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(电气工程专业论文)地铁杂散电流分布与监测防护系统的研究.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
t h er e s e a r c ho ft h eu n d e r g r o u n ds t r a yc u r r e n td i s t r i b u t i o na n d a u t o m a t i cd r a i n a g ec u r r e n ts y s t e m b y q i nz h i g u o b e ( z h e n g z h o uu n i v e r s i t yo fi n d u s t r y ) l9 9 9 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n a u t o m a t i o no fi n d u s t r y i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f z h e n g z h o uu n i v e r s i t yo fi n d u s t r y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rm a oy i s e n i o re n g i n e e rz h o ug u a n d o n g a p r i l ,2 0 1 1 独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名:套志,习 日期:上o ,年箩月16 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口,在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名:幸乏。司 导师签名:乃弋r 司冠尔 日期:2u 1 1 年 日期:扫年 譬月6 日 f 月,6 日 摘要 在城市地铁和轻轨等轨道交通运输系统中,一般采用直流牵引,走行轨回流, 因此,不可避免会有电流从走行轨泄入大地,对地下或地面的金属构件如结构钢 筋、地下管线等产生电化学腐蚀影响其使用寿命及安全运行。目前在我国深圳、 长沙、重庆、武汉、郑州等地都在建设地铁,应用最先进的防护措施到实际工程 中去仍然是一个重要的课题研究方向。 本文详细介绍了杂散电流的产生原因和对地下金属结构的腐蚀原理,总结了 目前在我国实际工程中可采用的多种防护办法。分析了地铁行业在采用排流网情 况下的杂散电流分布规律,提出了无排流网情况下的地铁迷流计算公式,建立了 考虑排流网情况下的地铁迷流解析公式,提出了自动排流柜的设计思路和设计原 理,并分析了实际应用中使用自动排流柜时的监测内容及原理。 本文主要内容包括四个方面。首先介绍了杂散电流产生原理和危害,详述了 杂散电流对金属、埋地金属管线、混凝土结构、乘客和机车人员、通讯、排流设 备的危害和一般性原理,分析出了杂散电流对地铁埋地金属物的破坏原理,并据 此提出了多种对杂散电流的防护方法和措施;然后推导了地铁行业采用排流网情 况下杂散电流分布的解析表达式,通过对有排流网和无排流网数学模型的比较, 得出了两种情况下杂散电流的分布差异,并据推论结果总结出了杂散电流分布的 一般规律,为采取措施防护杂散电流提供了理论基础;其次分析了固定限流电阻 和可变限流电阻情况下的排流工作状态,并提出了一种处于理想排流状态的自动 排流柜的设计方案,可以使杂散电流的防护达到最佳效果;最后分析了重庆地铁 一号线工程实施情况和整体防护措施,说明了自动排流系统的实现过程和主要设 备的功能和要求,为实际工程实施提供了参考方案。 关键词:杂散电流;腐蚀;排流网;排流柜;监测 工程硕卜学位论文 a b s t r a c t i nt h ec i t ys u b w a ya n dl i g h tr a i lt r a n s p o r ts y s t e m ,g e n e r a l l yu s i n gd ct r a c t i o n r e t u r nr u n n i n gr a i l s ,t h e r e f o r e ,i ti si n e v i t a b l et h a tt h e r ew i l lb ec u r r e n tl e a k i n gi n t o g r o u n dt h r o u g ht h er u n n i n gr a i l s ,r e s u l t i n gi nt h ee l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o nt ot h e u n d e r g r o u n do rs u r f a c em e t a lc o m p o n e n t ss u c ha ss t r u c t u r a ls t e e l ,u n d e r g r o u n dp i p e l i n e sa n ds oo n ,a n di n f e c t i n gi t ss e r v i c el i f ea n ds a f eo p e r a t i o n a tp r e s e n ti nc h i n a c i t i e so fs h e n z h e n ,c h a n g s h a ,c h o n g q i n g ,w u h a n ,z h e n g z h o ua n do t h e rp l a c e sa r e b u i l d i n gs u b w a y ,a n da p p l i c a t i o no ft h em o s ta d v a n c e dp r o t e c t i v em e a s u r e si nt h e a c t u a lp r o j e c t sr e m a i ns i g n i f i c a n tr e s e a r c hd i r e c t i o n t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ec a u s e so fs t r a yc u r r e n ta n dt h ec o r r o s i o np r i n c i p l e so f m e t a ls t r u c t u r eu n d e r g r o u n di nd e t a i l ,c o n c l u d e sav a r i e t yo fp r o t e c t i v em e a s u r e s w h i c hc a nb ea d o p t e di np r a c t i c a lp r o j e c t si no u rc o u n t r yn o w a n a l y s i so ft h es t r a y c u r r e n td i s t r i b u t i o ni nt h ec a s eo fm e t r oi n d u s t r yg e n e r a l l yu s i n gd r a i n a g ec