监测与排流

一、地铁线路防止杂散电流腐蚀的措施

地铁线路杂散电流的防护是一项系统工程，杂散电流防护系统坚持“以堵为主，以排为辅；堵排结合，加强监测”的原则，采取系列防护措施，合理采用先进的技术手段，使综合防治效果达到现行国内和国际有关标准的要求。

（1）堵

让回流轨中的电流全部流回牵引变电所的负极，而不能向地下泄漏，即在回流轨与地之间采取有效的绝缘。控制和减小杂散电流产生的根源，隔离所有可能的杂散电流泄漏途径，俗称“堵”。

（2）测

通过与排流网电气连接的测防端子和走行轨来监测杂散电流大小，以便超标时及时采取措施，俗称“测”。

（3）排

将回流轨中部分向外泄漏的电流，以某种渠道将其引回变电所的负极，即设置合理的排流网结构，为杂散电流提供一条畅通的低电阻通路，俗称“排”。

在直流牵引供电系统中，对杂散电流的防护原则是：寓防于“测”，以“堵”为主，“堵”、“排”结合。若“堵”未处理好，那么“排”与“测”仅是无奈之举；而在先期的防护措施逐渐失效而造成大量杂散电流时，“测”和“排”又起着关键作用。

正因如此，首先应采取能从源头上根本控制和减小杂散电流，即“堵”的方法。

1．“堵”——源控制法

根据实践经验和杂散电流的估算公式：杂散电流值与用电列车和牵引供电变电所的距离的平方成正比，与回流走行轨的纵向电阻成正比，与牵引电流成正比，与轨道对结构钢的过渡电阻成反比。杂散电流“堵”防护方法有：

（1）提高牵引网压

目前我国地铁牵引供电系统中，供电电压主要有750 V和1 500 V，采用1 500 V电压牵引供电就比采用750 V电压牵引供电产生的杂散电流小。

（2）合理设置变电所

杂散电流值和列车取流距离（列车和牵引供电变电所的距离）的平方成正比，因此牵引变电所设置距离不宜过长，美国波特兰轻轨系统变电所之间的平均距离减少到了1.8 km，这是现代轻轨系统中最短的距离。

（3）回流走行轨降阻

走行轨电阻较大时，回流电流在其上流过时产生的电压降也大，使钢轨对地的电位差也增大，从而增加了泄漏的杂散电流，为此必须设法降低走行轨的电阻值。

降低走行轨电阻值的具体措施包括：在防护设计中选用电阻率低的材料，增大钢轨横截面积，将短钢轨焊接成长钢轨，其接头之间的电阻值应低于长为5 m的回流轨的电阻值。美国波特兰轻轨系统采取的办法是使用规格为54 kg的工字钢轨，从而增大了其横截面积，而且使用了连续焊接的钢轨，从根本上消除了钢轨接头引起的纵向电阻。

现在一般利用长轨（L >100 m）和加设电缆（一般使用铜芯绝缘线）的方法连接两段回流轨来减小轨道接缝电阻，焊接至钢轨的电缆或铜芯绝缘线的电阻应满足接头标准电阻的范围，满足牵引电流通过时温升的要求，焊至钢轨铜芯绝缘线散热性好，可长时间通过大电流，其工作是稳定、可靠的；走行轨和道床之间应采用点支撑敷设，减少钢轨与道床的接触面；可在正线区间相隔400～500 m设铜芯绝缘均流线（必要时设置加强线）与牵引变电所负极相连来降低回流通路电阻，为杂散电流提供一条低电阻通路，以达到最大限度地减小杂散电流的目的。

（4）回流走行轨采用绝缘安装

走行轨绝缘的性能的好坏，也就是轨地过渡电阻值的大小，是决定杂散电流大小的最主要原因。因此，钢轨与轨枕之间采用绝缘连接，对整体道床也要采取相应措施。

① 钢轨与轨枕之间的绝缘措施。

《地下铁道杂散电流腐蚀防护技术规程（CJJ—92）》（以下简称《规程》）中规定：新建线路的走行轨与区间隧道主体结构之间的过渡电阻值不应小于15 Ω/km，对于运行线路不应小于3 Ω/km。走行轨与混凝土轨枕之间、紧固螺栓与混凝土轨枕之间、扣件与混凝土轨枕之间以及钢轨与扣件之间均要加强绝缘措施。钢轨与扣件之间的绝缘体长、宽要达到一定要求，使每公里走行轨对杂散电流收集网的泄漏电阻值大于10 Ω。轨道固定道钉应采用高强度玻璃钢绝缘套管，其绝缘电阻应大于4 MΩ。

