極區；2)金屬材料為陰極(或陰極區)及另一個陽極區；3)在陰極和陽極間存在電解質；4)在陰極和陽極間形成電子流動路徑。以上條件滿足后就形成了電池效應，從而導致腐蝕。根據電化學理論，失掉電子過程

16、為氧化反應，得到電子過程為還原反應。金屬體為陽極時，金屬被氧化產生離子進入電解質，并伴隨電子的釋放。化學反應方程式為： (2-2)鐵離子進入電解質，同時在金屬體中留下2個電子，這樣就產生了腐蝕。而在陰極將發生還原反應以保持電中性。在一個溶有空氣的電解液中，水中的氧氣與電子發生化學反應形成氫氧根離子，即： (2-3) 在無氧酸性環境中，陰極反應將氫離子還原為氫氣。化學方程式為： (2-4)在無氧中性環境中，陰極反應將水還原為氫氣和氫氧根離子。化學方程式為：4H， (2-5)腐蝕反應產生的鐵離子與氫氧根離子結合就生成氫氧化鐵。222地鐵雜散電流腐蝕基本原理地鐵雜散電流腐蝕示意圖如圖23所示。圖23

17、地鐵雜散電流腐蝕原理圖 直流牽引供電方式所形成的雜散電流及其腐蝕部位如圖23所示。由圖可見，雜散電流所經過的路徑可概括為3個腐蝕電池。電池I：A鋼軌(陽極區) B道床、土壤C埋地金屬管線(陰極區)電池II：D埋地金屬管線(陽極區) E土壤、道床F鋼軌(陰極區)電池III：O埋地金屬管線(陽極區) P土壤、道床寸Q鋼軌(陰極區) 當雜散電流由圖23中三個陽極區鋼軌A、埋地金屬管線D和埋地金屬管線O流出時，該部位的金屬(主要為Fe)便與其周圍電解質發生陽極過程的電解作用，此處的金屬隨即遭到腐蝕。由金屬的腐蝕機理可將發生腐蝕的氧化還原反應分為兩種：當金屬周圍的介質是酸性電解質時，發生的氧化還原反應為

18、析氫腐蝕；當金屬周圍的電解質是堿性電解質時，發生的反應為吸氧腐蝕。兩種反應的方程式如下： 1)析氫腐蝕：陽極： (2-6)陰極： (無氧酸性環境) (2-7) (無氧環境) (2-8) 2)吸氧腐蝕：陽極： (2-9)陰極： (2-10) 上述兩種腐蝕反應的結果就是生成，在鋼筋表面或介質中析出，部分還可以進一步被氧化成。生成的繼續被介質中的氧化成棕色的 (紅鐵銹的主要成分)，而可進一步生成Fe，O。(黑鐵銹的主要成分)。雜散電流腐蝕一般具有以下特點：1)腐蝕激烈；2)腐蝕集中于局部；3)有防腐層時，往往集中于防腐層的缺陷部位。223雜散電流腐蝕判定依據 泄露電流是影響腐蝕過程十分重要的參數，在

19、實際操作過程中，對這個電流的大小給予了定量的規定，如表21。表21地鐵結構允許泄露的電流密度材料與結構生鐵混泥土中鋼筋鋼結構允許泄露電流密度0.750.600.15由于地鐵結構中泄露電流難以直接測量，所以腐蝕危險性指標只能采用間接指標來表示。間接指標是指由泄露電流引起的電位極化偏移(電壓)值。隧道結構的外表面受雜散電流腐蝕危害的控制指標是用泄露電流引起的結電壓偏離其自然電位的數值來表示的。對于鋼筋混凝土中的地鐵主體結構鋼筋，上述極化電壓的正向偏移平均值不應超過O5V。直接埋設在土壤中的金屬外鎧裝電纜，受雜散電流腐蝕的危險電壓不應大于表22所列數值。表22電纜金屬外鎧裝危險電壓危險電壓（V）土壤

