城市轨道交通杂散电流防护设计、施工及维护方案研究

张宽发

城市轨道交通杂散电流防护设计、施工及维护方案研究

张宽发

分析城市轨道交通杂散电流产生的原因和杂散电流对城轨设备、设施等方面的危害，提出杂散电流防护设计、施工方案，并根据以往的运营经验提出合理的城市轨道交通杂散电流防护系统运营维护方案，这对降低运营成本以及消除杂散电流腐蚀带来的危害具有积极的意义。

城市轨道交通；杂散电流；设计；施工；运营维护

0 引言

城市轨道交通在给人民生活带来方便的同时，也出现一些不容忽视的问题，如列车在运行期间产生的杂散电流腐蚀问题。

在城市轨道交通建成投入运营的初期，走行轨与道床之间的绝缘程度较高，由走行轨泄漏到大地中的杂散电流也较少。随着城市轨道交通运营年限的增加，运营环境受到不可避免的污染、列车对轨道的作用力等因素的影响，造成走行轨对地绝缘性能降低，使先期防护措施失效，这样就有大量杂散电流泄漏到周围的土壤介质中去。由于城市轨道交通杂散电流产生的问题十分突出，如香港曾因轨道交通杂散电流引起煤气管道的腐蚀穿孔而造成煤气泄漏的事故，北京、天津轨道交通也存在着水管被杂散电流腐蚀穿孔的情况。在国外，如日本、美国、法国、意大利、英国、加拿大和俄罗斯等国的城市轨道交通也存在杂散电流腐蚀的问题。分析杂散电流的形成及危害，提出杂散电流防护设计、施工及运营维护方案，为后续的城市轨道交通杂散电流防护系统的设计、施工及运营维护提供参考依据，这将对减少杂散电流腐蚀带来的危害具有积极的意义。

1 杂散电流的形成和危害

1.1 杂散电流的形成

目前我国城市轨道交通供电系统基本采用直流牵引供电方式，所需牵引电流由牵引变电所提供，通过接触网（架空线或接触轨）向列车送电，然后经走行轨回流至牵引变电所。由于走行轨的绝缘材料埋在地下，不可能做到完全对地绝缘，并且随着城市轨道交通的运营，道床受到污染，道床与钢轨之间的过渡电阻日益减少，就不可避免有电流从钢轨泄漏至道床结构及车站、隧道等其他结构和金属管线中，这些泄漏电流就称为杂散电流。

1.2 杂散电流的危害

杂散电流会对城市轨道交通中的电气设备、设施的正常运行造成不同程度的影响，对隧道、道床的结构钢和附近的金属管线造成危害。主要表现如下。

（1）在杂散电流由混凝土进入钢筋之处，钢筋呈阴极，如果阴极析氢且氢气不能从混凝土逸出，就会形成等静压力，使钢筋与混凝土脱开。如有钠或钾的化合物存在，则电流的通过会在钢筋与混凝土的界面处产生可溶的碱式硅酸盐或铝酸盐，使结合强度显著降低。在电流离开钢筋返回混凝土的部位，钢筋呈阳极发生腐蚀，腐蚀产物在阳极处的堆积会以机械作用排挤混凝土而使之开裂，从而发生破坏土建结构的重大隐患。

（2）城市轨道交通系统内的埋地管线主要有消防水管、电气管线等，在系统外则可能有煤气管线、石油管线、自来水管线等公用事业管线以及各种电缆管线等。据调查这些管线不同程度地存在杂散电流电腐蚀问题，有些铁管在数年内甚至数月内即发生点蚀。

（3）若杂散电流流入电气接地装置，将引起过高的接地电位，使某些设备无法正常工作。同时接地的各类设备机架上形成高电位，危及设备和人员的安全。

2 杂散电流防护设计方案

杂散电流防护是一项综合性的工程，需要各专业之间紧密配合。总体的设计方案如下。

2.1 牵引回流系统

（1）牵引回流系统由钢轨、负回流电缆、上下行均流电缆等组成。

（2）正线采用60 kg/m的钢轨，车场线尽量采用60 kg/m的钢轨。

（3）连接牵引变电所负母排至上下行钢轨的负回流电缆采用400 mm2或800 mm2截面铜电缆。各牵引变电所的负回流电缆根数应根据牵引供电系统仿真确定。

（4）在正线各车站两端上下行钢轨间设置均流电缆，但在有负回流电缆的一端，上下行钢轨间不再设均流电缆；另外，若上下行隧道有区间逃生通道，则利用该通道设置上下行均流电缆。均流电缆选择2根150 mm2截面的铜电缆。

