城市轨道交通杂散电流的防护

摘　要　杂散电流对供电系统周边的环境和基础设施的危害很大。对杂散电流的防护应采用“以防为主,以排为辅,防排结合,加强监测”的原则。结合多年的现场施工经验,从杂散电流的防护方法、技术原理及杂散电流的监测等方面,对城市轨道交通杂散电流的防护进行探讨。

关键词　轨道交通,杂散电流,排流柜,单向导通装置

1 杂散电流的防护原则　　
轨道交通直流牵引供电系统中,只要用走行轨兼做回流导体,杂散电流的产生是不可避免的。为了减少杂散电流的危害,就应当设法减少杂散电流量。这就需要采取有效的防杂散电流措施,使杂散电流量控制在允许的范围内。杂散电流的防护工程基本上采用“以防为主,以排为辅,防排结合,加强监测”的原则。
(1) 以防为主
控制所有可能的杂散电流泄漏途径,减少杂散电流进入轨道交通系统的主体结构、设备以及沿线附近相关设施的结构钢筋。具体实施时,由于涉及到的专业多,各专业、各工种必须紧密配合,尤其在施工设计阶段更要考虑综合防治措施,尽量减少直流系统与其他建筑物的电气连接。可采取的措施有:牵引变电所内和区间的直流供电设备在安装时与结构钢筋和结构主体绝缘安装;走行轨道在施工时,采用与轨道道床绝缘的安装方式;由外界引入轨道交通内部或由轨道交通内部引出的金属管线均应进行绝缘处理后方可引入和引出;在轨道交通线内部设立结构钢筋电气连通,把所有结构钢筋和接地点连接在一起,将泄漏的杂散电流排流回直流系统。
(2) 以排为辅
设置杂散电流的收集系统。此收集系统为杂散电流从回流轨上泄漏后遇到的第一道小电阻的回流通道,可以将杂散电流尽量限制在本系统内部,防止杂散电流向本系统以外泄漏。
2 不同区段的杂散电流排流系统
具体实施中,不同区段应采取相应的排流措施。
2.1 高架区段杂散电流排流系统
上海市轨道交通高架线路一般采用现浇混凝土简支箱梁结构形式,箱梁与桥墩之间通过板式橡胶支座安装,起到绝缘安装的效果。在杂散电流防护系统中,现浇混凝土简支箱梁内部的表面钢筋网与主体结构钢筋网焊接,作为收集和排流的通道,是杂散电流防护的第一道防线。用铜排引出结构表面作为排流铜端子,利用1×150ｍｍ2电缆把每段现浇混凝土简支箱梁的排流铜端子连接起来,再通过安装在变电所内的排流柜,把散落在区间的杂散电流排流到直流供电系统,起到杂散电流的防护作用。同时,铜端子也可作为杂散电流监测系统的监测点。
2.2　盾构隧道区间杂散电流排流系统
盾构隧道区间是由圆形管片一片一片通过螺栓连接在一起,每个盾构管片内有结构钢筋。在隧道内安装的管片是预制的。按杂散电流专业的要求,每个管片内结构钢筋成网状,焊接在一起,使管片内部结构钢筋电气连通,通过钢垫圈将电气连接点良好引出。隧道管片拼装作业时,通过螺栓和螺母将各隧道管片结构钢筋全部电气连通,形成等电位体。环、纵两向通过螺栓将每块管片、每环管片连成一体,形成一个法拉第笼,对地铁进行电气屏蔽,以防止地铁杂散电流对外泄漏,减少对地下环境的污染。
2.3整体道床杂散电流的防护
整体道床用于地下区间隧道内时,由于整体道床位于走行轨的下面,与轨道距离最近,最容易直接收集轨道泄漏的杂散电流。因此,在盾构隧道内,利用整体道床内部结构钢筋的电气连接,建立主要杂散电流的收集网,最能从根本上解决杂散电流的防护问题。但整体道床的设计需考虑地震等自然条件的影响。在一定位置设沉降缝,在沉降缝位置引出道床钢筋连接铜端子,用1×150ｍｍ2电缆将沉降缝两侧道床结构钢筋进行电气连接,然后通过牵引变电所的排流柜将杂散电流排流回直流系统,起到杂散电流防护的作用。同时,引出的铜端子为杂散电流的监测提供了直接监测点。
整体道床用于高架区间时,由于现浇混凝土简支箱梁形式的采用,杂散电流基本上得到控制,因此,在该整体道床内部的结构钢筋不再做杂散电流防护电气连接,只作为结构主钢筋起加固作用。
2.4 其他相关专业的要求
触网、电缆支架及给排水专业的排水管道等固定件的安装,均需用膨胀螺栓进行固定。在隧道内和高架区间安装施工时,必须避开管片和箱梁结构的主筋,在预留螺栓时应设置遇水膨胀密封垫圈,既利于防水,又不至于和金属螺栓预埋件接触,隔断杂散电流传播的途径。
3 排流柜和单向导通装置的应用
3.1 排流柜的工作原理
牵引变电所安装的排流柜在排流系统中起着重要的作用。排流柜能有效地防止杂散电流对高架现浇混凝土简支箱梁内钢筋、隧道内结构钢筋、整体道床结构钢筋以及沿线金属设备的电腐蚀破坏,同时可防止杂散电流向轨道交通外部泄漏,是保护轨道交通地下公共环境的有效方法。
负极柜的负母排与杂散电流防护收集网之间的杂散电流排流二极管支路是排流柜的主要工作电路。每个二极管支路由二极管、熔断器、分流器和变阻器串联组成,每个回路并联一个ｒｃ回路,以抑制过电压。排流柜的原理图如图1。