20、電阻率/.m鐵接地電極硫酸銅測量參比電極0-0.551000.1-0.45100-5000.1-0.35500-10000.1-0.1510002.3 地鐵雜散電流腐蝕的危害雜散電流會引起地鐵設施、地鐵附近的鋼筋混凝土結構物以及埋地管線發生腐蝕，造成嚴重后果，主要表現在以下幾個方面： (1)鋼軌及其附件的腐蝕在列車下部，列車處于陽極區，容易發生腐蝕。文獻12表明，鋼軌的雜散電流腐蝕在隧道內及道岔等部位尤為顯著。道釘也有雜散電流腐蝕現象，從地上難以發現。(2)鋼筋混凝土金屬結構物的腐蝕 雜散電流通過混凝土時對混凝土本身并不產生影響。但若有鋼筋存在，則鋼筋起匯集電流的作用并把電流引導到排流點處。在

21、雜散電流由混凝土進入鋼筋之處，鋼筋呈陰極。若陰極析氫且氫氣不能從混凝土內逸出，就會形成等靜壓力，使鋼筋與混凝土脫開。在電流離丌鋼筋返回混凝土的部位，鋼筋呈陽極并發生腐蝕。腐蝕產物在陽極處的堆積會以機械作用排擠混凝土而使之開裂。若結構物中的鋼筋與鋼軌有電接觸，更易受到雜散電流腐蝕。地鐵運營一段時間后，要對由于雜散電流腐蝕鋼筋而發生破壞的混凝土結構進行維修和更換將是十分困難的。 (3)埋地管線的腐蝕 雜散電流對埋地管線也會產生電流腐蝕。在設計和建造地鐵時不考慮此問題會產生及其嚴重的后果。地鐵系統內的埋地管線主要有自來水管線、石油管線、蒸汽管線、煤氣管線等公共事業管線以及各種電纜管線等。據調查，這些

22、管線不同程度的存在雜散電流腐蝕問題，有些鐵管數年內甚至數月內即發生點腐。(4)異常腐蝕 在把線路引入修理庫、交檢庫及運轉庫等建筑物時，如絕緣施工不良，可使鋼軌與建筑物發生某種程度的電連接，從而使泄露電流增大，產生異常激烈的雜散電流腐蝕。3.地鐵雜散電流的防護3.1 從源頭上控制雜散電流的產生3.1.1 降低回流回路的阻值 鋼軌本身具有電阻,當電流流過鋼軌時在電阻上就產生電位差,因鋼軌對地絕緣電阻不可能是無窮大,故產生有電位差和產生雜散電流。所以要降低雜散電流的數量就要減小鋼軌壓降,降低鋼軌壓降的方法有如下幾點: 增加走形軌的長度,減小鋼軌的電阻:地鐵列車走行鋼軌同時作為牽引列車回流用,因此鋼軌

23、阻抗越小,從鋼軌向外流失的雜散電流也越小,減少鋼軌阻抗的有效辦法是采用長鋼軌,鋼軌越長,鋼軌接頭就越少,鋼軌的阻抗也就越小。 各鋼軌之間應有暢通的電氣連接以保證低阻值的回流路徑。 縮短變電所之間的距離,采用雙邊供電:從雜散電流的估算公式來看,雜散電流與供電距離的平方成正比,所以縮短供電距離是減少雜散電流數量非常有效的方法。3.1.2 增加雜散電流流通路徑的電阻 增加雜散電流流通路徑的電阻具體的有2點措施: 增加軌道對地的過渡電阻:木質軌枕、枕木的端面和道釘必須經過絕緣處理或設置專門的絕緣層,軌道和接地回路之間應具有良好的絕緣,走行鋼軌采用點支承等。增加雜散電流泄漏路徑電阻的另一個方法是地鐵系統