（5）随着信号系统技术发展，不再采用钢轨作为信号系统的通路。此时钢轨仅仅作为列车行驶通道和牵引回流通路，为了回流更加畅通，同一行的2根钢轨每隔200 m设1处均流电缆。均流电缆选择2根150 mm2截面的铜电缆。

2.2 排流系统

（1）将整体道床（或浮制板道床）结构钢筋按一定要求焊接，作为主要杂散电流收集网。

（2）将隧道结构钢筋按一定要求焊接，作为隧道辅助杂散电流收集网。

（3）从车站的两端进出站附近的结构钢筋引出杂散电流防护测量端子，测量端子采用长50 mm、宽50 mm、厚5 mm的T2扁铜，测量端子的引出方式与连接端子相同。

（4）在牵引变电所附近设置道床及隧道结构钢筋的排流端子，以便将杂散电流收集网连接至牵引变电所内排流柜。

（5）牵引变电所设置排流柜。根据监测系统对杂散电流腐蚀状况的监测结果判断其是否投入运行。

2.3 监测系统

集中式杂散电流监测系统由参考电极、道床收集网测防端子、传感器、数据转接器、测试电缆及杂散电流综合测试装置构成。

在每个测试点，将参考电极端子和测防端子接至传感器，将该车站区段内的上下行传感器通过测试电缆连接到位于车站内的数据转接器。数据转接器将处理后的数据通过通信电缆传送到杂散电流综合监测装置，对所采集的数据进行统计和分析。

2.4 车辆段杂散电流防护方案

（1）车辆段一般采用碎石道床，杂散电流防护主要是设计畅通的回流，减少杂散电流的产生，同时阻止回流电流流进车库。

（2）通过恰当设置回流点和均流电缆来降低钢轨电位以减少杂散电流的泄漏。

（3）车辆段内线路与正线之间、车辆段各种电化库内线路与库外线路之间设置钢轨绝缘结并装设单向导通装置。

（4）车辆段内电化股道和非电化股道之间、电化股道尽头线与车档设备之间设置钢轨绝缘结。

（5）在车辆段静调库内，各钢轨通过均流电缆直接接地。在检修库和停车库，钢轨通过钢轨电位限制装置接地。

3 杂散电流防护系统施工方案

杂散电流防护系统具有安装位置比较分散、技术含量相对较高的特点。根据该系统工程的特点制订相应的施工方案如下。

3.1 施工调查及准备

3.1.1 施工图纸审核

根据杂散电流监测点布置及测量电缆的路径走向图，熟悉杂散电流防护系统参考电极、传感器、转接器、监测装置之间接线以及整个系统的组成；核对设计图纸内容是否与施工现场一致。

3.1.2 施工现场调查

（1）线路情况。根据设计图纸，进行现场调查，掌握土建和轨道的施工断面和计划，以便于合理安排，尽量避免和轨道专业的交叉施工，以提高施工效率。

（2）电缆路径。根据设计图纸，现场进行电缆路径调查，检查路径的通畅性和正确性。

（3）对预埋件的调查。根据平面图检查各区间、车站是否预埋整体道床结构钢筋的连接端子、测防端子及排流端子等。

3.2 施工测量

对设备安装位置、杂散电流收集网连接、测试、排流端子等预留位置进行实测，及时发现现场与设计中间的差异，如限界、预留不符合要求等，提出解决处理意见，为后续施工扫清障碍。

施工测量根据设计图纸，首先确定测防端子、排流端子的位置，然后利用模板、钢卷尺测量出各设备钻孔位置，做好标记。

3.3 参考电极安装

3.3.1 测量定位和电极准备

根据设计图纸，参照杂散电流测防端子引出位置，测量出参考电极的安装位置，在安装位置做好标记。安装使用前，必须将马上要安装的电极在洁净的自来水中浸泡8～10 h后备用。

