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摘要:本文针对杂散电流产生的原因,阐述了其危害。指出杂散电流不仅对城市轨道交通系统本身,而且对市政设施、建筑等也危害很大,因此必须采取措施加以抑制和控制。对杂散电流的测量原理进行了全面地分析,阐述了监测的方法,在此基础上,研究了杂散电流系统监测的构成,最后提出了抑制和控制的措施。
关键词:交通；供电系统；测量
1 杂散电流腐蚀的监测
1.1 杂散电流监测原理
杂散电流难以直接测量,通常利用结构钢极化电压的测量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.一般在电化学腐蚀测量中,测量管、地电位差的标准方法如图1所示。
此方法在电化学腐蚀测量中称为近参比法,目的是使测量结果更为精确。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或金属管路表面,如果被测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。在地铁系统中,埋地金属结构对地电位的测量方法亦采用近参比法,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,所测电位为U1 ,其偏移值为ΔU.一般情况下,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。
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U0。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,该部位的金属不受杂散电流腐蚀。在杂散电流流出金属结构的部位,金属结构呈现阳极性,此部位的电位会向正向偏离,该部位的金属受到杂散电流腐蚀影响。因为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,仅测量瞬间金属结构对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,《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程(CJJ49—92)》规定:测量时间为0.5h,其计算公式如下:
(1)
式中:为所有正极性电压瞬时值和绝对值小于U0 的负极性电压各瞬时值之和；p为所有正极性电压瞬时值读取次数及绝对值小于U0的负极性电压各瞬时值读取次数之和；n为总的测量次数；U0 为自然本体电位；Uα(+)为极化电压的正向偏移平均值。
1.2 半小时轨道电位最大值测量
轨道电位严格意义上来讲应是以无限远的大地为基准,而钢轨电位测量无限远的大地是很难实现的,也就是说以无限远的大地为零电位,在测量中测量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测量时间内的最大值Vmax,即0.5h轨道电位的最大值。
1.3 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,而探讨的测量方法最终要实现自动在线测量,所以测量装置应该能够测量自然本体电位U0。城市轨道交通的特点是一天内有几h的完全停止运营,在列车停止运行2h后,可以进行自然本体电位U0的自动测量。
2 杂散电流监测系统
2.1 分散式杂散电流监测系统
如图2所示。在每个车站变电所的控制室或检修室内安装一台杂散电流测试端子箱,将该车站区段内的参考电极端子和测试端子接至接线盒,由统一的测量电缆引入至变电所测试端子箱内的连接端子,将来用移动式微机型综合测试装置分别对每个变电所进行杂散电流测试及数据处理。
2.2 集中式杂散电流监测系统
如图3所示。在每个测试点,将参考电极端子和测试端子接至传感器。将该车站区段内的上下行传感器通过测量电缆,分别连接到车站变电所的控制室或检修室内的数据转接器。车站的数据转接器通过测量电缆接至固定式杂散电流综合测试装置。综合测试装置至传感器的传输距离最远不超过10km ,由此来考虑每条线路需设置几个杂散电流综合测试室。
以上2种监测系统均能满足杂散电流监测要求,采用哪种方案根据需要进行选择。
2.3 完整的杂散电流监测系统构成原理
设计完整的杂散电流监测系统监测杂散电流的大小,可为运行维护和防止杂散电流提供数据。杂散电流監测系统由参比电极、轨道电位测试端子、排流网测试端子、主体结构钢筋测试端子、电位测量箱以及杂散电流综合测试装置构成。它接收来自电位测量箱的测量电位的信号,进行记录并保存,可以与计算机联接同步监测记录,对数据进行分析后若发现异常,则发出报警信号。此法便于对杂散电流的情况进行掌握,并及时做出处理。