24、采用不接地或二極管接地策略。 在車輛段的檢修與停車庫中,每一條線路的走形軌均應使用絕緣接頭與車場線路的走形軌相隔離。3.1.3 增加埋地金屬管線的阻值敷設在地鐵沿線的電力、通訊及控制測量電纜,應采用防水絕緣護套的雙塑絕緣墊層;地鐵中各種電纜,在隧洞中的電纜、水管等金屬結構應以絕緣方式敷設;所有通向隧洞外的管線,必須裝有絕緣接頭或絕緣法蘭。3.2 排流保護措施所謂排流法就是將金屬結構中的雜散電流人為地使之直接回流到鋼軌或變電所負極,其連接導線稱為排流線。排流法又可分為直接排流法、極性排流法、強制排流法3種。其中極性排流法方法在地鐵系統中應用最為廣泛有效。雖然極性排流在防止雜散電流腐蝕上起到了很好

25、的效果,但是排流也會帶來一些副作用。其一是排流會使雜散電流的數量增加,這使那些沒有接排流設備的結構物的腐蝕加劇。 詳細考察了美國費城內地鐵雜散電流對地下公共設施的 影響 時發現排流引起了嚴重的干擾,拆除若干排流接頭后,反而使大地雜散電流減少2000。其二使鋼軌電位升高,其電位有可能超過容許安全電壓(規定為65)。其三排流量過大還會帶來如下的危害:當一氯化亞汞電極為基準,埋地管道的對地電位低于-2.5時,埋地管道的保護曾被破壞的危險增大。當地中含有鹽份時,鉛不僅在陽極區受到腐蝕,而且在陰極區也受到腐蝕。當排流量過大時,鉛皮電位變的更低,這種腐蝕會加劇。3.2.1 其他雜散電流防護方法 陰極保護:

26、陰極保護是指向金屬結構物提供電流,有外加電源法和犧牲陽極法;陽極保護法:即使被保護物的電位提高到鈍態電位,從而阻止雜散電流腐蝕。青木敏雄發明了一種裝置,控制鋼軌電壓恒定,切斷雜散電流產生的源頭,使雜散電流減至最小。這種設備把其所在鋼軌對地電壓疊加到鋼軌上,使鋼軌上各處電壓相同,從而消除鋼軌電位差。 三木邦敏發明的是利用向埋地電極施加支流電流的方法來吸收雜散電流,從而達到減輕雜散電流腐蝕危害的目的。易友祥等提出了一種可以對雜散電流進行自動跟蹤補償,目的是減少雜散電流數量的積極的防護方案。3.3 雜散電流的監測為了地鐵牽引回流泄漏的情況和地下金屬結構受雜散電流腐蝕的程度,必須進行專門的測量工作。地

27、鐵結構與設備受雜散電流腐蝕的危險性指標,應由結構表面向周圍電解質漏泄的電流密度和由此引起的電位極化偏移來確定。由于電流密度難以直接測量,所以一般是通過測量腐蝕危險性的間接指標即由雜散電流引起的結構的電位極化偏移值來判斷設備受雜散電流腐蝕的情況。所需監測的參數有軌道電壓、地下金屬結構的極化電位、軌道過渡電阻和軌道縱向電阻等。雜散電流測量點應設置在地鐵沿線的車站站臺的兩側進出站信號附近、每一個回流點處及需要進行測試的走形軌分斷點處、地鐵橋梁兩段、地鐵的盡頭線和線路與車輛段的連接坡道處,并定期對監測點進行檢查維護。可通過傳感器將各測量點所采集的參比電極對結構鋼筋及軌道對結構鋼筋的電壓的模擬量及時轉化

28、為數字量,再由安裝在牽引變電所控制室內的監測裝置傳送到計算機系統,以供操作人員隨時查詢。3.4 上海地鐵、深圳地鐵雜散電流防護分析 3.4.1上海明珠線雜散電流防護系統 為防止雜散電流的干擾,上海明珠線采取的主要措施是建立暢通的牽引負極回路、回流軌采用絕緣墊、對地鐵的各種管線及設備采取絕緣措施、利用整體道床內的結構鋼筋構成雜散電流收集網。上海明珠線的監測系統是由雜散電流收集網測量端子、埋置式參比電極、測量信號電纜、數據轉換箱以及微機監測裝置構成。每個車站有3對測量端子,分別與地鐵沿線測量端子和參比電極連接后經過電流排架引到變電站內的數據轉換箱。微機與數據轉換箱連接,對各監測點的電位進行實時監測

