广州地铁五号线杂散电流防护研究与设计

兰 州 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- I -摘 要目前地铁大都采用走形轨回流的直流牵引供电方式，因而在运营中将不可避免地产生流经大地的杂散电流。地铁杂散电流严重腐蚀地下金属结构，影响地铁安全运营，因此全面考虑地铁杂散电流腐蚀问题，探讨更为有效的杂散电流腐蚀防护措施，保证地铁安全运营具有十分重要的意义。本文首先介绍杂散电流的产生、危害及其对结构钢筋和埋地金属管线的腐蚀机理；然后分析在有无排流网设置、是否排流情况下单边供电方式和双边供电方式中杂散电流的分布规律及各个参数对杂散电流的影响，并据此讨论杂散电流的防护措施和监测手段。最后结合广州地铁五号线工程的特点，综合提出广州地铁五号线的杂散电流防护系统设计方案。广州地铁五号线杂散电流防护方案包括设置杂散电流排流网、新型智能排流装置的杂散电流防护方法和集中式监测系统。集中式监测系统将采集结构钢极化电位、参考电极本体电位和轨道对结构钢的电压等数据上传至上位机处理，实现对整个系统进行实时在线远程监测，为地铁杂散电流防护提供参考。关键词：地铁；直流牵引供电系统；杂散电流；腐蚀；防护兰 州 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- II -AbstractCurrently, the running rails are usually used as the return conductor for DC traction power supply system in the metro. Therefore, it is inevitable that there will be current leaking into ground through the running rails, resulting in the serious corrosion to the underground metal structure and infecting safe operation of the metro. Thus, it is very necessary to fully consider the stray current corrosion issue, to explore more effective protective measures for stray current corrosion in order to ensure the safe operation of the metro. Firstly, a discussion of the cause and hazard of stray current in DC traction power supply system and the mechanism of corrosion of it to steel structure and metal pipeline are presented in this paper. Then, the regularities and distribution of stray current are analyzed at either drainage or non-drainage situation in one-way feeding and two-way feeding power supply system. And each factor that affected stray current distribution rule has been analyzed. On the basis of stray current distribution rule, the methods and measures to control and monitor stray current are discussed. Finally, according to the characteristic of construction projects of Guangzhou metro line 5, the proper stray current protection and monitoring system is designed. The stray current protection and monitoring system is composed of the protection methods of stray current such as drainage net, a news intellectual drainage arrangement and centralized monitoring system. The data such as the steel polarization potential, reference electrode body potential and the running rails on structural steel potential is collected by its monitoring system and transmitted to the upper computer processing. The real-time and on-line monitoring system monitors the whole system remotely and provides reference for the protection