杂散电流的收集母排与牵引变电所的负母排之间有一个电流测量装置,测量杂散电流的大小,一般额定量程为600ａ,该测量装置包括一个电流表和过流继电器,一个时间继电器。电流表指示杂散电流的大小,过流继电器的调整范围为直流50～250ａ,时间继电器的调节范围为5～25ｓ。当测到的杂散电流超过设计范围时,启动时间继电器,发出报警信号至排流柜面板的信号灯上,并送到控制中心,以便于检查直流供电系统是否发生故障或其他相关专业的事故隐患。
3.2 单向导通装置的应用
在轨道交通停车场和列车检修库中,由于运行环境复杂以及人为因素,引起杂散电流泄漏的原因较多。另外,轨道由于电气系统运行的原因,在此位置设有绝缘节。因此,单向导通装置的采用,不但解决了绝缘节的电气连接问题,也解决了杂散电流防护的难题。

单向导通装置由二极管回路、隔离开关回路和放电间隙装置等3个电路并联组成(见图2),用电缆连接绝缘节两端的钢轨。正常工作时,隔离开关开路,二极管回路工作,使钢轨电流在一个方向导通,而在另一个方向截止,有效防止因部分钢轨绝缘水平较差而增加整个轨道交通杂散电流的数量。当列车在停车场和列检库位置紧急制动时,首先采用再生方式。如果没有其他机车吸收产生的再生电流,绝缘节两端钢轨电压升高到一定值时(1000ｖ),放电间隙击穿放电(见图3),回路ｒ-ｍ1-ｍ2-ｃｐ-ｐ内有电流流过,钢轨电位降低,可避免人身伤害事故的发生。当回路ｒ-ｍ1-ｍ2-ｃｐ-ｐ电流值达到200ａ时,由于ｍ1和ｍ2线圈的共同动作使旁路开关闭合,ｒ-ｍ1-ｋ-ｐ回路接通,当ｍ1中流过的电流减少到50ａ以下时,ｍ1电磁力不足以保持旁路开关闭合,旁路开关打开。在二极管回路故障时,可以采用隔离开关回路直接连通轨道绝缘节,保证机车的正常运行。

4 设置杂散电流监测系统
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依据。
电化学中的电位分析法是现阶段杂散电流测量的原理。选取电位恒定的、提供测量电位标准的参比电极作为基本电位,以测量结构钢筋、排流铜排、钢轨等的电位大小,来衡量轨道交通中杂散电流的多少。
杂散电流监测系统由参比电极、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(见图4)。目前,上海市轨道交通杂散电流监测系统中,多采用ｄｑｕ-350型系列ｃｕ-ｃｕｓｏ4电极作为参比电极,测量时通过数据采集仪收集数据。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,保护轨道建设工程。　　

通过上述防、排、监测等方法的配合采用,基本上能防止杂散电流的危害,起到保护轨道交通及附近地下公共环境的作用。

参考文献
1 汪园园.杂散电流“源处理”方法的研究与探讨.城市轨道交通研究,2001(1):42
2　李　威.地铁杂散电流的监测与防治.城市轨道交通研究,2003(4):48

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