29、。3.4.2 深圳地鐵的雜散電流防護系統 深圳地鐵雜散電流防護系統的防護原則是“以堵為主,以排為輔,防排結合,加強監測”。堵的措施有鋼軌下加絕緣墊、使用絕緣扣件、枕軌下加絕緣墊、道岔處加強絕緣等。排流的措施是將每個道床結構段內部的縱向鋼筋搭接處以焊接方式焊接,形成可靠電氣連接,形成主要的雜散電流收集網;同時將隧道結構鋼筋實現可靠焊接,形成輔助雜散電流收集網;車輛段引入線與正線間、停車庫內鋼軌與庫外鋼軌間設單向導通設備。深圳地鐵雜散電流監測系統是由 參考 電極、整體道床測量端子、車站隧道測量端子、信號電纜、信號測量端子箱、信號盒及微機綜合測試裝置構成。 3.5 地鐵雜散電流的分析 地鐵雜散電流會

30、對地下金屬結構造成嚴重的腐蝕，為了減小雜散電流的泄漏，必須進行排流，然而排流前后相關運行參數會發生什么樣變化呢?研究地鐵雜散電流分布特性，建立數學模型，進行相關分析是非常必要的。由于地質條件不同，軌道對地的過渡電阻和土壤電阻也是不同的，鑒于許多因素的不確定性，嚴格意義上的地鐵雜散電流泄露的理論公式是很難推導的，即使進行了復雜的推導計算，最終結果的精度也不可能很高。為簡化所研究的問題，而同時不會給所要解決的問題帶來明顯的誤差，我們采取理想的假定條件來推導確定軌道的電位與電流以及雜散電流的分布，然后再根據求得的各個參數的分布圖來分析地鐵雜散電流的分布情況，為地鐵雜散電流腐蝕的監測和防護提供理論依據

31、。 為了簡化模型，取供電臂長約13km的直線區間，區間中只有一臺牽引機車在運行，且鐵路沿線道床均勻敷設排流網，建立這一系統的數學模型。為了便于分析，我們做出如下的假設： 1)過渡電阻在軌道和排流網問均勻分布； 2)軌道電阻沿線均勻分布； 3)雜散電流全部被排流網收集起來。35.1雜散電流分布數學模型 圖3-1單邊供電模式軌道一排流網一大地電阻分布示意圖 設為軌道對排流網的過渡電阻，；為走行軌的電阻，/；為排流網縱向電阻，；為走行軌在x處的電壓，V；為走行軌在X處的的電流，A： 為在x處的軌道泄漏的雜散電流，A；x為距變電所的距離，；L為列車距變電所的距離，km；I為列車取流電流，A。圖32軌道

32、電壓及電流分布原理圖通過前面的論述，我們已經看到了雜散電流危害的嚴重性。那么如何減少和降低雜散電流對我們的軌道交通系統以及臨近線路的其它金屬構件的危害呢？雜散電流的大小與走行軌的單位電阻成正比；與走行軌對地的過渡電阻成反比；與軌道的長度的平方成正比。從前面的分析也可以看出，雜散電流是途經走行軌鐵墊板固定螺栓道釘進入道床以及相關金屬構件的。在此回路中將會形成若干陽極區域，從而導致部分金屬的腐蝕，此中腐蝕危害的嚴重點均是由于局部腐蝕引起的，這包括走行軌、螺栓道釘以及局部的金屬構件。為了更好的實施雜散電流防護，首先在設計階段，在滿足整個系統的要求的同時，應盡可能考慮減小雜散電流的可能，如盡可能的延長

