地铁杂散电流防护体系研究：保障地铁安全运行的关键探索
《地铁杂散电流防护体系研究》
地铁杂散电流可能会对地铁设施及周边环境造成诸多危害，如腐蚀地下金属结构等。该研究首先深入分析杂散电流的产生机制，主要源于直流牵引供电系统。在防护体系构建方面，从多个关键层面着手。一是采用绝缘安装，减少电流泄漏路径。二是设置合理的排流网，有效收集杂散电流。监测系统也是重要部分，通过高精度传感器实时监测杂散电流的大小、方向等参数。研究还注重整体防护体系的协同性，将各种防护措施整合优化，确保地铁运行安全，保护地下金属构建物的耐久性，延长地铁设施使用寿命。
摘 要 通过对地铁直流供电系统杂散电流的形成、危害及传统排流法防护体系的分析,针对排流法防护体系中存在的问题,提出了新型的泄漏电缆 等电位连接法防护改进体系。（参考《建筑中文网》）
关键词 杂散电流 排流柜 泄漏电缆 等电位连接
1 引言
随着科学技术和城市化的发展,大运量的地铁交通在现代化大城市中起着越来越重要的作用,地铁已经成为各国经济发展和改善人民生活的一个不可分割的部分。
目前我国地铁的牵引方式多采用直流供电牵引,电压多为直流750V和1500V,直流供电系统中的杂散电流将加速地下金属构件的腐蚀。因此必须认真研究杂散电流的危害机理,结合传统的杂散电流防护体系,逐步加以修正完善,确保地铁设施的长期安全运行。
2 杂散电流的形成及危害
2.1 杂散电流的形成
直流供电牵引系统中,列车所需电流由牵引变电所提供,通过接触网(架空线或接触轨)向列车送电,然后经走行轨回流至牵引变电所。由于钢轨的绝缘材料埋在地下,不可能做到完全绝缘,并且随着时间的推移,其绝缘水平将会逐渐下降,不可避免地将造成部分电流不从钢轨回流,而是通过沿线的道床钢筋、隧道、高架桥或建筑物的结构钢筋或土壤回流到牵引变电所,这一部分电流就是杂散电流,杂散电流的形成如图1所示。
2.2 杂散电流的危害
杂散电流的危害主要是它对埋在土壤中的金属的电化学腐蚀,其腐蚀过程简单描述如下。
(1)析氢腐蚀
阳极:2Fe→ 2Fe2 4e-
阴极:4H 4e- →2H2↑ (无氧酸性环境)
4H2O 4e- →4OH- 2H2↑ (无氧环境)
(2)吸氢腐蚀
阳极:2Fe→ 2Fe2 4e-
阴极:O2 2H2O 4e- →4OH-(有氧碱性环境)
据文献[1],每安培杂散电流每年腐蚀掉的金属见表1。
在我国早期建成的地铁(北京地铁、天津地铁)中,杂散电流已造成主体结构发生严重腐蚀、隧道内水管腐蚀穿孔等现象。
3 排流法杂散电流防护体系组成及存在的问题
3.1 排流法杂散电流防护体系组成
排流法杂散电流防护体系由2部分组成:一部分是利用钢轨的整体道床结构钢筋连接在一起,作为主杂散电流收集网;另一部分是由隧道、高架桥和车站的结构钢筋连接在一起,组成辅助杂散电流收集网。这两部分杂散电流收集网互不相连,仅在牵引变电所处分别通过排流柜回到整流器的负极,如图2所示。
3.2 排流法杂散电流防护体系存在的问题
虽然从理论上分析排流法可以起到预防杂散电流对结构钢筋的腐蚀,但排流法有其无法克服的缺点:首先,它将使钢轨的电位抬高。如果在牵引变电所处没有安装汇流二极管,则钢轨的电位是悬浮的。列车所在的位置钢轨电位应该为正,在变电所位置钢轨电位(也即负母排的电位)为负。由于在变电所处设置了汇流二极管(排流柜),则在变电所位置,原来负母排的负电位被强行拉到了地电位,而随着列车距变电所距离的增加,钢轨的电位呈直线上升,从而因钢轨纵向电压的钳制作用使得两牵引所间钢轨的最高对地电位增加了一倍,如图3所示。
其次,排流法人为增大了杂散电流。从上面的分析我们已知,由于在变电所位置安装汇流二极管将使两牵引所间钢轨的最高对地电位增加,则杂散电流的总量也将相应增加。杂散电流增加太多,对区间的钢筋的腐蚀量将上升,尤其在排流柜接电缆的地方腐蚀更为严重。
4 泄漏电缆 等电位连接法杂散电流防护改进体系泄漏电缆 等电位连接法防护体系完全克服了排流法的缺点,其系统组成示意图如图4。
泄漏电缆 等电位连接法防护体系实施要点:
(1)沿地铁全线安装1条杂散电流泄漏电缆(简称泄漏电缆)。为了避免潮湿的土壤环境加速对泄漏电缆的电化学腐蚀,也为了便于更换维护,建议将此接地线悬空安装在隧道壁上。
(2)建立起等电位连接的结构地系统。将沿线所有的钢轨道床钢筋、隧道的结构钢筋、架空接触网的支柱、乘客站建筑物结构钢筋、信号地、电缆屏蔽层、变电所交流设备的外壳全部连接到该接地线上,形成一个整体等电位连接的结构地系统。
5 2种防护体系的杂散电流分布情况对比分析
在具有排流网的地铁结构杂散电流分布数学模型推导过程中,做以下假定:
(1)走行轨的纵向电阻是均匀分布的;
(2)轨道对排流网的过渡电阻和土壤电阻是均匀分布的;
(3)排流网电阻是均匀分布的;
(4)排流网对结构钢的过渡电阻是均匀分布的;
(5)馈电线路的阻抗忽略不计。
5.1 排流法杂散电流分布
轨道—排流网—埋地金属—大地的电阻分布网络如图5所示。由图5所示分布网络,根据文献[2],电压和电流分布矩阵形式见式(1)。
5.2 泄漏电缆 等电位连接法防护体系杂散电流分布
采用泄漏电缆 等电位连接法防护体系相当于为杂散电流提供了一条低值的金属等电位通道,显然,其将大大减少流入钢轨道床钢筋、地下结构钢筋中的杂散电流,从而起到了减少杂散电流腐蚀影响的作用。
6 结束语
从以上分析可知,采用泄漏电缆 等电位连接法防护体系克服了排流法的缺点,同时可大大减少杂散电流对地下金属构件的腐蚀。当然,泄漏电缆 等电位连接法防护体系和排流法相比,由于增加了泄漏电缆的安装,将增加地铁杂散电流防护体系初期的投入,但相对于其在杂散电流防护方面的优点,从长期效益考虑,泄漏电缆 等电位连接法防护体系仍然为1种比较好的防护体系,值得在地铁供电系统中加以推广。
参考文献
1克·格.马尔克瓦尔德著.铁道部基建总局编译组译.铁路供电手册.北京:中国铁道出版社,2001
2李威.地铁杂散电流腐蚀监测及防护技术.北京:中国矿业大学出版社,2004
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200808/9007.htm