地铁线的杂散电流监测系统构成原理。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Ua（+)、0.5h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。由于整个地铁线路较长,通信距离比较长,为保证传感器的数据可靠传送到中央控制室的上位机,转接器起到了通信传输的中继作用。监测装置通过转接器向各个传感器要监测数据,同时可以计算各个供电区间的轨地过渡电阻和轨道纵向电阻。上位机与监测装置连接,把所有监测点监测和计算的有关杂散电流的信息参数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。
2.4 监测点接线盒
监测点接线盒结构示意图如图4所示。
1—监测点接线盒;2—测量电缆;3—熔断器;4—短接导线;
5—测量连接线;R—走行轨;C—结构钢筋;K—排流钢筋;
Z—参比电极;Tr—扼流变压器
图4 监测点接线盒结构示意图
在阴极保护管道和有强杂散电流管道上,传感器与管道间要采取电气绝缘的安装方法。有时候管道与流体间有较大极化电位时,也要采用传感器与管道电气绝缘的连接方式。
2.5 传感器安装方法
2.5.1 具有阴极防蚀保护的管道上传感器应与管道绝缘
传感器安装必须注意以下几点:
(1) 传感器必须与有阴极防蚀保护的管道绝缘,以保证流动介质中的电势不影响测量结果;
(2) 传感器的两端面需装合适的接地环,传感器和接地环必须与管道法兰绝缘,两侧接地环应与传感器互相连接,而与管道间没有电气连接;
(3) 两侧管道法兰用截面积为16mm2铜线绕过传感器连接起来;
(4) 穿过法兰的连接螺栓应采用绝缘材料制造的衬套和垫圈,使螺栓与法兰隔离。
2.5.2 传感器安装在管道杂散电流很强的场所
在管道杂散电流很强的场合,例如测量电解槽附近的管道中电解液流量时,杂散电流将会引起严重的干扰。在这种情况下,应采取以下措施:
在传感器两端各接上一段绝缘管道,传感器与绝缘管道之间安装接地环。与一般的安装、接地方法一样,接地环与传感器的法兰一并与接地良好的接地棒连接。而绝缘管道两侧的工艺管道另外用连接线短路。这样,漏电流主要从连接铜线分流短路,而从被测液体引入传感器信号回路的干扰就大大减小。在安装环境有较强的漏电流和电场影响时,传感器必须单独接地。接地线用总截面积不小于16mm2的多股铜线,连接在埋于一定深度的接地棒上。
3 杂散电流防护系统及其维护
定期利用杂散电流综合测试装置在高峰小时测试整体道床结构钢筋、车站隧道结构钢筋、高架桥梁结构钢筋相对周围混凝土介质的平均电位,以此电位作为判断有无杂散电流对结构钢筋腐蚀的依据。如测试到某段结构钢筋电位超过标准0.5V的,则该区段杂散电流超标,应对钢轨回路及钢轨泄漏电阻进行测试检查,然后结合测试结果进行维护。
定期检查各杂散电流收集网之间的连接线是否连接良好,连接螺栓是否生锈等,如果这些连接部件状态不良,则应及时进行修复;定期检查负回流电缆及均流电缆的连接是否良好,如有问题,要及时修复;定期检查并测试单向导通装置的工作状态是否良好,发现问题及时处理。定期检查杂散电流监测系统的参比电极、智能传感器、转接器及其连接是否良好,发现问题予以处理。
4 杂散电流防护的措施
(1) 确保牵引回流系统的畅通,减少钢轨电阻,使牵引电流通过回流系统流回牵引变电所,从根本上减少杂散电流的产生。定期对全线轨道线路清扫,保持线路清洁干燥,不能有易导电的物质在钢轨扣件和绝缘垫表面,因为这些物质将导致轨道对地的泄漏电阻下降。
(2) 为保护整体道床结构钢筋不受杂散电流腐蚀及减少杂散电流扩散,利用整体道床内结构钢筋的可靠电气连接,建立主要的杂散电流收集网,收集由钢轨泄漏出来的杂散电流,在阴极区经钢轨流回牵引变电所。
(3) 在盾构区间隧道,采用隔离法对盾构管片结构钢筋进行保护。在盾构区间相邻的车站,两车站的结构钢筋用电缆连接起来,使全线的杂散电流辅助收集网在电气上连续。
(4) 在高架桥车站内,车站结构钢筋和车站内高架桥结构钢筋要求在电气上绝缘,防止杂散电流对车站结构钢筋的腐蚀。
(5) 牵引变电所设置杂散电流排流装置,以便在轨道绝缘降低致使杂散电流增大时,及时安装排流装置使收集网(主收集网、辅助收集网) 中杂散电流有畅通的电气回路等。
5 结束语
