城市轨道交通杂散电流监测系统及其应用

李 磊

(中铁电气化局集团有限公司城铁公司 北京 100036)

城市轨道交通杂散电流监测系统及其应用

李 磊

(中铁电气化局集团有限公司城铁公司 北京 100036)

以深圳轨道交通5号线为背景，阐述杂散电流监测系统的设计原则和结构，分析监测内容的依据和测量原理，对杂散电流监测系统主要设备的功能、结构和接线进行具体描述。实践表明，该系统有助于运营部门及时掌握杂散电流的泄漏情况，采取有效措施，以降低杂散电流的危害。

轨道交通;杂散电流;监测;轨电位

1 轨道交通杂散电流概述

深圳地铁5号线是深圳市政府承办2011年第26届世界大学生运动会配套的城市轨道交通项目，西起前海湾，东至黄贝岭，全长40 km，共设27座车站，1个车辆段和1个停车场，是深圳轨道交通二期工程中里程最长、工期最紧、技术复杂程度最高的地铁项目。

深圳地铁5号线采用的运行列车是以直流1 500 V电力作为牵引动力的。由于钢轨很难做到完全的对地绝缘，所以牵引电流并非全部由钢轨流回牵引变电所，而是部分通过钢轨与大地之间的绝缘不良点流入大地，再通过埋地设施等途径流回钢轨并返回牵引变电所，从而形成没有任何规律的杂散电流［1］。如图1所示，I1和I2分别为一个供电区间的两个牵引变电所向机车提供的电流，I3和I4分别为通过走行轨向两个牵引变电所回流的电流，I5和I6分别为泄漏到地下的杂散电流。

图1 杂散电流的形成

由于杂散电流的作用，引起金属产生电解形式的腐蚀，而且在金属表面常呈现深度的穿孔状腐蚀。若防护不当，严重时还可能发生管道漏泄，造成灾难性损失，此外结构钢筋的腐蚀会破坏混凝土的整体性，降低其使用强度和耐久性，给轨道交通安全运营带来严重威胁。因此，有必要对杂散电流进行监测，及时采取有效措施，确保轨道交通主体结构及周边设施的安全［2］。

2 杂散电流监测系统设计

深圳地铁5号线工程杂散电流监测防护系统的设计按照“以防为主，以排为辅，防排结合，加强监测”的原则进行，包括“防、排、测”三方面内容。

“防”——隔离、控制所有杂散电流可能的泄漏途径，尽量减小回流系统的阻抗，提高回流轨对地过渡电阻，抑制回流轨对地电流漏泄值，这是杂散电流腐蚀防护的根本所在［3］。

“排”——设置排流网，科学使用排流柜，使杂散电流有通畅的排流通路。

“测”——设置完备的杂散电流监测系统，对杂散电流泄漏量进行监测，为杂散电流的防护提供依据。

杂散电流监测系统采用集中式监测的方式，由参比电极、道床收集网测试端子、隧道收集网测试端子、传感器、信号转接器、通信电缆、监测装置和杂散电流监控终端构成，如图2所示。

图2 杂散电流监测系统构成

由图2可见，设置在轨道交通沿线监测点的传感器，将采集到的结构钢极化电压和轨构电压，通过专用数据传输通道，经信号转接器上传到监测装置，再汇总到杂散电流计算机管理系统。

3 监测系统主要测量内容

杂散电流监测防护系统实时测量以下参数。

3.1 结构钢筋极化电压正向偏移平均值

图3 结构钢极化电位测量原理

地铁轨道漏出来的杂散电流能否引起隧洞结构钢筋的腐蚀，需要以杂散电流引起结构钢筋的极化电压偏移值来确定。CJJ 49—92《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》中的 3.0.5 条规定:“对于钢筋混凝土地铁主体结构的钢筋，极化电压30分钟内的正向偏移平均值不得超过 500 mV。”［4］结构钢极化电位的测量原理如图3 所示［5］。

当机车停止运行时，U2=0，所测电压U1为参比电极的自然本体电位;当机车运行时，所测电压为(U2－U1)。比较两次的测量结果，可以计算出结构钢极化电压U2=(U2－U1)+U1。

3.2 参比电极本体电位

参比电极用于在测量结构钢极化电压时提供基准电位，但是其本体电位会随着时间的增加而下降，当下降到一定值时会影响测量的精度。因此，需要监测参比电极的本体电位，当其值过低时需更换参比电极。

3.3 轨构电压

轨道与站台间(钢轨与结构钢间)有时会出现异常电压。为了保护乘客和铁路员工的安全，使他们免遭钢轨与结构钢间接触电压的伤害，标准VDE0115第一部分(6/82)规定:“轨道与结构钢间的电位差(轨构电压)不得超过92 V。”