33、牽引變電所間距，采用合理的方式增大對地過渡電阻等；其次在系統的建設過程中，應針對軌道絕緣實施嚴格的施工和質量控制，使得新建系統的走行軌對地過渡電阻滿足地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程中規定的不小于15ohm.km的要求；再次在系統的運營過程中，應加強運營的檢測和維護，保持系統的清潔和干燥，及時更換老化失效的減震絕緣墊板，以保證軌道的絕緣水平，使得運營系統的走行軌對地過渡電阻滿足地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程中規定的不小于10ohm.km的要求，從而在根本上減少雜散電流的危害。目前雜散電流的防護已被人們所熟悉，并日益受到人們的重視。我們必須對其采取防護和治理措施，以確保地鐵的安全運營。3.5.2 雜散

34、電流監測系統組成由圖3-1可知，檢測系統主要是由上位機系統和自動監測裝置兩部分組成。自動監測裝置是以ARM7處理器為核心的數據采集處理系統，完成模擬量、開關量的采集和存儲。如參比電極的本體電位、結構鋼的極化電位等，并對它們在液晶屏幕上進行實時顯示;當檢測到結構鋼極化電位超標、鋼軌電壓超標或接近CJJ49-92規定時，進行超標報警;同時根據結構鋼筋極化電壓的情況，輸出控制量向智能排流柜發布控制命令，啟動排流柜進行排流。上位機主要功能是通過USB接口與自動監測裝置相連，通過系統軟件可實時顯示各種信息，可方便查詢歷史數據和故障記錄，同時達到遠程修改自動監測裝置的系統時間等功能。圖3-1 系統組成框圖

35、3.5.3設置雜散電流監測系統設計完整的雜散電流監測系統監測雜散電流的大小,可為運行維護和防止雜散電流提供數據依據。電化學中的電位分析法是現階段雜散電流測量的原理。選取電位恒定的、提供測量電位標準的參比電極作為基本電位,以測量結構鋼筋、排流銅排、鋼軌等的電位大小,來衡量軌道交通中雜散電流的多少。雜散電流監測系統由參比電極、軌道電位測試端子、排流網測試端子、主體結構鋼筋測試端子、電位測量箱以及雜散電流綜合測試裝置構成(見圖4)。目前,上海市軌道交通雜散電流監測系統中,多采用-350型系列-4電極作為參比電極,測量時通過數據采集儀收集數據。它接收來自電位測量箱的測量電位的信號,進行記錄并保存,可以

36、與計算機聯接同步監測記錄,對數據進行分析后若發現異常,則發出報警信號。此法便于對雜散電流的情況進行掌握,并及時做出處理,保護軌道建設工程。3.5.4 雜散電流的監測 雜散電流的監測可是簡單的目測連接電纜的狀況，以保持回流軌的低電阻，也可請專業人員對特殊的地段進行雜散電流腐蝕狀況的調查。但現代新建的軌道交通系統都要求預留測防端子和預裝參考電極，在需要時可配備雜散電流的檢測系統，對雜散電流腐蝕的可能性進行實時監測。雜散電流的調查一般是指軌道交通系統的結構如車站處的的軌道對地電阻和腐蝕電勢。其它雜散電流的監測包括對軌道對地電壓、泄漏電流、指定的金屬結構對負母線的電壓和從牽引變電所饋出的總電流等的測量

37、。這些測量用于對當前雜散電流和雜散電流腐蝕的評估。中華人民共和國行業標準地鐵雜散電流防護技術規程CJJ 49-92的規定：隧道結構的外表面，受雜散電流腐蝕危害控制指標是由泄漏電流引起的結構電壓偏離自然電位數值。對于鋼筋混凝土地鐵主體結構的鋼筋，上述極化電壓的正向偏移平均值不應超過0.5V。一般軌道交通系統的雜散電流監測系統主要是監測雜散電流對結構鋼筋的腐蝕可能，因此主要監測結構鋼筋的極化電壓。3.5.5地鐵雜散電流的防護原則隨著我國國名經濟的快速發展，以地鐵為標志的城市軌道交通系統得到了快速發展，但由于地鐵是由直流動力機車牽引，產生的雜散電流會對鋼軌及其附近地下構筑物鋼筋、金屬管線等產生腐蝕，