杂散电流不仅对城市轨道交通系统而且对市政设施、建筑等也危害很大,因此必须采取措施加以抑制和控制。文中就此进行了全面的分析,指出了监测的方法,也提出了抑制和控制的措施。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词:交通；供电系统；测量
1 杂散电流腐蚀的监测
1.1 杂散电流监测原理
杂散电流难以直接测量,通常利用结构钢极化电压的测量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.一般在电化学腐蚀测量中,测量管、地电位差的标准方法如图1所示。
此方法在电化学腐蚀测量中称为近参比法,目的是使测量结果更为精确。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或金属管路表面,如果被测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。在地铁系统中,埋地金属结构对地电位的测量方法亦采用近参比法,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,所测电位为U1 ,其偏移值为ΔU.一般情况下,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。
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U0。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,该部位的金属不受杂散电流腐蚀。在杂散电流流出金属结构的部位,金属结构呈现阳极性,此部位的电位会向正向偏离,该部位的金属受到杂散电流腐蚀影响。因为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,仅测量瞬间金属结构对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,《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程(CJJ49—92)》规定:测量时间为0.5h,其计算公式如下:
(1)
式中:为所有正极性电压瞬时值和绝对值小于U0 的负极性电压各瞬时值之和；p为所有正极性电压瞬时值读取次数及绝对值小于U0的负极性电压各瞬时值读取次数之和；n为总的测量次数；U0 为自然本体电位；Uα(+)为极化电压的正向偏移平均值。
1.2 半小时轨道电位最大值测量
轨道电位严格意义上来讲应是以无限远的大地为基准,而钢轨电位测量无限远的大地是很难实现的,也就是说以无限远的大地为零电位,在测量中测量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测量时间内的最大值Vmax,即0.5h轨道电位的最大值。
1.3 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,而探讨的测量方法最终要实现自动在线测量,所以测量装置应该能够测量自然本体电位U0。城市轨道交通的特点是一天内有几h的完全停止运营,在列车停止运行2h后,可以进行自然本体电位U0的自动测量。
2 杂散电流监测系统
2.1 分散式杂散电流监测系统
如图2所示。在每个车站变电所的控制室或检修室内安装一台杂散电流测试端子箱,将该车站区段内的参考电极端子和测试端子接至接线盒,由统一的测量电缆引入至变电所测试端子箱内的连接端子,将来用移动式微机型综合测试装置分别对每个变电所进行杂散电流测试及数据处理。
2.2 集中式杂散电流监测系统
如图3所示。在每个测试点,将参考电极端子和测试端子接至传感器。将该车站区段内的上下行传感器通过测量电缆,分别连接到车站变电所的控制室或检修室内的数据转接器。车站的数据转接器通过测量电缆接至固定式杂散电流综合测试装置。综合测试装置至传感器的传输距离最远不超过10km ,由此来考虑每条线路需设置几个杂散电流综合测试室。
以上2种监测系统均能满足杂散电流监测要求,采用哪种方案根据需要进行选择。
2.3 完整的杂散电流监测系统构成原理
设计完整的杂散电流监测系统监测杂散电流的大小,可为运行维护和防止杂散电流提供数据。杂散电流監测系统由参比电极、轨道电位测试端子、排流网测试端子、主体结构钢筋测试端子、电位测量箱以及杂散电流综合测试装置构成。它接收来自电位测量箱的测量电位的信号,进行记录并保存,可以与计算机联接同步监测记录,对数据进行分析后若发现异常,则发出报警信号。此法便于对杂散电流的情况进行掌握,并及时做出处理。
