黃玉蘋

(大連市公交客運(yùn)集團(tuán)有限公司，116021，大連∥工程師)

城市軌道交通雜散電流又稱城市軌道交通迷流，主要是指采用直流供電牽引方式的城市軌道交通列車在運(yùn)行時(shí)泄漏到道床及其周圍土壤介質(zhì)中的電流。國內(nèi)的城市軌道交通項(xiàng)目基本上都采用了直流供電牽引的方式。在這種供電方式中，列車直流牽引系統(tǒng)的正極接接觸網(wǎng)，走行軌兼作負(fù)回流線。在城市軌道交通建成并投入運(yùn)營的初期，走行軌與道床之間的絕緣程度較高，即軌、地過渡電阻值較大，由走行軌泄漏到土壤介質(zhì)中的雜散電流也較少。但是隨著城市軌道交通的運(yùn)營，由于受到不可避免的污染、受潮、滲水、漏水和高地應(yīng)力作用等因素的影響，使城市軌道交通車站以及區(qū)間隧道中的軌、地絕緣性能降低或先期防護(hù)措施失效，勢必增大了由走行軌泄漏到土壤介質(zhì)中的雜散電流。

雜散電流主要影響城市軌道交通周圍的埋地金屬管道、通信電纜外皮，以及車站、區(qū)間隧道和高架橋梁主體結(jié)構(gòu)中的鋼筋，使其發(fā)生電化學(xué)腐蝕。這不僅會(huì)縮短金屬管、線的使用壽命，而且還會(huì)降低城市軌道交通鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性，甚至釀成災(zāi)難性的事故。

1 雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)

雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)是雜散電流的重要防護(hù)措施。雖然通過一系列的雜散電流防護(hù)措施，如:降低牽引回流系統(tǒng)的阻抗;增大鋼軌泄漏過渡電阻，減少泄漏電流;設(shè)置雜散電流主收集網(wǎng)、輔助收集網(wǎng);設(shè)置排流柜及排流端子;在車輛段、停車場線路與正線線路間設(shè)置絕緣結(jié)和單向?qū)ㄑb置;對(duì)整流器柜、直流開關(guān)柜、負(fù)極柜等直流設(shè)備，以及金屬管線、送排風(fēng)金屬管道采取防腐蝕加強(qiáng)絕緣等，可以把雜散電流值限制在一定的范圍內(nèi)。但是，隨著運(yùn)營時(shí)間的增加，絕緣將不斷老化，鋼軌的泄漏阻抗將逐漸變小，隧道防水性能將逐漸降低，產(chǎn)生的雜散電流將會(huì)逐年增加。因此，需要設(shè)置雜散電流監(jiān)測裝置來實(shí)時(shí)監(jiān)視雜散電流對(duì)整體道床結(jié)構(gòu)鋼筋和城市軌道交通主體結(jié)構(gòu)鋼筋的腐蝕情況，以便及時(shí)采取相應(yīng)的維護(hù)措施。

雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)測整體道床、隧道、橋梁的結(jié)構(gòu)鋼筋對(duì)周圍混凝土介質(zhì)的極化電位，并通過綜合監(jiān)控系統(tǒng)將相關(guān)信息傳送至供電車間的雜散電流微機(jī)綜合管理系統(tǒng)，以進(jìn)行分析和存儲(chǔ)。運(yùn)營人員可在辦公室內(nèi)直接查詢各種統(tǒng)計(jì)信息，并可打印各種管理報(bào)表。運(yùn)營人員可根據(jù)分析結(jié)果，及時(shí)對(duì)相關(guān)區(qū)段進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)管理。

2 雜散電流防護(hù)系統(tǒng)設(shè)置的主要標(biāo)準(zhǔn)和原則

雜散電流防護(hù)系統(tǒng)設(shè)置應(yīng)遵循“以防為主，以排為輔，防排結(jié)合，加強(qiáng)監(jiān)測”的原則;應(yīng)符合CJJ 49—1992《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》的要求;應(yīng)符合GB 50157—2003《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB/T 10411—2005《城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)》、EN 50122—2《Protective Provisions against the effects of stray currents caused by d.c traction systems》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求;應(yīng)考慮當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重的局部腐蝕時(shí)，能實(shí)現(xiàn)排流柜智能排流功能;腐蝕防護(hù)與接地系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)各個(gè)車站的具體結(jié)構(gòu)形式，采用合理的設(shè)計(jì)方案，以滿足雜散電流腐蝕防護(hù)與接地標(biāo)準(zhǔn);當(dāng)雜散電流腐蝕防護(hù)與安全接地發(fā)生矛盾時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮安全接地;在保證雜散電流腐蝕防護(hù)及接地系統(tǒng)成功實(shí)施的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量減少投資。