38、因此，必須對地鐵雜散電流腐蝕進行治理。軌道交通直流牽引供電系統中,只要用走行軌兼做回流導體,雜散電流的產生是不可避免的。為了減少雜散電流的危害,就應當設法減少雜散電流量。這就需要采取有效的防雜散電流措施,使雜散電流量控制在允許的范圍內。地鐵雜散電流腐蝕防護的基本原則應“以治本為主，將地鐵雜散電流減小至最低限度”，防護工程基本上應采用“以防為主，以排為輔，實行防排結合，加強監測”。積極做好設計、施工和運營維護等各個環節的工作，這樣才能取得雜散電流防護的最佳效果。(1)以防為主控制所有可能的雜散電流泄漏途徑,減少雜散電流進入軌道交通系統的主體結構、設備以及沿線附近相關設施的結構鋼筋。具體實施時,由

39、于涉及到的專業多,各專業、各工種必須緊密配合,尤其在施工設計階段更要考慮綜合防治措施,盡量減少直流系統與其他建筑物的電氣連接。可采取的措施有:牽引變電所內和區間的直流供電設備在安裝時與結構鋼筋和結構主體絕緣安裝;走行軌道在施工時,采用與軌道道床絕緣的安裝方式;由外界引入軌道交通內部或由軌道交通內部引出的金屬管線均應進行絕緣處理后方可引入和引出;在軌道交通線內部設立結構鋼筋電氣連通,把所有結構鋼筋和接地點連接在一起,將泄漏的雜散電流排流回直流系統。(2)以排為輔設置雜散電流的收集系統。此收集系統為雜散電流從回流軌上泄漏后遇到的第一道小電阻的回流通道,可以將雜散電流盡量限制在本系統內部,防止雜散電

40、流向本系統以外泄漏，以防止腐蝕。(3)加強監測就是要有完備的雜散電流監測系統，監視、測量雜散電流的大小，為運營維護提供依據。3.6 地鐵雜散電流的防護措施雜散電流的防護有消極措施和積極措施之分，消極的防護措施主要包括在相關金屬裝置上添加絕緣材料或防腐金屬，下面主要討論積極的防護措施。3.6.1 雜散電流的積極防護措施消除雜散電流產生的根源，最大限度地減小雜散電流。全線雜散電流的總量基本上只與全線鋼軌正電位及鋼軌對地泄漏電阻有關。因此,降低鋼軌電位及增大鋼軌泄漏電阻是雜散電流防護的基礎。為雜散電流提供至牽引變電所負極的暢通金屬通路,盡量減少雜散電流流出金屬構件的電流密度,阻止雜散電流對其腐蝕,是

41、防護雜散電流的重要措施。（1）降低鋼軌的電位在列車運行密度和列車取流一定的情況下,鋼軌電位由供電區間回流通路的電阻定。鋼軌應焊接成長鋼軌并采用點支撐，使回流回路暢通，減小回路電阻，從而減小雜散電流的泄漏。鋼軌本身具有電阻,當電流流過鋼軌時在電阻上就產生電位差,因鋼軌對地絕緣電阻不可能是無窮大,故產生有電位差和產生雜散電流。所以要降低雜散電流的數量就要減小鋼軌壓降,降低鋼軌壓降的方法有如下幾點: 減少以鋼軌縱向電阻為主的回流系統電阻的措施包括正線鋼軌采用重軌,且焊接為無縫長鋼軌,若短鋼軌間采用螺栓連接,則兩根鋼軌之間必須加焊一根銅電纜,回流電纜應與鋼軌可靠焊接,回流電纜根數留有一定裕量;走行軌間