地铁线的杂散电流监测系统构成原理。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Ua（+)、0.5h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。由于整个地铁线路较长,通信距离比较长,为保证传感器的数据可靠传送到中央控制室的上位机,转接器起到了通信传输的中继作用。监测装置通过转接器向各个传感器要监测数据,同时可以计算各个供电区间的轨地过渡电阻和轨道纵向电阻。上位机与监测装置连接,把所有监测点监测和计算的有关杂散电流的信息参数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。
2.4 监测点接线盒
监测点接线盒结构示意图如图4所示。
1—监测点接线盒;2—测量电缆;3—熔断器;4—短接导线;
5—测量连接线;R—走行轨;C—结构钢筋;K—排流钢筋;
Z—参比电极;Tr—扼流变压器
图4 监测点接线盒结构示意图
在阴极保护管道和有强杂散电流管道上,传感器与管道间要采取电气绝缘的安装方法。有时候管道与流体间有较大极化电位时,也要采用传感器与管道电气绝缘的连接方式。
2.5 传感器安装方法
2.5.1 具有阴极防蚀保护的管道上传感器应与管道绝缘
传感器安装必须注意以下几点:
(1) 传感器必须与有阴极防蚀保护的管道绝缘,以保证流动介质中的电势不影响测量结果;
(2) 传感器的两端面需装合适的接地环,传感器和接地环必须与管道法兰绝缘,两侧接地环应与传感器互相连接,而与管道间没有电气连接;
(3) 两侧管道法兰用截面积为16mm2铜线绕过传感器连接起来;
(4) 穿过法兰的连接螺栓应采用绝缘材料制造的衬套和垫圈,使螺栓与法兰隔离。
2.5.2 传感器安装在管道杂散电流很强的场所
在管道杂散电流很强的场合,例如测量电解槽附近的管道中电解液流量时,杂散电流将会引起严重的干扰。在这种情况下,应采取以下措施:
在传感器两端各接上一段绝缘管道,传感器与绝缘管道之间安装接地环。与一般的安装、接地方法一样,接地环与传感器的法兰一并与接地良好的接地棒连接。而绝缘管道两侧的工艺管道另外用连接线短路。这样,漏电流主要从连接铜线分流短路,而从被测液体引入传感器信号回路的干扰就大大减小。在安装环境有较强的漏电流和电场影响时,传感器必须单独接地。接地线用总截面积不小于16mm2的多股铜线,连接在埋于一定深度的接地棒上。
3 杂散电流防护系统及其维护
定期利用杂散电流综合测试装置在高峰小时测试整体道床结构钢筋、车站隧道结构钢筋、高架桥梁结构钢筋相对周围混凝土介质的平均电位,以此电位作为判断有无杂散电流对结构钢筋腐蚀的依据。如测试到某段结构钢筋电位超过标准0.5V的,则该区段杂散电流超标,应对钢轨回路及钢轨泄漏电阻进行测试检查,然后结合测试结果进行维护。
定期检查各杂散电流收集网之间的连接线是否连接良好,连接螺栓是否生锈等,如果这些连接部件状态不良,则应及时进行修复;定期检查负回流电缆及均流电缆的连接是否良好,如有问题,要及时修复;定期检查并测试单向导通装置的工作状态是否良好,发现问题及时处理。定期检查杂散电流监测系统的参比电极、智能传感器、转接器及其连接是否良好,发现问题予以处理。
4 杂散电流防护的措施
(1) 确保牵引回流系统的畅通,减少钢轨电阻,使牵引电流通过回流系统流回牵引变电所,从根本上减少杂散电流的产生。定期对全线轨道线路清扫,保持线路清洁干燥,不能有易导电的物质在钢轨扣件和绝缘垫表面,因为这些物质将导致轨道对地的泄漏电阻下降。
(2) 为保护整体道床结构钢筋不受杂散电流腐蚀及减少杂散电流扩散,利用整体道床内结构钢筋的可靠电气连接,建立主要的杂散电流收集网,收集由钢轨泄漏出来的杂散电流,在阴极区经钢轨流回牵引变电所。
(3) 在盾构区间隧道,采用隔离法对盾构管片结构钢筋进行保护。在盾构区间相邻的车站,两车站的结构钢筋用电缆连接起来,使全线的杂散电流辅助收集网在电气上连续。
(4) 在高架桥车站内,车站结构钢筋和车站内高架桥结构钢筋要求在电气上绝缘,防止杂散电流对车站结构钢筋的腐蚀。
(5) 牵引变电所设置杂散电流排流装置,以便在轨道绝缘降低致使杂散电流增大时,及时安装排流装置使收集网(主收集网、辅助收集网) 中杂散电流有畅通的电气回路等。
5 结束语
杂散电流不仅对城市轨道交通系统而且对市政设施、建筑等也危害很大,因此必须采取措施加以抑制和控制。文中就此进行了全面的分析,指出了监测的方法,也提出了抑制和控制的措施。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。