普通绝缘轨枕的钢轨和轨枕连接示意如图7.3所示，绝缘轨垫使钢轨与带绝缘套管的U型弹条之间绝缘，橡胶垫板使钢轨与铁垫板之间绝缘，螺纹道钉玻璃管底部由一橡胶塞堵住，在新建线路中，这些措施能较好满足钢轨与轨枕绝缘连接的要求，因而得到广泛应用。

图7.3　普通绝缘轨枕的钢轨与轨枕连接平剖面图
1—绝缘缓冲垫板；2—铁垫板；3—复合胶垫；4—带绝缘套的V型弹条；5—T型螺栓；
6—轨下调高垫板；7—锚固螺栓；8—铁垫板下调高垫板；
9—螺旋钢箍；10—预埋绝缘套管

一条新建成的城市轨道交通线路，在运行一段时间之后，轨道绝缘会在不同程度上遭受潮湿、漏水、油污、导电粉尘和受力破坏等侵袭，使原来良好的轨与主体结构的绝缘程度降低、老化或失效。为此可采用带绝缘靴套的新型轨绝缘方案，如图7.4所示。该方案用绝缘靴套将钢轨完全与轨枕隔离，可完全杜绝杂散电流的产生，弥补了图7.3方案的不足，从源头上对杂散电流进行了良好的控制。绝缘靴套若有损坏，更换起来亦比较方便。

图7.4　带绝缘靴套的绝缘轨枕
1—绝缘缓冲垫板；2—铁垫板；3—复合胶垫；4—带绝缘套的V型弹条；
5—T型螺栓；6—新型绝缘护套；7—锚固螺栓；
8—螺旋钢箍；9—预埋绝缘套管

另外，为防止因导电粉尘和潮湿混凝土轨枕形成的杂散电流通路对主体结构造成危害，亦可采用带整体玻璃钢（或其他绝缘材料）衬套的新一代绝缘轨枕，如图7.5所示。

图7.5　带整体玻璃钢（或其他绝缘材料）衬套的绝缘轨枕
1—绝缘缓冲垫板；2—铁垫板；3—复合胶垫；4—带绝缘套的V型弹条；
5—T型螺栓；6—轨下调高垫板；7—锚固螺栓；8—铁垫板下调高垫板；
9—整体玻璃钢（或其他绝缘材料）衬套；10—螺旋钢箍

关于道床杂散电流防护，《规程》规定：道床混凝土厚度不应小于400 mm，同时钢轨下部与道床之间的间隙不应小于30 mm。

地铁道床形式有浮动道床、整体道床、道砟道床三种。在杂散电流防护中，道床内钢筋的设计是杂散电流的第一道防线，也作为收集和排流的通道。

浮动道床用于减少环境噪声，由预制形成，内部钢筋已全部焊接，并在两侧引出端子（施工后用电缆将端子连接），浮动道床下有绝缘橡胶垫，对杂散电流有很好的防护作用，所以浮动道床不需特殊防护要求。

整体道床用于区间隧道内，整体道床的设计需考虑地震影响设沉降缝；对于明挖隧道其内部结构钢筋在沉降缝处需断开，为了使道床钢筋起到杂散电流收集网的作用，要求在沉降缝处引出道床钢筋连接端子，以便用电缆将沉降缝两侧道床结构段钢筋进行电气连接。在明挖区间隧道，要求整体道床的沉降缝与明挖区间隧道的伸缩缝在同一千米内，既有利于减少地震力对钢筋的作用，又有利于测量。两种缝在同一位置意味着隧道钢筋测防端子与道床钢筋测防端子在一起，在这一地点隧道壁安装参考电极可方便地测量两种钢筋电位。矿山法隧道及盾构区间隧道的整体道床也需设沉降缝，但沉降缝两端钢筋不断，为了测量方便，同样要求与矿山法的伸缩缝在同一千米内，由于道床钢筋不断开，只要求取一侧测防端子即可。混凝土整体道床下应敷设绝缘膜或涂抹环氧树脂。