3 雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)的主要監(jiān)測方案

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，目前我國已建和在建城市軌道項(xiàng)目所采用的雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)按照其結(jié)構(gòu)劃分主要有3種方案。

1)分散式監(jiān)測方案。主要由排流柜、單向?qū)ㄑb置、參比電極、信號(hào)接線盒、信號(hào)測量電纜、測試箱、綜合監(jiān)測裝置、集中微機(jī)管理系統(tǒng)、多通道便攜式監(jiān)測分析儀等組成。該方案的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備數(shù)量少、投資成本低;缺點(diǎn)是不能完全滿足CJJ 49—1992標(biāo)準(zhǔn)第6.3.2條規(guī)定(監(jiān)測點(diǎn)測量導(dǎo)線的截面積不應(yīng)小于2.5 mm2，長度不宜超過10 m)的技術(shù)要求，且測量精度差，電纜材料及施工費(fèi)用高。

2)集中式監(jiān)測方案。主要由排流柜、單向?qū)ㄑb置、參比電極、傳感器、總線信號(hào)轉(zhuǎn)接器、微機(jī)管理系統(tǒng)、單通道便攜式監(jiān)測分析儀等組成。該方案的特點(diǎn)是采用了現(xiàn)場總線技術(shù)，通信的可靠性大大提高。該方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)智能化程度高，全線采用專用的現(xiàn)場總線技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)可靠性高;缺點(diǎn)是通訊網(wǎng)絡(luò)總長度有限制，監(jiān)測與排流相互獨(dú)立，自動(dòng)化程度低，系統(tǒng)擴(kuò)展性差。

3)分布式監(jiān)測方案。主要由排流柜、單向?qū)ㄑb置、參比電極、傳感器、監(jiān)測裝置、微機(jī)管理系統(tǒng)、單通道便攜式監(jiān)測分析儀等組成。該方案的特點(diǎn)是分段采集、集中管理，由每個(gè)供電區(qū)間的監(jiān)測裝置依據(jù)就近接入的原則采集傳感器上傳的數(shù)據(jù)。傳感器與監(jiān)測裝置之間采用現(xiàn)場總線(CAN總線或RS485總線)實(shí)現(xiàn)通信，充分發(fā)揮了現(xiàn)場總線通訊距離長，可靠性高的優(yōu)勢。監(jiān)測裝置和微機(jī)管理系統(tǒng)之間通過通信系統(tǒng)或PSCADA(電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集)系統(tǒng)的光纖通信通道實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的集成。同時(shí)監(jiān)測裝置還能實(shí)現(xiàn)對(duì)排流柜智能控制器和單向?qū)ㄑb置智能控制器的數(shù)據(jù)通信和控制功能，從而實(shí)現(xiàn)智能排流的目的。

4 大連市202路軌道交通線路延伸工程雜散電流防護(hù)系統(tǒng)的技術(shù)要求及特點(diǎn)

大連市202路軌道交通線路延伸工程線路全長40.38 km，其中山嶺隧道4座。全線共設(shè)14座車站(含6座預(yù)留站)，其中高架車站13座(含6座預(yù)留站)、地下車站1座。大連市為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫10.5℃，極端氣溫最高35.3℃，最低－18.8℃。由于202路線路延伸工程為高架露天工程，因此，對(duì)于部分戶外安裝的設(shè)備如參比電極、傳感器、單向?qū)ㄑb置及其控制器等應(yīng)進(jìn)行防腐蝕、防水、防塵等工藝處理。

