上海軌道交通9號線雜散電流的監測與防護

楊 西

(上海地鐵維護保障中心供電分公司,200233,上海∥助理工程師)

為了合理地解決地鐵雜散電流的腐蝕防護問題,有效地限制地鐵雜散電流,降低并消除其不利影響,越來越多的新建地鐵線路采用了各種方式,對雜散電流進行監測和防護。本文在已投入運營的上海軌道交通9號線的基礎上,結合參與運營維護管理的經驗,探討了地鐵雜散電流的監測與防護系統。

1 雜散電流的防護與控制

1.1 減少雜散電流的方法

從雜散電流產生的原因可以得到治理的方向,即按照“堵,排,限”的思路。

“堵”,即減少雜散電流產生量。適當限制供電區段長度,減小走行軌電位,設置走行軌均流線和走行軌電位限制器以降低走行軌電位,可減少雜散電流。

“排”,即設置雜散電流收集網,逐層屏蔽。利用道床內的結構鋼筋和隧道結構鋼筋,形成二道屏蔽網,既保護自身免受腐蝕,又防止雜散電流向道床和隧道外部漏泄。另外,可在牽引變電所內設置排流裝置,構成排流通路。

“限”,即限制雜散電流。對于車輛段走行軌,道床的泄漏電阻較低,雜散電流較大的區段可設置單向導通裝置,限制雜散電流的擴散。對于隧道內的金屬管線和其他金屬設施,可采取材質選擇和對地絕緣等措施,限制雜散電流向其漏泄。

1.2 雜散電流的防護措施

牽引回流系統主要由走行軌、負回流線、上下行均流線等組成。通過理論公式和工程實踐都已證明:抑制雜散電流首先要保持牽引回流回路的暢通,減小回路電阻;同時應設法盡量增加走行軌與道床的過渡電阻。為此主要采取確保牽引回流系統暢通并降低鋼軌電位、增大鋼軌泄漏電阻、控制雜散電流的流通路徑、設置排流柜及單向導通裝置等措施。本文將重點探討上海軌道交通9號線所使用的智能排流柜及單向導通裝置實時監測并防護雜散電流。

2 智能排流柜及單向導通裝置

排流柜安裝在牽引變電所內,接于牽引站1 500 V直流負極與大地集流網之間。排流柜采用極性排流的原理,只有當埋地結構鋼相對于鋼軌的電位為正時,才有電流通過,從而減少雜散電流的腐蝕。排流柜的二極管起了限制電流方向的作用,使電流方向始終是由集流網流向牽引站的直流母線。這樣就起到了收集散失電流的目的,即排走了流入大地的電流。

排流網是由縱橫交錯按一定距離間隔由金屬件構成的立體網,安裝于道床的下方,從走行軌同流走失的電流能通過排流網流回牽引站的負母線。排流柜的示意圖如圖1所示。

而單向導通裝置,則是在地鐵走行軌系統中軌道的某些特殊地段設置單獨的絕緣接頭。其目的是盡量減少雜散電流的存在與作用范圍,從而減少雜散電流腐蝕。在采用絕緣接頭的鋼軌部位,為保證回流電流的正常流動,必須采用單向導通裝置,用于連接絕緣接頭兩端鋼軌,使鋼軌中電流只流通一個方向,而在另一個方向截止。

圖1 排流柜示意圖

隨著地鐵運營自動化程度的提高,單向導通裝置內設置的數據采集控制及遠程通信系統可實時檢測系統的運行狀態;并且具有遠端通信接口,可連接到控制信號盤的通信網絡上,在監測系統的主控機上實時觀測單向導通裝置的運行情況,以便在發生故障時及時處理。

3 雜散電流的監測

為掌握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。雜散電流測量點一般設置在地鐵車站站臺兩側的進出站信號附近,以及地鐵沿線橋梁兩段、地鐵的盡頭線和線路與車輛段的連接坡道處。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。

而9號線則是目前上海軌道交通中首次使用雜散電流實時監測系統的地鐵線路,其監控系統對雜散電流的防護起了很大的作用。

3.1 雜散電流的監測模式

上海軌道交通9號線采用分布式雜散電流監測模式。該系統由參比電極、傳感器、監測裝置、微機管理系統等組成。該系統既設有中央監控計算機,能對全線的雜散電流進行集中監控,同時監測裝置之間也能借助變電所SCADA(電力監控)的通信通道直接進行數據交換。雜散電流監測模式如圖2所示。