道砟道床位于隧道外，由于道砟有较好绝缘性，在加强清除垃圾杂物外，不作特殊要求。采用道砟道床时，应首选经过绝缘防腐剂处理过的木枕。

2．“排”——排流法

对于新建城市轨道直流牵引供电工程，可采用各种防护措施，使回流轨对地绝缘完好，不产生杂散电流或仅产生极微的杂散电流是容易做到的。但随着运行时间的推移，回流轨与绝缘扣件之间、回流轨与道床之间的绝缘垫受空气和灰尘的污染，以及绝缘受到破坏就会产生大量的泄漏电流。因此，工程建设前期在设计中应考虑设置合理有效的防排流网装置，将回流轨中向地下泄漏的电流引回牵引变电所的负极。

地铁排流网由混凝土整体道床内的杂散电流收集钢筋网和主体结构钢筋网组成，如图7.6所示。

图7.6　工程杂散电流防护示意图

（1）道床内杂散电流收集网

除枕木穿孔固定用的钢筋外，在枕木以下的混凝土整体道床内，应设置杂散电流收集钢筋网。其目的在于收集由走行轨泄漏出的杂散电流，并由此将杂散电流排流回到牵引变电所的负极，防止杂散电流流向区间隧道混凝土结构中的钢筋和其他金属导体。

根据VDE 0150标准，受杂散电流影响的埋地金属结构可允许的电位偏移应在某一允许值范围内，VDE 0150标准规定为0.1 V。而在实际使用时，一般认为，运行高峰期间的数值，平均每小时不应超过0.1 V。

（2）主体结构排流网

区间隧道混凝土主体结构中应具有性能良好的防水层，衬砌混凝土应具有较高的电阻率和低透水性。结构钢筋应采用连续性焊接，区间隧道变形缝处应焊接引出主体结构钢筋，同时在此处设置杂散电流测防端子，并用钢筋将变形缝处两端的端子连接在一起，为采取排流措施做准备。

运营线路排流网和车场排流网分开敷设。杂散电流收集网与主体结构钢筋绝对不能相连，杂散电流收集网在每个有牵引变电所车站的两个端头井处设置外引排流引接线的预埋端子。没有变电所的车站应在每个车站的两个端头井内设外引测量用的端子，端子位置设在区间隧道内侧，即站台侧。

牵引变电所内接地装置与建筑主体钢结构之间必须完全绝缘，决不允许有电气连接。变电站及沿线所有电气设备的外壳与钢结构及地应做绝缘处理。地表和高架桥上的金属设备外壳、各种管线、结构钢筋与回流轨之间不允许有电气连接，要完全绝缘。

二、杂散电流监测原理

1. 极化电压的正向偏移平均值的测量

杂散电流难以直接测量，通常利用结构钢极化电压的测量［见地铁杂散电流腐蚀防护技术规程（CJJ 49—92）第25页，四、对地铁建筑与结构的腐蚀状态及防蚀措施效果监测］来判断结构钢筋是否受到杂散电流的腐蚀作用。极化电压的正向偏移平均值不应超过0.5 V（见技术规程第4页）。一般电化学腐蚀测量管地电位的标准方法如图7.7所示。

此方法在电化学腐蚀测量中称为近参比法。其目的是为了更精确地测得埋地金属结构管/地电位，尽可能减少土壤电阻压降成分，将参比电极尽量靠近被测金属表面。此法的测量要点是把参比电极（通常用长效铜/硫酸铜电极）尽量靠近被测构筑物表面，如果被测构筑物表面带有良好的覆盖层，参比电极对应处应是覆盖层的露铁点。

地铁系统中埋地金属结构对地电位的测量方法采用如上所述的近参比法，需要使用长效参比电极作为测量传感器，在没有杂散电流扰动的情况下，测量的电位分布呈现一稳定值，此稳定电位我们称之为自然本体电位U0；当存在杂散电流扰动的情况下，测量电位出现偏离自然本体电位U0的情况，所测电位为U1，其偏移值为ΔU。一般情况下，我们将测量电压为正的称为正极性电压，测量电压为负的称为负极性电压。如图7.8所示给出了埋地金属结构对地电位测量曲线的一个实例。