42、設均流線,平衡上、下行鋼軌電流,降低走行軌電位;道岔與轍岔的連接部位通過銅連接引線可靠焊接。各鋼軌之間應有暢通的電氣連接以保證低阻值的回流路徑。縮短變電所之間的距離,采用雙邊供電:從雜散電流的估算公式來看,雜散電流與供電距離的平方成正比,所以縮短供電距離是減少雜散電流數量非常有效的方法。對于車輛段和停車場,根據實際工程條件,通過設置多個回流點,使牽引電流就近回流,減小回流通路電阻,控制產生雜散電流總量。 （2）增加雜散電流流通路徑的電阻鋼軌泄漏電阻的大小與雜散電流成反比,可把保證鋼軌有較高泄漏電阻作為軌道交通防護雜散電流根本的措施。鋼軌泄漏電阻主要由下述兩方面因素確定:一是鋼軌絕緣安裝點的絕緣

43、電阻,二是鋼軌與道床表面的空隙距離及道床環境條件。當然泄漏電阻也受與鋼軌連接電纜絕緣情況、電化區段與非電化區段鋼軌隔離效果等影響。增加軌道對地的過渡電阻:木質軌枕、枕木的端面和道釘必須經過絕緣處理或設置專門的絕緣層,軌道和接地回路之間應具有良好的絕緣,走行鋼軌采用點支承等。保證鋼軌對軌枕或整體道床的泄漏電阻不小于15km。為了達到此要求，在鋼軌與混凝土軌枕之間，在緊固螺栓、道釘與混凝土軌枕之間，在扣件與混凝土軌枕之間，采取絕緣措施，加強軌道對道床的絕緣，以減少鋼軌對地的泄漏電流。具體做法是：鋼軌下加絕緣墊、使用絕緣扣件，鋼軌采用絕緣套管固定安裝，軌枕下加絕緣墊，道岔處加強絕緣，導軌與走行軌之間

44、加絕緣等。增加雜散電流泄漏路徑電阻的另一個方法是地鐵系統采用不接地或二極管接地策略。在車輛段的檢修與停車庫中,每一條線路的走形軌均應使用絕緣接頭與車場線路的走形軌相隔離。（3）增加埋地金屬管線的阻值敷設在地鐵沿線的電力、通訊及控制測量電纜,應采用防水絕緣護套的雙塑絕緣墊層;地鐵中各種電纜,在隧洞中的電纜、水管等金屬結構應以絕緣方式敷設;所有通向隧洞外的管線,必須裝有絕緣接頭或絕緣法蘭。（4）采用隔離法，減少雜散電流的漫延。一是在條件允許的情況下，盡可能增強整體道床結構與隧道、車站間的絕緣。二是在高架橋區段，橋梁與橋墩之間加橡膠絕緣墊，實現橋梁內部結構鋼筋與橋墩結構鋼筋絕緣，防止雜散電流對橋墩結

45、構鋼筋的腐蝕。三是在盾構區間隧道，采用隔離法對盾構管片結構鋼筋進行保護。四是在過江隧道的軌道兩端設立單向導通裝置，與其他線路單向隔離。（5）在日常運營中，采取各種有效措施。一是定期對全線軌道線路清掃，保持線路清潔干燥，尤其是軌道扣件及鋼軌絕緣墊，不能有易導電的物質在鋼軌扣件和絕緣墊表面，避免由此而產生的軌道對地泄漏電阻的下降。二是定期檢查各雜散電流收集網之間的連接線、負回流電纜及均流電纜的連接是否良好，連接螺栓是否生銹等。如果這些連接部件狀態不良，則應及時進行修復。三是定期利用雜散電流綜合測試裝置，監測整體道床結構鋼筋、車站隧道結構鋼筋、高架橋梁結構鋼筋相對周圍混凝土介質的平均電位是否超標，以

