行业要闻

 

摘 要 以深圳轨道交通 5 号线为背景，阐述杂散电流监测系统的设计原则和结构，分析监测内容的依据和测量原理，对杂散电流监测系统主要设备的功能、结构和接线进行具体描述。实践表明，该系统有助于运营部门及时掌握杂散电流的泄漏情况，采取有效措施，以降低杂散电流的危害。

关键词 轨道交通; 杂散电流; 监测; 轨电位

 

      深圳地铁 5 号线是深圳市政府承办 2011 年第26 届世界大学生运动会配套的城市轨道交通项目，西起前海湾，东至黄贝岭，全长 40 km，共设 27 座车站，1 个车辆段和 1 个停车场，是深圳轨道交通二期工程中里程最长、工期最紧、技术复杂程度最高的地铁项目。

      深圳地铁 5 号线采用的运行列车是以直流 1 500 V电力作为牵引动力的。由于钢轨很难做到完全的对地绝缘，所以牵引电流并非全部由钢轨流回牵引变电所，而是部分通过钢轨与大地之间的绝缘不良点流入大地，再通过埋地设施等途径流回钢轨并返回牵引变电所，从而形成没有任何规律的杂散电流^［1］。如图 1 所示，I₁和 I₂分别为一个供电区间的两个牵引变电所向机车提供的电流，I₃和 I₄分别为通过走行轨向两个牵引变电所回流的电流，I5和 I₆分别为泄漏到地下的杂散电流。

      由于杂散电流的作用，引起金属产生电解形式的腐蚀，而且在金属表面常呈现深度的穿孔状腐蚀。若防护不当，严重时还可能发生管道漏泄，造成灾难性损失，此外结构钢筋的腐蚀会破坏混凝土的整体性，降低其使用强度和耐久性，给轨道交通安全运营带来严重威胁。因此，有必要对杂散电流进行监测，及时采取有效措施，确保轨道交通主体结构及周边设施的安全^［2］。

 

      深圳地铁 5 号线工程杂散电流监测防护系统的设计按照“以防为主，以排为辅，防排结合，加强监测”的原则进行，包括“防、排、测”三方面内容。

      “防”———隔离、控制所有杂散电流可能的泄漏途径，尽量减小回流系统的阻抗，提高回流轨对地过渡电阻，抑制回流轨对地电流漏泄值，这是杂散电流腐蚀防护的根本所在^［3］。

      “排”———设置排流网，科学使用排流柜，使杂散电流有通畅的排流通路。

      “测”———设置完备的杂散电流监测系统，对杂散电流泄漏量进行监测，为杂散电流的防护提供依据。

      杂散电流监测系统采用集中式监测的方式，由参比电极、道床收集网测试端子、隧道收集网测试端子、传感器、信号转接器、通信电缆、监测装置和杂散电流监控终端构成，如图 2 所示。

      由图 2 可见，设置在轨道交通沿线监测点的传感器，将采集到的结构钢极化电压和轨构电压，通过专用数据传输通道，经信号转接器上传到监测装置，再汇总到杂散电流计算机管理系统。

 

      杂散电流监测防护系统实时测量以下参数。

      地铁轨道漏出来的杂散电流能否引起隧洞结构钢筋的腐蚀，需要以杂散电流引起结构钢筋的极化电压偏移值来确定。CJJ 49—92《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》中的 3． 0． 5 条规定: “对于钢筋混凝土地铁主体结构的钢筋，极化电压 30 分钟内的正向偏移平均值不得超过 500 mV。”^［4］结构钢极化电位的测量原理如图 3 所示^［5］。

      当机车停止运行时，U₂= 0，所测电压 U₁为参比电极的自然本体电位; 当机车运行时，所测电压为( U₂－U₁) 。比较两次的测量结果，可以计算出结构钢极化电压 U₂= ( U₂－ U₁) + U₁。

      参比电极用于在测量结构钢极化电压时提供基准电位，但是其本体电位会随着时间的增加而下降，当下降到一定值时会影响测量的精度。因此，需要监测参比电极的本体电位，当其值过低时需更换参比电极。

      轨道与站台间( 钢轨与结构钢间) 有时会出现异常电压。为了保护乘客和铁路员工的安全，使他们免遭钢轨与结构钢间接触电压的伤害，标准VDE0115 第一部分( 6 /82) 规定: “轨道与结构钢间的电位差( 轨构电压) 不得超过92 V。”

      另外，轨构电压还是计算钢轨纵向电阻和轨地过渡电阻的重要依据，是考察轨道运行状态和轨地绝缘状况的重要参数。

 

      参比电极安装( 埋设) 在整体道床、地下结构侧壁，用于测试杂散电流引起隧道、整体 道床内的结构钢筋电位，从而反映结构钢筋的腐蚀情况。本工程采用氧化钼参比电极，具有体积小、电位稳定、耐震动、长寿命的特点，适用于较干燥混凝土结构测试，其外形尺寸如图 4所示。

      传感器主要完成结构钢极化电压和轨构电压的数据采集，其接线如图 5 所示。当接触网停电后，传感器能自动接收监测装置发出的参比电极本体的电位校正信号，进行参比电极本体电位的自动校正。当参比电极发生故障时，能自动发出参比电极的故障信息。

      信号转接器主要用于传感器与监测装置间信号的传输转换，保证信号远距离地正常传输，其接线如图 6所示。

      监测装置连接信号转接器和杂散电流监控终端，与传感器、信号转接器组成监测网络; 收集传感器的监测数据，并完成相应参数的计算; 可以保存一定时期的历史数据，并把数据和报警信息上传至杂散电流监控终端。

      杂散电流的计算机管理系统由工业控制机、激光打印机、管理软件和 UPS 组成，通过 RS 485 现场总线和监测装置进行通信，完成整个杂散电流监测系统的数据采集，并可通过通信接口和 SCADA 系统通信，上传报警信息。管理软件具有历史数据的查询、统计、打印、数据分析处理、趋势分析等功能，能够实现超限自动报警，提示工作人员进行相应的处理。

 

      杂散电流监测防护对于地铁的长期安全运营非常重要，是轨道交通建设和运营中必须重视的一项内容。在杂散电流监测防护工程中，关键在于前期对杂散电流的“源控制”，要加强轨道的绝缘，减小供电区间的距离，合理选择结构钢筋的截面积，保证全线结构钢筋的可靠连接，等等。在轨道交通运营后，应该重视杂散电流监测系统的应用，及时监测分析相关的数据，及时采取有效措施，将杂散电流的危害降低到最小。

      本文以深圳地铁 5 号线工程为例，介绍了杂散电流监测系统的结构、工作原理及各项设备的功能。该系统可以帮助运营部门及时掌握轨道交通工程的杂散电流状况，可为类似工程提供借鉴。

 

［1］张健，夏文忠． 地铁牵引供电工程中的杂散电流监测防护系统［J］． 电气化铁道，2003( 5) :47-49

［2］高敬宇，易凡，地铁及轻轨杂散电流腐蚀的防护措施［J］，天津理工学院学报，1996，12( 1) :32-36．

［3］EN50122-2 Protective provisions against the effects of stray currents caused by DC traction systems［S］． Kingdom，2003．

［4］CJJ 49—92 地铁杂散电流腐蚀防护技术规程［S］． 北京:北京市地下铁道科学技术研究所，1993．

［5］Jin M，Mu L H． A novel on-line monitoring device of stray current in DC rail transit systems［C］/ /2006 International Conference on Power System Technology． Chongqing，

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［9］徐光强． 大连快轨 3 号线杂散电流现场监测系统方案及应用［J］． 继电器，2003( 9) :40-42．