智能監測裝置同信號轉接器與傳感器進行通信聯絡,接收傳感器上傳的各種數據和信號;同時完成沿線每一供電區間的鋼軌與道床排流網、鋼軌與隧道結構排流網間過渡電阻的測量計算,并把傳感器的信號測量計算值實時傳遞到監測中心計算機系統;并通過智能型轉接器向所連接的傳感器發布校正本體電位命令,上位機根據結構鋼筋極化電壓的情況,向牽引變電所內的智能排流柜發布分合控制命令。

圖2 雜散電流監測模式圖

3.2 雜散電流的監測內容

3.2.1 結構鋼筋極化電壓正向偏移平均值

地鐵軌道泄漏出來的雜散電流能否引起隧道結構鋼筋的腐蝕,以雜散電流引起結構鋼筋的電壓極化電壓偏移值來確定。《地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程》(CJJ 49—92)中規定:對于鋼筋混凝土地鐵主體結構的鋼筋,極化電壓30 min內的正向偏移平均值不得超過500 mV。這也是設計地鐵監測系統的依據。

3.2.2 參比電極的本體電位

參比電極用于測量結構鋼的極化電位。但是參比電極的本體電位會隨著時間的增加而下降,當下降到一定值時會影響到測量的精度,因此監測參比電極的本體電位很有必要。

3.2.3 鋼軌對結構鋼的電壓值

地鐵軌道與站臺間(鋼軌與結構鋼間)有時會出現異常電壓。為了保護乘客和工作人員的安全,免遭鋼軌與結構鋼間接觸電壓的傷害,根據標準VDE 0115第一部分所規定:軌道與結構鋼間的電位差(接觸電壓)不得超過92 V。另外,根據鋼軌對結構鋼的電壓值,可以了解鋼軌的運行狀態,判斷鋼軌有無裂縫。

3.2.4 軌道對結構鋼的過渡電阻值

軌道與結構鋼的過渡電阻值是考查軌道絕緣的一個很重要的參數。在《地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程》中明確規定:地鐵走行軌與隧洞主體結構鋼之間的過渡電阻不應小于15 Ω·km。如果軌道與排流網接地,過渡電阻為零。監測系統能夠每天監測這個數據,以保證地鐵的安全運行。

4 結語

為減少及防止雜散電流所造成的影響,上海軌道交通9號線主要采用了以下防護方法:保證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等。同時使用先進的在線監測系統,能夠實時監測極化電壓、接觸電壓、參比電極的自然本體電位、過渡電阻等相關數據;并且設有中央監控計算機,能對全線的雜散電流進行集中監控;監測裝置之間也能借助變電所SCADA(電力監控)的通信通道直接進行數據交換。監測系統除了能進行相關命令數據的上傳下發外,還能與智能排流柜通信,可控制智能排流柜的自動排流,實現數字化控制。

目前9號線的雜散電流監測系統,雖然能實時監測相關數據,并根據采集到的數據進行分析判斷,從而控制并減少雜散電流的產生,但是其數據采集裝置末端的參比電極卻可能因為施工原因或隧道區間內滲漏水等環境因素的影響,導致上傳至傳感器的數據不準確;而隧道區間內眾多傳感器的日常維護保養也是一個不小的難題。這些都將直接影響控制中心監控人員對運行線路中雜散電流危害大小的判斷。這也可能是今后雜散電流實時監測系統的改進之處。

然而雜散電流的防治是一個多工種、多專業協調配合的工作,它不僅涉及到供電專業,也涉及到土建結構、管道等專業。因此,無論在設計、施工和運營維護中,各個專業的協調配合是做好雜散電流防護的必要前提。

本文只是粗淺地對上海軌道交通9號線所采用的雜散電流監測防護措施進行了探討。對于雜散電流的防護,目前不會只采用單一的方法,通常會采用多種監測防護措施,以求達到最佳的效果。

[1]馬洪儒,張佩春,包國興,等.地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程[M].北京:科學技術出版社,1993.

[2]朱孝信.地鐵的雜散電流腐蝕與防護[J].材料開發與應用,1997,12(2):15.

[3]李威.地鐵雜散電流腐蝕監測及防護技術[M].徐州:中國礦業大學出版社,2004.

[4]謝偉梁,郭建立.雜散電流防護系統的改造[J].城市軌道交通研究,2008(10):33.

[5]梁成浩.雜散電流腐蝕與防護[J].化工腐蝕與防護,1994,4(3):9.