46、便決定是否對鋼軌回路及鋼軌泄漏電阻進行測試檢查，然后結合測試結果進行維護。3.6.2 流通路徑控制措施雜散電流對金屬結構的腐蝕主要有4個方面:即鋼軌、道床結構鋼筋、隧道結構鋼筋、地網及地鐵外部其他公共設施。雜散電流首先從鋼軌泄漏至道床結構,再從道床結構向其他結構如隧道、車站結構泄漏。利用整體道床內結構鋼筋的縱向聯通形成電氣連續的雜散電流主收集網,為雜散電流提供第一個電氣通路,雜散電流沿此通路流向牽引變電所方向,流出收集網后至鋼軌,可減少雜散電流由道床向其它結構的泄漏量。另外在工程條件許可情況下,地下區段道床與隧道(或其他結構間)設置素混凝土層,以增大道床與其他結構間泄漏電阻,減少雜散電流向其他

47、結構泄漏量。在回流軌下方穿越的金屬管線也要進行絕緣處理,避免雜散電流經此泄漏至其他結構。主收集網不可能收集所有的雜散電流,其它少量雜散電流繼續泄漏至隧道或其他結構,利用隧道鋼筋(內襯墻鋼筋)縱向聯通形成電氣通路,則成為雜散電流遇到的第二個電氣暢通通路(即輔助收集網),并沿此通路至牽引變電所方向,在牽引變電所區域(陰極區)流回至道床鋼筋,并流回至鋼軌,減少雜散電流向地鐵以外泄漏。由外界引入地鐵內或由地鐵內引出至地鐵外的金屬管線均應進行絕緣處理后,方可引入或引出,避免雜散電流經此向地鐵外泄漏。3.6.3 結構鋼筋腐蝕防護措施雜散電流對金屬構件(結構鋼筋和金屬管線)的腐蝕為電化學腐蝕。當雜散電流進入

48、金屬構件時,對其不產生腐蝕;而當雜散電流從金屬構件流出至非金屬介質時,對其產生腐蝕。對于結構鋼筋,其腐蝕的原理是鋼筋與其周圍的水泥硅酸鹽發生電化學反應,鋼筋釋放鐵離子與周圍電解質反應生成其它化合物。若電流密度小于0.6mA/dm2,則電化學反應發生后會在鋼筋表面形成一層白色的化合物。該化合物的電阻率較大。隨著時間的延續,當該化合物厚度達到一定程度時,就會成為包裹鋼筋的一層外絕緣層,從而阻止鋼筋與外部水泥硅酸鹽電解質的繼續接觸,阻止了雜散電流對鋼筋的繼續腐蝕。該狀態稱為腐蝕鈍化狀態。金屬構件電化學腐蝕防護是控制金屬體流出至電介質的電流密度在防護范圍之內。主要措施是減少進入金屬體的雜散電流量;為金

49、屬體提供至電源負極的金屬通路,減少雜散電流流出金屬表面的電流密度;確定合理的道床、隧道收集網(結構鋼筋)表面積,控制雜散電流流出至電介質的密度。地鐵雜散電流防腐蝕對結構鋼筋的保護是分層次的,其重要性對地鐵結構設施而言,其順序是隧道鋼筋、道床鋼筋和鋼軌。鋼軌是可更換設備,道床鋼筋從結構上講可重修,而隧道鋼筋應避免修復。從地鐵結構層次上講,利用腐蝕鈍化原理防腐蝕的重點在道床收集網,隧道收集網是作為后備收集網而起作用。因為盡管靠近鋼軌的道床收集網的截面積相對隧道收集網要小,在所收集的雜散電流較多而其截面較小的情況下,若能控制道床鋼筋處于腐蝕鈍化狀態,則下層隧道收集網肯定也處于腐蝕鈍化狀態。即只要道床收集網達到了腐蝕防護要求,下層其他結構設施肯定也沒有被雜散電流腐蝕的危險。利用道床結構鋼筋作為收集網的目的:一是減少雜散電流繼續向下擴散至隧道、車站和大地等結構的數量;二是由于道床鋼筋本身有一定的截面,從而使雜散電流密度較小,而使自身處于腐蝕的鈍化狀態。因為道床結構鋼筋是雜散電流從鋼軌上泄漏后遇到的第一道電阻較小的暢通電氣通路,可將雜散電流盡量限制在本系統內部,可防止雜散電流繼續向本系統以外泄漏。