另外，轨构电压还是计算钢轨纵向电阻和轨地过渡电阻的重要依据，是考察轨道运行状态和轨地绝缘状况的重要参数。

4 杂散电流监测系统设备

4.1 参比电极

图4 参比电极外形尺寸

参比电极安装(埋设)在整体道床、地下结构侧壁，用于测试杂散电流引起隧道、整体道床内的结构钢筋电位，从而反映结构钢筋的腐蚀情况。本工程采用氧化钼参比电极，具有体积小、电位稳定、耐震动、长寿命的特点，适用于较干燥混凝土结构测试，其外形尺寸如图4所示。

4.2 传感器

传感器主要完成结构钢极化电压和轨构电压的数据采集，其接线如图5所示。当接触网停电后，传感器能自动接收监测装置发出的参比电极本体的电位校正信号，进行参比电极本体电位的自动校正。当参比电极发生故障时，能自动发出参比电极的故障信息。

4.3 信号转接器

信号转接器主要用于传感器与监测装置间信号的传输转换，保证信号远距离地正常传输，其接线如图6所示。

4.4 监测装置

监测装置连接信号转接器和杂散电流监控终端，与传感器、信号转接器组成监测网络;收集传感器的监测数据，并完成相应参数的计算;可以保存一定时期的历史数据，并把数据和报警信息上传至杂散电流监控终端。

4.5 计算机管理系统

图5 传感器接线

图6 信号转接器接线

杂散电流的计算机管理系统由工业控制机、激光打印机、管理软件和UPS组成，通过RS 485现场总线和监测装置进行通信，完成整个杂散电流监测系统的数据采集，并可通过通信接口和SCADA系统通信，上传报警信息。管理软件具有历史数据的查询、统计、打印、数据分析处理、趋势分析等功能，能够实现超限自动报警，提示工作人员进行相应的处理。

5 结语

杂散电流监测防护对于地铁的长期安全运营非常重要，是轨道交通建设和运营中必须重视的一项内容。在杂散电流监测防护工程中，关键在于前期对杂散电流的“源控制”，要加强轨道的绝缘，减小供电区间的距离，合理选择结构钢筋的截面积，保证全线结构钢筋的可靠连接，等等。在轨道交通运营后，应该重视杂散电流监测系统的应用，及时监测分析相关的数据，及时采取有效措施，将杂散电流的危害降低到最小。

本文以深圳地铁5号线工程为例，介绍了杂散电流监测系统的结构、工作原理及各项设备的功能。该系统可以帮助运营部门及时掌握轨道交通工程的杂散电流状况，可为类似工程提供借鉴。

［1］张健，夏文忠.地铁牵引供电工程中的杂散电流监测防护系统［J］.电气化铁道，2003(5):47-49.

［2］高敬宇，易凡，地铁及轻轨杂散电流腐蚀的防护措施［J］，天津理工学院学报，1996，12(1):32-36.

［3］EN50122-2 Protective provisions against the effects of stray currents caused by DC traction systems［S］.Kingdom，2003.

［4］CJJ 49—92地铁杂散电流腐蚀防护技术规程［S］.北京:北京市地下铁道科学技术研究所，1993.

［5］Jin M，Mu L H.A novel on-line monitoring device of stray current in DC rail transit systems［C］//2006 International Conference on Power System Technology.Chongqing，2006.

［6］吴祥祖，张庆贺，高卫平.地铁杂散电流产生机理及其防护措施［J］.建筑安全，2003(5):28-30.

［7］赵煜，李威.广州地铁杂散电流实时监测系统设计及应用［J］.城市轨道交通研究，2001(1):63-65.

［8］马永儒.基于虚拟仪器技术的杂散电流监测系统［J］.城市轨道交通研究，2005(2):77-78.

［9］徐光强.大连快轨3号线杂散电流现场监测系统方案及应用［J］.继电器，2003(9):40-42.

Urban Rail Transit Stray Current Monitoring System and Its Application

Li Lei
(Urban Railway Company，China Railway Electrification Bureau Group，Beijing 100036)

Abstract:With Line 5 of Shenzhen rail transit as the background，the paper introduces the design principles and structure of stray current monitoring system，analyzes the basis of monitoring contents and monitoring principles，and elaborates the functions， structure， wiring method of main equipment.Practice indicated that the stray current monitoring system is helpful for the operation department to manage the leakage conditions of stray current in time，and to take effective measures to alleviate the harm of stray current.

Key words:rail transit;stray current;monitoring;rail potential

U29-39

A

1672-6073(2012)02-0099-03

10.3969/j.issn.1672-6073.2012.02.025

收稿日期:2011-07-28

2011-09-01

作者简介:李磊，男，硕士，工程师，从事轨道交通供电系统的研究，eeblei@163.com

(编辑:郭 洁)