3.3.2 钻孔、安装

（1）参考电极必须埋设在被测结构物的钢筋附近，距钢筋（或钢）距离小于15 mm。电极垂直放置，将电极全部埋置在混凝土介质中。

（2）在选定的地点，采用电钻和空心钻头钻取直径大于60 mm、深度大于160 mm的孔洞。除掉孔洞中的混凝土粉块或浮尘，用自来水淋湿内表面。

（3）将事先配好的水泥砂浆填料用自来水调匀，稠度适宜，然后将少许砂浆放入孔洞或方槽底部，用适当的工具将砂浆涂抹在四周壁上，注意涂抹均匀。

（4）将参考电极陶瓷外壳涂抹薄薄1层砂浆，轻轻放入孔洞中，直到达到理想深度为止。

（5）将电极引线穿过钢套管引向传感器，并与传感器内接线端子连接。

（6）在电极埋置处上方，用砂浆抹平并与周围混凝土表层尽量取平。

3.4 传感器、转接器安装

（1）按照安装标准，结合传感器、转接器箱体固定孔尺寸，测出准确的安装位置，做好标记。

（2）用冲击钻钻出与安装螺栓相适应的孔洞，并将孔内粉末清理干净。

（3）用绝缘膨胀螺栓将箱体悬挂固定，螺栓不得与结构钢筋接触。

3.5 设备接线

设备接线前先进行校线或全线统一根据线芯颜色确定回路，同时穿上标号头标明回路名称，然后按照图纸将各导线连接。

4 杂散电流防护系统调试

4.1 排流系统调试

排流系统调试主要包括设备（排流柜）本体调试、排流网复测及整个排流系统的测试3个部分。

4.1.1 排流柜调试

（1）绝缘测试。用500 V兆欧表测试排流柜主回路（与结构钢筋，主排流网、接地母排及直流负母排的搭接端）与柜体的绝缘电阻大于2 MΩ。

（2）加电测试。合交流220 V电源开关，柜体面板上电源指示灯亮，否则对电源进行检查。

（3）二极管故障信号测试。拨动快速熔断器连动开关使其接点闭合，排流柜面板上二极管故障指示灯点亮，否则检查二次回路接线及指示灯。

（4）二极管支路电流测量。用继电保护测试仪分别在每个二极管支路加直流电流（如5 A），排流柜面板上相应二极管支路电流表及智能监测装置控制器面板电流值显示正确。

（5）电压测量。用继电保护测试仪在总母排与变电所接地母排间加直流电压（如50 V），排流柜面板数字电压表及智能监测装置控制器面板电压值显示正确。

（6）报警功能测试。在监测装置上预先将排流极限定值输入（如设电流值为10 A，延时1 s），然后用继电保护测试仪在要测试的二极管支路（排流回路）加直流电流，超过设定值，监测装置发出报警信号。

（7）通信功能测试。通信功能测试配合变电所自动化系统（SCADA）调试进行。

4.1.2 排流网复测

为了检验测防端子的连接可靠性和排流回路的通畅，线路测防端子连接完毕、结构区段间连接电缆及结构或道床测防端子至排流柜的排流电缆敷设连接完毕后，对全线的排流网（杂散电流收集网）进行1次复测。

4.1.3 排流系统测试

整个排流系统测试在设备安装调试结束、排流电缆敷设连接完毕、排流网复测合格并在牵引供电系统投入试运行开始后进行，主要目的是在线路有车辆运行的情况下，检验排流系统完整性和良好性。

4.2 杂散电流监测系统调试

（1）测量功能测试。监测道床、隧道结构钢筋的极化电位，在现场测量以上数据并与上位机上数据对比，其误差在设计允许范围之内。

（2）通信接口测试。通信功能测试包括与排流柜智能监测模块的通信接口测试，与钢轨电位限制装置接口通信测试及与SCADA接口的通信测试。

（3）计算功能测试。测试道床、隧道结构钢对参考电极的电位变化情况；监测30 min平均电位超标值；检查程序计算公式及系数，根据测量值校核监测装置计算的正确性。

（4）显示功能测试。监测装置就地显示道床结构钢和隧道结构钢的极化电位。根据现场测量及监测装置的计算数值，观察显示数据是否正确。

（5）信息报警测试。模拟故障并在上位机及现场观察报警类别显示、报警音响等信息，要符合设计要求。

5 杂散电流防护系统的运营维护

5.1 杂散电流防护系统日常维护

（1）参比电极。主要检查参比电极安装处混凝土是否有开裂损坏现象；传感器连接线是否紧固。

（2）传感器。主要检查传感器工作是否正常；传感器表面封装螺丝是否紧固；指示灯是否工作正常；传感器和参比电极、钢轨、排流网之间连接线是否紧固。

（3）监测装置。主要检查监测装置工作是否正常；监测装置屏幕显示传感器和排流柜状态是否正常。

（4）排流柜。主要检查排流柜工作是否正常；柜门开关是否正常；柜内检修照明灯是否工作正常；柜体表面状态指示灯显示是否正常；排流柜内部接线是否紧固。

（5）单向导通装置。主要检查单向导通装置工作是否正常；柜门开关是否正常；柜内检修照明灯是否工作正常；柜内温湿度感应器和加热装置是否工作正常；整个装置外观封闭是否正常。

