江麗，徐路平

（湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，湖南衡陽(yáng)，421002）

分布式雜散電流監(jiān)測(cè)防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

江麗，徐路平

（湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，湖南衡陽(yáng)，421002）

設(shè)計(jì)基于城市軌道交通供電系統(tǒng)的組成、探討雜散電流的成因、分析其腐蝕危害機(jī)理；設(shè)計(jì)出一個(gè)單相導(dǎo)通裝置及放電間隙控制雜散電流的影響范圍，實(shí)現(xiàn)排流二極管支路的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制系統(tǒng)完成對(duì)雜散電流的防護(hù)與監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了分布式雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，找到新型解決途徑避免或減少其危害，保障城市軌道交通的安全及正常運(yùn)營(yíng)。

分布式雜散電流；智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

0 引言

目前我國(guó)軌道交通的牽引方式多采用直流供電牽引,電壓多為直流750V和1500V。在直流供電牽引系統(tǒng)中,列車所需電流都來(lái)源于牽引變電所,通過(guò)接觸網(wǎng)(架空線或接觸軌)向電客車送電,然后經(jīng)剛軌回流至牽引變電所的負(fù)極回流母線。由于鋼軌的絕緣材料埋在地下,不可能做到完全絕緣,其絕緣水平隨時(shí)間的延長(zhǎng)將會(huì)逐漸下降,不可避免地將造成部分電流不從鋼軌回流,而是通過(guò)沿線的道床鋼筋、隧道、等混凝土內(nèi)部鋼筋或土壤回流到牽引變電所，甚至不回流而散入大地這一部分電流就是雜散電流[1]。也叫迷流。

圖1 軌道交通牽引示意圖

如圖1所示I 1 和 I 2 為變電所供電電流，分別為一個(gè)供電區(qū)間兩個(gè)牽引變電所向機(jī)車提供的電流， I 3 和 I 4 為回流電流，分別為通過(guò)走行軌向兩個(gè)牽引變電所回流的電流，I21 和I 22 分別為泄露到地下的雜散電流。

1 雜散電流的成因及影響

雜散電流產(chǎn)生的原因很多也很復(fù)雜，并且容易受到外界環(huán)境因素的影響，但主要可以歸納為以下兩點(diǎn)。

（1）電位梯度。如果電場(chǎng)分布不均勻，存在電位梯度，那么金屬內(nèi)部的自由電子會(huì)在電場(chǎng)力的作用下就會(huì)發(fā)生定向移動(dòng)，電荷的定向移動(dòng)就形成了電流。另外由于存在著電位梯度，電場(chǎng)會(huì)迫使部分電流從鐵軌中流出并流入土壤和埋地金屬管線中，然后再使電流從埋地金屬物中流出，流向大地再返回到牽引變電所的負(fù)極，形成對(duì)埋地管線的雜散電流腐蝕。

（2）電流泄露。電流泄露是雜散電流形成的一個(gè)主要原因，電流泄露主要是因?yàn)榻^緣不良或接觸不好等原因造成的。電流泄露到埋地管道中時(shí)，由于電流的流動(dòng)迫使金屬內(nèi)部的自由電子發(fā)生定向移動(dòng)，使金屬離子與電子分離，使得埋地金屬管線遭受腐蝕。

雜散電流會(huì)引起地鐵設(shè)施、 地鐵附近的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物以及埋地管線發(fā)生腐蝕，造成嚴(yán)重后果。

1)鋼軌及其附件

在列車下部，列車處于陽(yáng)極區(qū)，容易發(fā)生電蝕。資料表明，鋼軌的雜散電流腐蝕在隧道內(nèi)道岔處更為嚴(yán)重，在有些地方 2—3年鋼軌就出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕。道釘也有雜散電流腐蝕現(xiàn)象，而且多發(fā)生在釘入部位，從地上難以發(fā)現(xiàn)。

2)鋼筋混凝土金屬結(jié)構(gòu)物

3)埋地管線腐蝕

石油管線、蒸汽管線等，在系統(tǒng)外則可能有煤氣管線、石油管線、自來(lái)水管線等公用事業(yè)管線以及各種電纜管線等。 據(jù)調(diào)查這些管線不同程度地存在雜散電流腐蝕問(wèn)題。在設(shè)計(jì)和建設(shè)地鐵時(shí)，不考慮此問(wèn)題會(huì)產(chǎn)生極嚴(yán)重的后果[2]。

4)異常腐蝕

在把線路引入修理庫(kù)、交檢庫(kù)及運(yùn)轉(zhuǎn)庫(kù)等建筑物時(shí)，如果絕緣施工不良，就會(huì)使鋼軌與建筑物在電氣上聯(lián)通，從而使泄漏電流增大，產(chǎn)生較強(qiáng)的雜散電流腐蝕。