考慮到該工程站間距大、主體結(jié)構(gòu)分散等特點(diǎn)，在雜散電流的防護(hù)設(shè)計(jì)中設(shè)置了排流網(wǎng)，在牽引變電所設(shè)置了排流柜，在車輛段設(shè)置了單向?qū)ㄑb置。雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)采用分布式監(jiān)測方案，即:在每一個(gè)供電分區(qū)內(nèi)設(shè)置一個(gè)雜散電流自動(dòng)監(jiān)測的子系統(tǒng)(包括參比電極、傳感器、監(jiān)測裝置和排流柜)，車輛段設(shè)置一個(gè)雜散電流自動(dòng)監(jiān)測子系統(tǒng)(包括監(jiān)測裝置和單向?qū)ㄑb置);每個(gè)子系統(tǒng)的監(jiān)測裝置與牽引變電所內(nèi)的SCADA(監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，通過SCADA系統(tǒng)的通信通道，與設(shè)置在調(diào)度中心的雜散電流監(jiān)控終端通信。雜散電流防護(hù)系統(tǒng)借用SCADA系統(tǒng)通信傳輸通道傳輸信息，在調(diào)度中心設(shè)立雜散電流防護(hù)系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)，負(fù)責(zé)全線測量、控制，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保存、查看、檢索、分析、預(yù)測，以及生成報(bào)表、曲線等功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與原有202路軌道交通線路雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)的接入及一體化集成。

主要設(shè)備的技術(shù)要求及特點(diǎn)如下:

1)排流柜。選用具有極性排流功能的智能排流柜，采用戶內(nèi)安裝方式，安裝于牽引降壓混合變電所中;系統(tǒng)電壓為DC 1 500 V，四路排流支路加一路接地支路;排流支路額定電流設(shè)計(jì)容量為200 A/路，接地支路設(shè)計(jì)容量為400 A，配置保護(hù)和監(jiān)測電路。排流柜設(shè)置排流柜智能控制器，根據(jù)監(jiān)測裝置分析采樣信息。智能控制排流電流的大小和投入排流支路的數(shù)量，在大于排流支路最大排流電流值時(shí)，排流柜將不會(huì)切斷排流回路，但排流控制器將通過相應(yīng)措施，在保證不損壞排流設(shè)備的同時(shí)繼續(xù)排流，同時(shí)將報(bào)警信號(hào)通過通信接口上傳到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心可遠(yuǎn)程監(jiān)控排流柜的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和排流電流的大小。排流柜屏上安裝數(shù)字式LED(發(fā)光二極管)、顯示單元、報(bào)警信號(hào)單元和監(jiān)測裝置。

2)單向?qū)ㄑb置。設(shè)置在車輛段進(jìn)出線與正線間走行軌絕緣結(jié)附近及大庫(停車列檢庫、月檢庫等)出口處，采用戶外安裝方式，要求達(dá)到IP45及以上防護(hù)等級(jí)，極限工作溫度為－35℃ ～55℃。該裝置通過電纜與絕緣結(jié)兩端回流軌相連，使回流軌中電流僅單方向流通，以利于雜散電流防護(hù)并減少雜散電流影響。其內(nèi)除設(shè)置二極管支路外，還設(shè)有隔離開關(guān)和消弧裝置。在特殊運(yùn)營方式下，隔離開關(guān)將絕緣結(jié)兩端回流軌直接與電氣連接;當(dāng)車輛再生制動(dòng)導(dǎo)致單向?qū)ㄑb置附近回流軌電位升高時(shí)，消弧裝置與電氣導(dǎo)通，降低走行軌電位，限制絕緣結(jié)兩端放電并保證回流軌附近人員的安全。單向?qū)ㄑb置中設(shè)置一套智能控制器，實(shí)現(xiàn)電流、電壓數(shù)據(jù)采集，二極管、隔離開關(guān)、消弧裝置狀態(tài)信號(hào)采集，以及智能消弧裝置控制、電動(dòng)隔離開關(guān)控制。智能控制裝置采用RS485接口接入到監(jiān)測裝置。

3)參比電極。采用的氧化鉬參比電極，具有體積小、電位穩(wěn)定、耐振動(dòng)、壽命長、適用于較干燥混凝土結(jié)構(gòu)測試等特點(diǎn)，極化電位波動(dòng)≤30 mV，壽命≥10年。