（6）连接电缆。对回流电缆、测防端子连接电缆、与传感器连接的电缆定期进行巡视，如有破损或接触不良及时更换。

5.2 杂散电流防护系统的周期性维修

（1）杂散电流监测系统。定期维护传感器并对测量数据进行分析；对监测装置工作状态和处理数据进行分析；进行一般故障维修、处理等。

（2）排流柜。定期对排流柜状态、排流电压和排流电流数据进行分析；进行排流柜投切试验；进行一般故障维修、处理等。

（3）单向导通装置。定期对单向导通装置状态进行数据分析；进行电动操作机构投切试验；进行一般故障维修、处理等。

5.3 杂散电流防护系统常见故障及处理方法

5.3.1 传感器常见故障及处理方法

（1）电源指示灯熄灭。①可能是配电箱断电，送电即可；②可能是保险丝熔断，更换保险管即可；③可能是电源指示灯损坏，更换指示灯即可；④可能是主板有故障，更换传感器电路板即可。

（2）通信指示灯或故障灯常亮。①可能是通信接线接触不良，重新检查，紧固接线端子即可；②可能是通信线有断线，检查通信线路，重新接续。③可能是板卡故障，更换传感器电路板。

（3）通信灯与故障灯同时以2 s间隔闪烁，可能是通信地址有冲突造成的，检查在同一个数据转接器下面的其他传感器地址(地址相同的传感器通信灯闪烁)，重新设置即可。

5.3.2 排流柜常见故障及处理方法

（1）门面板故障指示灯亮。①可能是快速熔断器熔断造成的，重新更换快速熔断器；②可能是二极管反向击穿造成的，重新更换整流二极管。

（2）电流表显示异常，可能是电流变送器插头未插牢造成的。

5.3.3 单向导通装置常见故障及处理方法

（1）信号盘收到故障信号。①可能是快速熔断器熔断造成的，重新更换快速熔断器；②可能是二极管反向击穿造成的，重新更换整流二极管。

（2）电加热器不加热。①可能是电加热器未通电造成的，重新检查工作电源；②可能是电加热器损坏造成的，重新更换电加热器。

6 结束语

杂散电流会对城市轨道交通中的电气设备、设施的正常运行造成不同程度的影响，还会对隧道、道床的结构和附近的金属管线造成不同程度的危害，甚至会危及人身安全，给城市轨道交通的安全运营带来不利影响，因此，对杂散电流的腐蚀及其可能造成的严重后果必须给予足够的重视。城市轨道交通杂散电流防护应贯彻“以堵为主，以排为辅”的原则，制订合理、有效的杂散电流设计、施工及运营维护方案，以保障城市轨道交通的运营安全。

[1] CJJ49-92 地铁杂散电流腐蚀防护技术规程[S].

[2] GB50157-2013 地铁设计规范[S].

[3] 郑瞳炽，张明悦．城市轨道交通牵引供电系统[M]．北京：中国铁道出版社，2000.

[4] 马沂文，马宏儒．必须重视城市轨道交通杂散电流腐蚀的防护[J]．城市管理与科技，2001，3(3) ：19-21.

责任编辑 冒一平

Study on Design, Construction and Maintenance of Stray Current Protection in Transit

Zhang Kuanfa

The paper makes analysis of the causes of stray current in rail transit and the harm of stray current in the equipment and facilities, puts forward the design and construction scheme of stray current protection. Based on the past operational experience, it works out the practical maintenance solutions to stray current protection in rail transit and it will has a significant meaning in reducing the operational costs and eliminating stray current corrosion harm.

rail transit, stray current, design, construction, operation and maintenance

U231.8

2014-11-07

张宽发：深圳地铁集团有限公司，工程师，广东深圳 518000