图7.7　管地电位的标准测量方法

图7.8　埋地金属结构对地电位的测量曲线

埋地金属结构受杂散电流干扰的影响，其对地电位，也就是相对于参比电极的电压会偏离自然本体电位。在杂散电流流入金属结构的部位，金属结构呈现阴极，此部位的电位会向负向偏离U0，如图7.8所示的区域，金属该部位不受杂散电流腐蚀。在杂散电流流出金属结构的部位，金属结构呈现阳极，此部位的电位会向正向偏离U0，如图7.8所示的区域，金属该部位受到杂散电流腐蚀影响。

腐蚀是一个长期作用的结果，而瞬间杂散电流的变化是杂乱无序的，测量瞬间金属结构相对于参比电极的电压不能直接反映测量点杂散电流的腐蚀情况，所以应该测量计算在一定时间内偏移自然本体电位U0的正向平均值，规程规定的测量时间为半小时，其计算公式如下：

式中　——所有正极性电压瞬时值和绝对值小于U0值的负极性电压各瞬时值之和；

p——所有正极性电压瞬时值读取次数及绝对值小于U0值的负极性电压各瞬时值读取次数之和；

n——总的测量次数；

U0——自然本体电位；

Ua(+)——极化电压的正向偏移平均值。

2．半小时轨道电位最大值的测量

地铁系统杂散电流的泄漏受轨道电位的影响很大，所以轨道电位的测量监测也是非常重要的。轨道电位严格意义上以无限远大地为基准，而实际钢轨电位测量中无限远的大地是很难实现的，在测量中以钢轨对埋地金属结构的电压来代表轨道电位。由于轨道电位的瞬时值变化很大，实际测量过程中其监测和计算的参数为半小时测量时间内的最大值Vmax ，即半小时轨道电位的最大值。

3．自然本体电位U0的测量

自然本体电位U0是一个非常重要的测量参数，而我们探讨的测量方法最终要实现自动在线测量，所以测量装置本身应该能够测量U0。地铁的运营特点一般是早5时到夜里12时，夜间12点以后列车完全停止运营，在列车停止运行2小时后，可以进行自然本体电位U0的自动测量。

4．轨地过渡电阻及轨道纵向电阻的测量

轨地过渡电阻就是走行钢轨对地的电阻值，由于隧道内地下各部分地质结构不同，走行轨与道床之间的各个绝缘扣件的绝缘电阻有所不同，而绝缘扣件数量众多（几万个），隧道内各点的绝缘电阻是不一样的，因此一般意义上的过渡电阻是指某一区间段（一个供电区间）的平均值，过渡电阻通常用1 km欧姆值来表示，即单位为Ω·km。所以在测量过渡电阻时按均匀分布来考虑。轨道内通过的是直流电流，轨道纵向电阻按直流阻抗来考虑。如果在列车正常运行时，在线测量轨地过渡电阻和轨道纵向电阻，则可以实时预测造成杂散电流泄漏的原因，提供采取防止措施的依据，防止杂散电流腐蚀造成的严重危害。

三、地铁杂散电流监测系统

1．杂散电流监测系统结构

某地铁线路的杂散电流监测系统构成原理如图7.9所示。主要监测整体道床排流网的极化电位、本体电位，隧道侧壁结构钢的极化电位、本体电位，监测点的轨道电位等。整个系统为一分布式计算机监测系统。传感器是一个以单片机为核心的数据采集处理系统，可以实时采集处理测量点排流网和结构钢的自然本体电位U0、正向平均值a()U+、半小时内的轨道电压最大值Vmax，并把采集运算得到的参数送入指定的内存存储起来。转接器接收各个传感器的监测数据。上位机与转接器连接，把所有监测点监测和计算的有关杂散电流的参数信息以数据库的形式存入计算机，上位机软件具有查询、统计和预测功能，在上位机上可以实时查询到地铁沿线杂散电流腐蚀的防护情况。

图7.9　地铁杂散电流构成原理图

2. 使用杂散电流监测系统需注意的几个问题

（1）数据查阅

数据操作时，首先执行查阅月报表，查阅某月各测试点当月极值，从分布曲线图中，看各点当月的极化电压极值是否超过危险值。如果没有超限值，则本月内整个系统杂散电流都处于安全状态，整个系统的结构钢没有较大腐蚀；如果有超限值，应该查看杂散电流超限列表，确定是哪个传感器测量值超限，同时查看杂散电流某月各点每日极值分布图，确定超限点具体发生在哪几天。根据上述查询，可以确定处于杂散电流腐蚀状态哪一点、哪一天；知道哪一天后，可执行查阅日报表，看看具体发生在哪一时间段，分析原因，采取相应的处理措施。