5) 造成人身觸電

地鐵軌道為長(zhǎng)軌，是由多節(jié)軌道焊接而成，因此軌道接縫電阻值較大，而使軌道與結(jié)構(gòu)鋼之間的電位差增加，如果軌道接縫處開(kāi)焊，軌道接縫電阻更大，這使軌道與結(jié)構(gòu)鋼之間的電位差更高。在站臺(tái)上，地鐵乘客手腳之間的電位差為ΔV，當(dāng)這個(gè)電位差達(dá)到一定值時(shí)，人就有觸電死亡的危險(xiǎn)。

6) 影響通信

雜散電流除腐蝕地下管線外，還會(huì)在接地的通信設(shè)備機(jī)架上形成高電位，危及設(shè)備和人員的安全， 雜散電流使通信導(dǎo)線與附近大地形成電位差。 受電弓產(chǎn)生的電猝發(fā)與浪涌成為城市雜波的重要組成部分，對(duì)附近的信息設(shè)備和精密儀器造成干擾，接觸導(dǎo)線還是車輛內(nèi)高次諧波的發(fā)射天線，幅射污染了近距離的電磁環(huán)境[3]。

2 雜散電流的腐蝕原理

電化學(xué)腐蝕——金屬在電解質(zhì)溶液中發(fā)生電化學(xué)作用所引起的破壞。

圖2 雜散電流走勢(shì)圖

電化學(xué)腐蝕發(fā)生的條件：

（1）必須有陰極和陽(yáng)極。

（2）陰極和陽(yáng)極之間必須有電位差。

（3）陰極和陽(yáng)極之間必須有金屬的電流通道。

（4）陰極和陽(yáng)極必須浸在電解質(zhì)中，該電解質(zhì)中有流動(dòng)的自由離子。

當(dāng)雜散電流從走行軌泄露出去再通過(guò)道床、大地流入埋地金屬管線中，其中走行軌的A區(qū)是陽(yáng)極，管道的B區(qū)為陰極；當(dāng)雜散電路從管道中流出并通過(guò)大地、道床流入走行軌中時(shí)，管道的C區(qū)為陽(yáng)極，走行軌的D區(qū)為陰極。由此可知，雜散電流所經(jīng)過(guò)的通路實(shí)質(zhì)上就是構(gòu)成了兩個(gè)串聯(lián)的腐蝕電池。如圖2所示。

3 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的雜散電流監(jiān)測(cè)方案

3.1 利用排流柜監(jiān)測(cè)

排流柜安裝在牽引變電所內(nèi)，所采集的數(shù)據(jù)是回流點(diǎn)處的數(shù)據(jù)。缺點(diǎn)：功能單一：只能反映回流點(diǎn)的雜散電流情況，不能反映全線路的雜散電流分布情況及危害程度。

3.2 分散式雜散電流監(jiān)測(cè)

天津地鐵一號(hào)線、南京地鐵一號(hào)線均采用了分散式雜散電流監(jiān)測(cè)模式，該系統(tǒng)由參考電極、信號(hào)盒、信號(hào)測(cè)量電纜、測(cè)試箱、綜合測(cè)試裝置和微機(jī)管理系統(tǒng)組成。 缺點(diǎn)：監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量導(dǎo)線的截面積不應(yīng)小于2.5mm2，長(zhǎng)度不宜超過(guò)10m。因此，利用該方法監(jiān)測(cè)，軌道交通沿線必須敷設(shè)大量的電纜，這樣不僅荷載增加 (對(duì)高架區(qū)段 )，而且有礙美觀，造成不必要的浪費(fèi)[4]。

3.3 集中式雜散電流監(jiān)測(cè)

圖3 分布式雜散電流監(jiān)測(cè)圖

廣州地鐵、武漢輕軌、深圳地鐵、上海明珠線北延伸等均采用了集中式雜散電流監(jiān)測(cè)模式，該系統(tǒng)由參考電極、傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)接器、監(jiān)測(cè)裝置、微機(jī)管理系統(tǒng)組成。特點(diǎn)：集中式雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)智能化程度較高，所測(cè)數(shù)據(jù)精確度也較高。但擴(kuò)展性差，監(jiān)測(cè)范圍受通信距離的限制最遠(yuǎn)只能達(dá)到20公里，不能滿足現(xiàn)代地鐵建設(shè)里程的要求，并且在地鐵線延長(zhǎng)時(shí)，無(wú)法進(jìn)行系統(tǒng)的擴(kuò)展。

3.4 分布式雜散電流監(jiān)測(cè)

上海軌道交通9號(hào)線、北京地鐵1、2號(hào)線采用了分布式雜散電流監(jiān)測(cè)模式，該系統(tǒng)由傳感器、監(jiān)測(cè)裝置、微機(jī)管理系統(tǒng)組成[5]。原理如圖3所示。

按供電分區(qū)監(jiān)測(cè)，集中管理。在每個(gè)供電分區(qū)內(nèi)設(shè)置一個(gè)子系統(tǒng)（包括傳感器、監(jiān)測(cè)裝置和排流柜），車輛段設(shè)置一個(gè)子系統(tǒng)（包括監(jiān)測(cè)裝置和單向?qū)ㄑb置），每個(gè)子系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)裝置與所內(nèi)的SCADA聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)SCADA通信通道，與設(shè)置在監(jiān)控中心的雜散電流監(jiān)控主機(jī)通信。