of metro stray current. Key Words: Metro, DC traction power supply system, Stray current, Corrosion, Protection兰 州 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- III -目 录摘 要 .IAbstract .II目 录 .III1 绪论.11.1 论文的选题背景和研究意义.11.2 国内外研究现状.11.3 论文的主要研究内容.22 地铁杂散电流的产生、腐蚀机理及其危害.32.1 杂散电流的产生.32.2 杂散电流的腐蚀机理.32.3 杂散电流的危害.42.4 杂散电流分布的一般规律.42.4.1 单边供电方式下杂散电流的分布.52.4.2 双边供电方式下杂散电流的分布.62.4.3 设置排流网供电方式下杂散电流的分布.73 地铁杂散电流腐蚀防护措施和监测手段.93.1 杂散电流腐蚀防护措施.93.1.1 “堵” 源控法.93.1.2 “排” 排流法.93.1.3 其他杂散电流腐蚀防护方法.93.2 杂散电流腐蚀防护的监测手段.93.2.1 杂散电流腐蚀监测原理.93.2.2 杂散电流监测系统.94 工程实例.94.1 杂散电流腐蚀防护设计原则及技术条件.94.2 牵引回流系统.94.3 杂散电流腐蚀防护方案.94.3.1 一般防护方案.94.3.2 特殊区段防护方案.94.3.3 相关设备及管线的防护方法.94.4 杂散电流监测系统.9兰 州 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- IV -4.4.1 杂散电流监测系统构成方案.94.4.2 测试端子设置原则.94.4.3 参考电极设置原则.94.4.4 杂散电流防护系统的日常维护措施.94.5 杂散电流腐蚀防护对各专业的要求.94.5.1 对牵引供电专业的要求.94.5.2 对轨道专业的要求.94.5.3 对主体结构的要求.94.5.4 对各种电缆及金属管线的要求.9结 论.9致 谢.9参考文献.9附录 A 杂散电流防护示意图 .9附录 B 收集网截面计算 .9附录 C 广州地铁五号线杂散电流监测系统示意图 .9兰 州 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）1 绪论1.1 论文的选题背景和研究意义地铁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。在地铁建成投入运营的初期，走形轨与道床之间的绝缘程度较高，由走形轨泄漏到大地中的杂散电流也较少。随着地铁运营年限的增加，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，造成走形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。由地铁杂散电流产生的问题十分突出，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；天津地铁也存在水管被腐蚀穿孔的情况 1。在国外，如美国、英国和俄罗斯等国的地铁也存在杂散电流腐蚀的问题 2。地铁杂散电流问题己引起了人们的高度的重视，发达国家在该课题上投入了巨大的人力和物力，取得了一定的成果，而我国在这方面的研究起步较晚，但也取得了一定成效。目前我国正在掀起地铁建设的高潮，在地铁的设计、建设和正常运营过程中，杂散电流的防护问题是必须考虑的。分析杂散电流的分布规律，弄清楚影响杂散电流分布的各个因素，设计合理的防护方案，这将对减少建设投资、降低运营成本以及消除杂散电流腐蚀带来的危害有积极的意义。1.2 国内外研究现状杂散电流的危害己引起业内高度重视，国外的地铁管理部及高等院校内均设置了从事这方面研究的专门机构并取得了丰富成果，目前还在不断地研究新的防护方法。目前国际上杂散电流防护通常采用 VDE0115 国际标准和德国 VDV5012 标准，适用于采用直流电力牵引和走行轨回流方式的地铁系统的设计、施工和运行维护等各个环节，这些标准目前已被大多数国家所采用。1992 年颁布的地铁杂散电流腐蚀防护技术规程是我国地铁杂散电流腐蚀防护专业的第一个行业标准，它在我国地铁工程建设的初期与运行中发挥了十分重要的作用，但是，由于我国地铁刚起步不久，没有像国外标准那样作严格规定。近年来，国内外地铁已有了很大发展和变化，因此在我国很多城市正在建设和发展地铁的时候，对此规程进行修订是十分必要的。在地铁杂散电流腐蚀方面，经过研究，杂散电流对埋地金属管线和混凝土主体结构钢筋的腐蚀在本质上是电化学腐蚀，而且这种腐蚀属于局部腐蚀。兰 州 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 2 -在杂散电流分布模型的推导过程中，杂散电流的大小一般仅能由简化的假定来估算，计算的目的也只是为了理论性的对杂散电流有个基本的了解，用公式指出减少杂散电流的条件或手段。对于杂散电流的分布规律的研究是杂散电流腐蚀防护的基础，国内外均有许多学者进行了大量的研究工作，很多资料都介绍了杂散电流分布的数学解析公式，而在实际应用时的计算却是非常复杂的，而且，计算结果往往很难完全反应实际情况。地铁杂散电流难以直接测量，一般都采用间接的办法来反映杂散电流的腐蚀情况。杂散电流腐蚀的危险性指标，是由结构表面向周围电解质泄漏的电流密度和由此引起的电位极化偏移来确定的，而由于杂散电流的密度难以直接测量，只有通过测量结构件的电位极化偏移来进行间接反映。地铁杂散电流腐蚀主要监测的参数有轨道电位、结构件的极化电位、走形轨对地过渡电阻和轨道纵向电阻等参数。