（2）传感器故障问题

如果某一传感器停电，此传感器无法正常工作，上位计算机要不到此传感器的采集数据，则在上位机的故障查询中显示传感器故障。如果某一智能转接器停电，则所带的传感器全部显示故障。

（3）程序死机

如果上位机出现程序死机，复位重新运行。

四、排流柜

智能排流柜是为减少地铁杂散电流造成的金属结构电化学腐蚀而设计的专用设备。它采用极性排流的原理，即只有当需排流的金属结构相对于钢轨的负母线电位为正时，才有电流通过，把轨道上泄漏到金属结构上的杂散电流直接排到钢轨的负母线上，从而减少杂散电流的腐蚀。

排流柜主回路的核心元件为硅二极管，利用二极管正向导通反向截止的特性，实现了杂散电流的极性排流。除了主回路外，排流柜另配有保护和检测电路，检测回路由一单片机控制系统来控制，可以采集排流柜的工作电压和工作电流以及主回路的故障状态，实时检测排流柜的工作状态以及各个主器件的工作情况，在控制器面板上显示，并通过远程故障输出系统把故障的触点信号远传到控制室内，同时排流柜的控制系统配备有标准的RS485接口，可以与其他监控系统连接。

如图7.10所示为智能排流柜一路排流原理图，由主回路和检测控制用的单片机控制系统两部分组成。主回路的核心由硅二极管D组成，一路排流采用两个特性相同的二极管并联而成，保证排流柜工作的可靠性。主回路中串有一个电阻R，用于调节排流电流大小。开关K可以人工或通过单片机自动控制实现排流。排流回路的保护系统分别为短路保护、断路保护、阻容及压敏电阻过电压保护。短路保护采用两种方式：熔断器保护和反向电压保护，当出现短路时，快速熔断器FU首先熔断，保护二极管使其不受损坏，同时通过熔断器本身所带的接点发出信号；另外，在每个二极管另一端设有分流器FL，当二极管击穿而快速熔断器未熔断时，依靠逆向电流通过分流器而测得的数据可知二极管的故障，此保护与熔断器保护形成了可靠的保护系统，以确保在二极管发生故障时能可靠地发出信号。断路保护的原理是：在每个排流回路都选用特性相同的两个二极管，即在正常情况下，每个二极管都有电流流过。如果某个二极管支路损坏造成断路时，支路中无电流流过，通过分流器来找出故障。另外每个排流回路具有过电压保护电路，在每个二极管支路并联一个RC回路，以抑制过电压；在RC支路上并联一压敏电阻，当二极管两端电压超过其阈值时，压敏电阻将二极管自动旁路，以防止二极管损坏，当电压恢复时，压敏电阻恢复正常。

排流柜主回路的工作状态以及短路和断路的故障检测由单片机检测控制系统来完成。由电流变送电路、电压变送电路和开关量变送电路构成输入检测电路，把排流电流及电压转换为数字量送入存储器存储，并实时检测快速熔断器的开关状态，单片机控制系统自身带有数码管和发光二极管来显示被测电流和电压及工作状态。同时，单片机控制系统可以测量每路杂散电流排流量的大小，可以通过键盘设置每路排流的极限值并设置极限的排流时间，当某一路排流回路的排流电流或排流时间大于设置极限值时，可以发出报警信号，表示此排流回路的金属结构杂散电流的泄漏已严重超标，应仔细检查原因。单片机检测控制系统带有远程故障输出电路和标准RS485接口电路，可以把排流柜的短路故障、断路故障以及排流杂散电流过限故障信号远传到控制室内，也可以与其他的监测系统连接。

图7.10　排流柜的一路排流工作原理图

复习思考 >>>

1. 城市轨道交通供电系统杂散电流形成的原因是什么？有何危害？

2. 简述杂散电流监测的内容和措施。

3. 根据给出的杂散电流监测系统原理框图分析其工作原理。

4. 根据给出的排流柜一路排流原理图分析其工作原理。

5. 简述城市轨道交通供电系统杂散电流防护的原则与措施。