4 分布式雜散電流監(jiān)測(cè)防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

雜散電流防護(hù)系統(tǒng)借用SCADA通信傳輸通道，自成系統(tǒng)，對(duì)全線極化電位、接觸電壓、過(guò)渡電阻等雜散電流危險(xiǎn)性指標(biāo)的監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保存、查看、檢索、報(bào)表、曲線、分析、預(yù)測(cè)等功能。

極柜的負(fù)母排與雜散電流防護(hù)收集網(wǎng)之間的雜散電流排流二極管支路是排流柜的主要工作電路。每個(gè)二極管支路由二極管、熔斷器、分流器和變阻器串聯(lián)組成，每個(gè)回路并聯(lián)一個(gè)RC回路，以抑制過(guò)電壓[6]。主回路的主體為一硅二極管，另配以保護(hù)和檢測(cè)電路，排流柜的控制由一單片機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)控制，可以采集排流柜的工作電壓和工作電流以及主回路的故障狀態(tài)，通過(guò)RS485接口遠(yuǎn)傳到雜散電流自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)中，在控制室可實(shí)時(shí)觀察排流柜的工作情況[7]。

圖5 分布式雜散電流檢測(cè)系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)框圖

圖6 單向排流硬件設(shè)計(jì)原理圖

單向?qū)ㄑb置由二極管回路、隔離開(kāi)關(guān)回路和放電間隙裝置等3個(gè)電路并聯(lián)組成，用電纜連接絕緣節(jié)兩端的鋼軌。正常工作時(shí)，隔離開(kāi)關(guān)開(kāi)路，二極管回路工作，使鋼軌電流在一個(gè)方向?qū)?，而在另一個(gè)方向截止，有效防止因部分鋼軌絕緣水平較差而增加整個(gè)軌道交通雜散電流的數(shù)量。當(dāng)列車在停車場(chǎng)和列檢庫(kù)位置緊急制動(dòng)時(shí)，首先采用再生方式。如果沒(méi)有其他機(jī)車吸收產(chǎn)生的再生電流，絕緣節(jié)兩端鋼軌電壓升高到一定值時(shí)(1000V)，放電間隙擊穿放電(見(jiàn)圖6)，回路R-M1-M2-CP-P內(nèi)有電流流過(guò)，鋼軌電位降低，可避免人身傷害事故的發(fā)生[8]。當(dāng)回路R-M1-M2-CP-P電流值達(dá)到200A時(shí)，由于M1和M2線圈的共同動(dòng)作使旁路開(kāi)關(guān)閉合，R-M1-K-P回路接通，當(dāng)M1中流過(guò)的電流減少到50A以下時(shí)，M1電磁力不足以保持旁路開(kāi)關(guān)閉合，旁路開(kāi)關(guān)打開(kāi)。裝置內(nèi)設(shè)有隔離開(kāi)關(guān)在二極管回路故障時(shí)，用隔離開(kāi)關(guān)回路直接連通軌道絕緣節(jié)兩端鋼軌，使列車能正常運(yùn)行[9]。

[1]李學(xué)武等，《 城市軌道交通供電》，中國(guó)鐵道出版社，2009.

[2]李威，《地鐵雜散電流的監(jiān)測(cè)與防治》，2003.

[3]唐潔，《淺談地鐵雜散電流的監(jiān)測(cè)與防護(hù)系統(tǒng)》，上海電器技術(shù)，2007.

[4]郝衛(wèi)國(guó)，《城市軌道交通雜散電流的防護(hù)》，城市軌道交通研究，2004.

[5]于小四，《城市軌道交通供電系統(tǒng)安裝技術(shù)手冊(cè)》，中國(guó)鐵道出版社，2012.

[6]秦治國(guó)，《地鐵雜散電流分布與監(jiān)測(cè)防護(hù)系統(tǒng)的研究》，碩博學(xué)位論文2011年.

[7]張艷麗，《地鐵雜散電流腐蝕機(jī)理以及防護(hù)措施研究》，電氣化鐵道，2009.

[8]潘運(yùn)濤，《雜散電流的計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 》，碩博學(xué)位論文，2008年.

[9]朱孝信，《地鐵的雜散電流腐蝕與防治》材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，1997年.

Design of distributed stray current monitoring and protection system

Jiang Li,Xu Luping
(Department of mechanical and electrical engineering Career Technical College , Hengyang Hunan,421002)

The design of power supply system of city rail transit based on the genesis of the stray current, the analysis of corrosion damage mechanism; design a single-phase conduction effect device and discharge gap control of stray current, realize the design of drainage diodes, and the microcontroller control system to complete the protection and monitoring of the stray current. The design of distributed monitoring system of stray current, find new ways to avoid or reduce the harm, to ensure the safety and normal operation of city rail transportation.

stray current distributed;intelligent monitoring system