在杂散电流的在线监测方面，国外进行了大量的研究。国外已经研究出了长线管道受杂散电流腐蚀的监测方法，使用了大量存储的数据采集装置，利用计算机进行数据采集和数据分析。总之，研究新的监测方法和在线监测系统，是地铁杂散电流腐蚀监测发展的要求和趋势。1.3 论文的主要研究内容本文研究的主要内容包括：(1) 详细介绍了杂散电流产生、腐蚀机理及危害；(2) 分析杂散电流分布的一般规律及其影响因素；(3) 探讨杂散电流腐蚀防护措施和监测手段；(4) 结合广州地铁五号线工程，设计具体的杂散电流腐蚀防护方案。本文的主要目标就是通过杂散电流的详细分析，从而为广州地铁五号线杂散电流腐蚀防护提供尽可能完善、经济合理的设计方案，达到优化设计的目的。兰 州 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）2 地铁杂散电流的产生、腐蚀机理及其危害2.1 杂散电流的产生目前我国地铁供电系统基本采用直流牵供电方式，列车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。由于走形轨的绝缘材料埋在地下，不可能做到完全对地绝缘，并且随着时间的推移，其绝缘水平将会逐渐下降，不可避免地将造成部分电流不从走形轨回流，而是由走形轨杂散流入大地，再由大地流回走形轨并返回牵引变电所，从而形成杂散电流。杂散电流也称做迷流。2.2 杂散电流的腐蚀机理杂散电流腐蚀属于电化学腐蚀，电化学腐蚀反应是一种氧化还原反应。在反应中，金属失去电子而被氧化，其反应过程称为阳极反应过程。介质中的物质从金属表面获得电子而被还原，其反应过程称为阴极反应过程。把进行电子传导的金属导体与进行离子传导的电解质相接触的界面称为电极系，电子导体和离子导体的接合称为 e-i 接合。地铁直流牵引供电方式所形成的杂散电流及其腐蚀部位如图 2.1 所示，走行轨和金属管线均为电子导体，地面为离子导体，电子在 A 和 D 点流出，金属导体与地面组成e-i 界面为阳极。电流在 B 点和 F 点流入，则地面与金属导体组成的 i-e 界面为阴极。由图可知，杂散电流所经过的路径可等效地看成 2 个串联的电解电池。电池：A 钢轨（阳极区）B 道床、土壤C 金属管线（阴极区）电池：D 金属管线（阳极区）E 土壤、道床F 钢轨（阴极区）列车牵引变电所架空接触网或接触轨牵引电流钢轨FEDABC钢轨回流杂散电流杂散电流结构钢筋等金属管线腐蚀区腐蚀区腐蚀区图 2.1 地铁杂散电流腐蚀原理图当杂散电流由钢轨(A) 和金属管线 (D)部位流出时，都会发生失掉电子的氧化反应，兰 州 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 4 -该部位的金属就会遭到腐蚀。这种腐蚀的过程，实际可能发生两种氧化还原反应：当金属铁(Fe)周围的介质是酸性电解质，发生的氧化还原反应是析氢腐蚀；当金属铁(Fe)周围的介质是碱性电解质，发生的氧化还原反应为吸氧腐蚀。其腐蚀的化学反应方程式如下 3：(1) 析氢腐蚀阳极：2Fe2Fe 2+4e-阴极：4H +4e-2H2 （无氧的酸性环境）4H2O+4e-4OH-+2H2 （无氧环境）(2) 吸氧腐蚀阳极：2Fe2Fe 2+4e-阴极：O 2+2H2O+4e-4OH- （有氧的碱性环境）上述两种腐蚀反应通常生成 Fe(OH)2，而在钢筋表面或介质中析出，部分还可以进一步被氧化形成 Fe(OH)3。生成的 Fe(OH)2 继续被介质中的 O2 氧化成棕色的Fe2O32xH2O（红锈的主要成分），而 Fe(OH)3 可进一步生成 Fe3O4（黑锈的主要成分）。杂散电流腐蚀一般的特点有腐蚀激烈、集中于局部位置；当有防腐层时，又往往集中于防腐层的缺陷部位。2.3 杂散电流的危害地铁的杂散电流是一种有害的电流，会对地铁中的电气设备、设施的正常运行造成不同程度的影响，以及对隧道、道床的结构钢和附近的金属管线造成危害。这种危害主要表现在如下几个方面 4：(1) 若地下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，甚至会危及人身安全。(2) 若走形轨局部或整体对地的绝缘变差，则此走形轨对大地的泄漏电流增大，地下杂散电流增大，这时有可能引起牵引变电所的框架保护动作。而框架保护动作则整个牵引变电所的断路器会跳闸，全所失电，同时还会联跳相邻牵引变电所对应的馈线断路器，从而造成较大范围的停电事故，影响地铁的正常运营。(3) 对地铁隧道、道床或其它建筑物的结构钢筋以及附近的金属管线造成电腐蚀。如果这种电腐蚀长期存在，将会严重损坏地铁附近的各种结构钢筋和地下金属管线，破坏了结构钢的强度，降低了其使用寿命。兰 州 交 通 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）2.4 杂散电流分布的一般规律整条地铁线路由多个变电所为机车供电，在每个供电区间一般都为双边供电，且在轨道上运行的列车负荷也是变化的。又由于地质条件不同，轨道对地的过渡电阻和土壤电阻也是不同的。鉴于这许多因素的不确定性，为简化所研究的问题，只考虑供电回路的理想条件，假定：(1) 走形轨的纵向电阻和对地的过渡电阻是均匀分布的；(2) 排流网电阻和对结构钢的过渡电阻是均匀分布的；(3) 馈电线路的阻抗忽略不计；(4) 埋地结构金属和大地电位相同；(5) 双边供电时，两侧电源特性相同；(6) 在排流网排流情况下，杂散电流全部被排流网收集起来。2.4.1 单边供电方式下杂散电流的分布地铁牵引供电系统采用单边供电时，其供电回路如图 2.2 所示，I 为列车牵引电流，In 和 Iw 为 I 在负荷点两个方向的电流，L 为牵引变电所和列车之间的距离。列