地铁牵引供电工程中的杂散电流防护系统

地铁牵引供电工程中的杂散电流防护系统

张洪松

宁波市轨道交通集团有限公司运营分公司

浙江省宁波市315000

摘要:地铁直流牵引供电系统中杂散电流对主体结构钢筋及其它金属结构的电化学腐蚀问题一直是影响地铁工程安全性的一大隐患。本文讨论了杂散电流产生及对结构钢筋和金属管线的腐蚀机理,提出了影响杂散电流的各参数与杂散电流大小及分布的关系和具体防护措施,并提出了杂散电流防护措施实施的具体方案。

关键词：城市轨道交通;直流牵引供电系统;杂散电流;腐蚀

一、绪论

目前国内外的城市轨道交通直流牵引供电系统中,普遍采用走行轨回流的供电方式。在这种供电方式当中,列车直流牵引供电系统采用正极接触网(轨),走行轨兼作负回流线。由于走行轨不可能与大地完全绝缘,且走行轨存在电压降,因此有少量电流不会沿着走行回流轨回到牵引变电所的负极,而是沿着大地回到牵引变电所或不回到牵引变电所,形成杂散电流。只要主体结构钢筋、金属管线流过杂散电流,在电流流过的地方就会造成腐蚀,如果防护不当,它还可能泄漏到线路外部,危害城市其它金属结构和管网设施。如香港曾因地铁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。

二、框架泄露保护原理及作用

框架泄露保护主要监测直流设备接地部分与带电部分的泄露电流及电压，当绝缘降低，存在泄露电流或电压，甚至是短路电流产生时，电流电压达到一定动作值，启动框架泄露保护，联跳相关直流及交流断路器，防止故障范围进一步扩大。框架泄露保护属于较严重的直流系统故障，发生后人员应在第一时间内赶赴现场进行处理。框架泄露保护主要是为了防止当直流系统设备内部绝缘降低时，设备正极与柜体发生漏电所造成的危害。框架泄露保护是直流供电系统中特有的保护。

三、框架泄露保护的组成与配合

3.1电流元件

框架泄露保护装置内设定有一个电流元件，电流元件主要包括分流器和电流检测元件，一端接设备外壳，另一端接地。主要监测设备外壳对地的泄露电流。正常运行情况下，电流检测回路没有电流流过。当有设备对设备外壳放电，泄露电流经过检测回路流过地网，并达到整定值后，电流元件动作，联跳相应断路器，切断故障回路，框架泄露保护动作。

3.2电压元件

框架泄露保护装置内设定一个电压元件，电压元件一端接于负极，另一端接设备外壳，电压元件等价于检测的是钢轨对地之间的电压。当这个电压大于整定值时，电压元件动作，联跳相应断路器，切断故障回路，框架泄露保护动作。

四、工程设计中杂散电流防护措施

4.1对城市轨道交通系统本身采取措施

1、供电臂长度

供电距离越短,钢轨泄漏电流和钢轨电位越低,杂散电流越小,越不易对结构钢筋或金属管线产生腐蚀。因此在布置牵引变电所时应适当考虑减小变电所距离,接触网上采用双边供电,尽量不采用单边供电。

2、回流走行轨纵向电阻

回流走行轨纵向电阻对泄漏电流及钢轨电位的影响很大,回流走行轨纵向电阻越小,产生的杂散电流越少,因此良好的回流是限制杂散电流源的一个根本措施。减小回流走行轨纵向电阻的措施主要有:

（1）增加回流走行钢轨的截面尺寸

（2）尽量多地设置钢轨之间的均流线

3、回流走行轨对地的过渡电阻;

回流走行轨过渡电阻对泄漏电流影响很大,对钢轨电位影响较小。回流走行轨过渡电阻越大,产生的杂散电流越少,因此很高的过渡电阻也是限制杂散电流源的一个根本措施。提高回流走行轨对地的过渡电阻的措施主要有:

（1）钢轨绝缘安装

（2）道床与结构钢筋间绝缘隔离

（3）利用绝缘轨缝隔离分区

（4）做好工程中的防水排水

4、机车负荷大小;

机车负荷电流对泄漏电流和钢轨电位都有影响,机车负荷电流越大,产生的杂散电流越多。机车负荷电流与系统电压、客流量、变电所间距、列车追踪时间间隔等有关。采用较高的系统电压可以减小负荷电流。