4)傳感器。智能傳感器主要完成對(duì)參比電極與結(jié)構(gòu)鋼筋(金屬管線)的電位監(jiān)測以及軌道-結(jié)構(gòu)鋼筋的電位監(jiān)測，安裝在沿線各測試點(diǎn)處。測試點(diǎn)和智能傳感器的連接距離不大于10 m。智能傳感器對(duì)參比電極-結(jié)構(gòu)鋼筋電壓、鋼軌-結(jié)構(gòu)鋼筋電壓模擬信號(hào)采樣，并在夜間列車停運(yùn)時(shí)校正本體電位值，經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算，然后由通信接口輸出。在回流系統(tǒng)上，由于機(jī)車位置的變動(dòng)和加減速頻繁，電流的大小及方向隨之頻繁變動(dòng)，從而反應(yīng)在極化電位及軌電位的值也是變動(dòng)的。為保證測量數(shù)據(jù)的可靠性，傳感器的采樣頻率應(yīng)不低于500次/s，并且在就地完成極化電位30 min平均值的計(jì)算后，再將結(jié)果上傳。

5)監(jiān)測裝置。安裝在牽引變電所內(nèi)的監(jiān)測裝置，具有豐富的接口，通過現(xiàn)場總線與傳感器、排流柜通信，完成本區(qū)間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示等處理，并通過以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)傳給雜散電流微機(jī)管理系統(tǒng)。監(jiān)測裝置的主要功能:①實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和歷史數(shù)據(jù)組合查詢;②監(jiān)測參數(shù)的趨勢分析圖和生成報(bào)表;③與SCADA系統(tǒng)通信，上傳重要數(shù)據(jù)和報(bào)警信息;④與雜散電流監(jiān)測微機(jī)管理系統(tǒng)通信，上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)信息;⑤具有設(shè)備配置管理、操作人員權(quán)限管理和幫助系統(tǒng)等功能;⑥對(duì)排流柜的自動(dòng)控制功能。

6)微機(jī)管理系統(tǒng)。由計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、管理軟件操作臺(tái)和UPS(不間斷電源)組成，與監(jiān)測裝置通信，采集并記錄整條線路雜散電流數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析、存儲(chǔ)和打印;可實(shí)時(shí)查詢地鐵沿線雜散電流造成的腐蝕的情況，并分析腐蝕的演化趨勢。該系統(tǒng)通過圖形界面可顯示:①實(shí)時(shí)軌地電位、極化電位實(shí)時(shí)值;②軌地電位電壓分布;③結(jié)構(gòu)鋼筋對(duì)參比電極的自然本體電位;④極化電壓最大值、正向平均值、負(fù)向平均值、最小值;⑤信息報(bào)警，在設(shè)定上、下限后，根據(jù)測量值和計(jì)算值進(jìn)行信息報(bào)警。微機(jī)管理系統(tǒng)軟件支持B/S系統(tǒng)架構(gòu)，具有WEB發(fā)布功能，便攜式計(jì)算機(jī)、平板電腦等終端可通過IE瀏覽器實(shí)時(shí)查詢雜散電流信息。

7)便攜式監(jiān)測分析儀。由電源及電池模塊、采樣分析模塊、存儲(chǔ)模塊、通信及人機(jī)接口模塊組成，主要用于對(duì)傳感器采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，評(píng)估傳感器精度和故障狀態(tài)。在沒有安裝固定監(jiān)測裝置的場所，可使用本裝置對(duì)雜散電流進(jìn)行監(jiān)測;傳感器故障時(shí)用于臨時(shí)測量與判斷某一位置的腐蝕情況。便攜式監(jiān)測分析儀自帶鋰電池，充電完成可支持15 h以上工作時(shí)間，可實(shí)時(shí)監(jiān)測軌電位、本體電位、極化電位等技術(shù)參數(shù)，同時(shí)進(jìn)行各種30 min平均值計(jì)算與分析。該儀器采用抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP67。

5 結(jié)語

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，極大地推動(dòng)了雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)向著集中管理方向發(fā)展，能夠更實(shí)時(shí)、更直觀、更有效地對(duì)雜散電流進(jìn)行監(jiān)控和防護(hù)，使城市軌道交通工程對(duì)周邊金屬管線、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕和破壞處于一種可監(jiān)控、可預(yù)防的狀態(tài)中，能夠有效地保障了人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。

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