4.2对邻近城市轨道交通的地下结构采取措施

1、钝化防护

钝化防护就是减少周围介质中杂散电流进入到地下金属结构的保护方法。设计中应首先采用钝化防护,减少杂散电流进入地下金属结构的总量。通常采取的措施有:

(1)金属管线内外涂刷沥青等绝缘材料。

(2)金属管线安装于素混凝土支墩上,减少与土壤介质的接触。

(3)保证包住结构钢筋的混凝土厚度。

(4)金属管线采用绝缘法兰或绝缘短管分段。

(5)电缆在支架上敷设时应具有绝缘垫层。

2、活化防护

活化防护就是杂散电流进入到金属结构后的保护方法。活化防护是补救措施,一般应用于已经受杂散电流腐蚀的金属结构。主要工程措施采取排流保护，将金属结构中流动的干扰电流,人为的使之直接回到整流器,达到防止管道电腐蚀的方法,称为排流法。排流法是防止电腐蚀的最实用和有效的方法。在直流电气化铁路中最常用的是极性排流法，该方法具有结构简单、效率高,能防止逆流的特点。实现方法是在变电所内设置排流柜,将需要受保护的金属结构接回到排流柜,排流柜再与整流器负极相连。

五、轨道过电压产生的原因与解决对策

对于地铁直流牵引供电系统来说，过电压的产生和杂散电流有着密不可分的联系。相应地，直流设备的外壳在和大地进行绝缘的时候，它会和回路电路之间会出现对应的电位差。同时，直流设备的外壳还会和保护地之间发生电流泄漏的问题。面对这种情况，想要使直流设备的外壳不会在系统运行的过程中被腐蚀，就需要在外壳上设置对应的故障保护体系。以此，减少该系统在运行过程中故障的发生。相应地，在设备外壳腐蚀问题得以解决的同时，该系统中出现了新的问题。主要是因为在在金属外壳腐蚀问题的时候，会产生故障电流或者回路电流。进而，对使地铁轨道对大地产生较大的危险电压。一旦乘客不小心触碰到这些危险电压，将会对他们的生命安全造成威胁。因而，需要采取有效的措施对过电压问题及时解决。相应地，在解决过电压问题方面，主要是在地铁轨道的每个车站点都安置一定的过电压保护装置。在此基础上，借助这些过电压保护装置的力量，对地铁轨道对车站地所造成的过电压进行合理的限制。以此，来使地铁直流牵引供电系统能够处于正常运行中。同时，该系统相关设备的寿命也能得以延长，使这些设备的使用价值得以更好地呈现。

六、轨道过电压保护装置设定的原理

对于过电压问题的解决，主要是在直流牵引供电系统中设置限制保护装置。一是：关于过电压保护装置设置的原理。换句话说，也是一种限制装置。它是以走行轨与车站地为纽带，在它们之间合适的地方设置钢轨电位限制装置。该装置能够对它们之间的电位差进行正确地检测。一旦车站地与走行轨之间的电位差已经小在设定的范围内，该装置就会自动进行短路保护。而限制装置产生的短路保护只是瞬间的，很快它就会自动打开。需要注意的是：如果走行轨和车站地之间的电位差再次超过规定值，该装置还是会出现自动短路保护。但是，在第二次自动短路保护后，它们之间的电位差还是不能满足相关要求，该限制装置关闭之后就不会自动打开。这就需要采取维修人员采取其它措施予以解决。

结束语：

直流牵引供电系统中的杂散电流会对城市建筑和城市轨道交通主体结构钢筋或金属管线产生电化学腐蚀,在工程设计、施工及运营维护中均应得到足够重视。本文分析了杂散电流产生及对结构钢筋和金属管线的腐蚀机理，得出了工程设计中杂散电流防护应采取的一般性措施。本文的研究仅仅是在这一领域进行了一些粗浅的探讨,由于自身水平有限和研究时间短,文中错误和不足在所难免,敬请各位专家和同行批评指正。

参考文献：

[1]贾俊波,简克良,曾欣荣.城市地下铁道中杂散电流的产生及其抑制.迈向新世纪的高校电力科技.教学研究及其它;1325~1328

[2]上海城市轨道交通明珠线一期工程杂散电流防护腐蚀评估.电气化勘测设计研究院.2010