u r r e n tn e t , p u tf o r w a r dt h es u b w a ys t r a yc u r r e n tc a l c u l a t i o nf o r m u l a sw i t h o u td r a i n a g ec u r r e n t n e ta n de s t a b l i s h e dt h es u b w a ys t r a yc u r r e n ta n a l y t i c a lf o r m u l a sc o n s i d e r i n gt h eu s e o fd r a i n a g ec u r r e n tn e t b r i n gf o r w a r dt h ed e s i g ni d e a sa n dd e s i g np r i n c i p l e so ft h e a u t o m a t i cd r a i n a g ec u r r e n tc a b i n e t ,a n da n a l y z e sm o n i t o r i n gm a t t e r sa n dp r i n c i p l e s w h e nu s i n ga u t o m a t i cd r a i n a g ec u r r e n tc a b i n e ti np r a c t i c e t h ep a p e ri n c l u d e sf o u rm a i na s p e c t s 。f i r s t ,d e s c r i b e dt h ep r i n c i p l e sa n dh a r m o fs t r a yc u r r e n t ,e x p a n d e dt h es t r a yc u r r e n td i s s e r v i n gt h em e t a l ,b u r i e dm e t a lp i p e l i n e s ,c o n c r e t es t r u c t u r e s ,p a s s e n g e r s a n dl o c o m o t i v ep e r s o n n e l ,c o m m u n i c a t i o n s , d r a i n a g ec u r r e n tf a c i l i t i e sa n dg e n e r a lp r i n c i p l e s ,d e t a i l e do ft h es t r a yc u r r e n tc o r r o s i o no fb u r i e dm e t a lp r i n c i p l e sa n da n a l y z e dt h et h e o r yo ft h es t r a yc u r r e n tb r e a k i n g s u b w a ym e t a lo b je c t sb u r i e du n d e r g r o u n d ,a n da c c o r d i n g l yp u tf o r w a r dav a r i e t yo f s t r a yc u r r e n tp r o t e c t i o nm e t h o d sa n dm e a s u r e s ;a n dt h a n ,e s t a b l i s h e dt h ea n a l y t i c a l e x p r e s s i o no ft h es t r a yc u r r e n td i s t r i b u t i o ni nt h ec a s eo fu s i n gt h ed r a i n a g ec u r r e n t n e ti nm e t r oi n d u s t r y , b yc o m p a r i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e lb o t hw i t ht h ed r a i n a g e c u r r e n tn e ta n dn o t e d u c e dt h es t r a yc u r r e n td i s t r i b u t i o nd i f f e r e n c ei nt h ec o n d i t i o no f u s i n gd r a i n a g ec u r r e n tn e ta n dn o ,a n db a s e do nt h ea n a l y s i ss u m m a r i z e di nd e t a i lt h e g e n e r a lr u l e so fs t r a yc u r r e n td i s t r i b u t i o n ,p r o v i d i n gb a s i st h e o r yo ft a k i n gp r o t e c t i o n m e a s u r e sf o rs t r a yc u r r e n t i nt h en e x t ,s u m m a r i z e da n da n a l y z e dt h ee m i s s i o nc u r r e n t m e t h o dw h e nu s i n gt h ed r a i n a g ec u r r e n tn e t ,a n a l y s i so fe m i s s i o nc u r r e n ts t a t u si n 1 1 1 地铁杂散电流分布j 监测防护系统的研究 c a s eo ff i x e da n dv a r i a b l ec u r r e n tl i m i t i n gr e s i s t o r , a n dp r e s e n t sa na u t o m a t i cd r a i n a g e c u r r e n tc a b i n e td e s i g ni ng o o dd r a i n a g ec o n d i t i o n ,m a k i n gs t r a yc u r r e n tp r o t e c t i o n a c h i e v et h eb e s tr e s u l t s a tl a s t ,a n a l y s i so fc h o n g q i n gm e t r ol i n en o 6p r o j e c ti m - p l e m e n t a t i o na n dt h ew h o l ep r o t e c t i v em e a s u r e s ,p r o v i d i n gar e f e r e n c ep r o g r a mf o r t h ep r o j e c tp r a c t i c a li m p l e m e n t a t i o n k e y w o r d s :s t r a yc u r r e n t ;c o r r o s i o n ;d r a i n a g ec u r r e n tn e t ;d r a i n a g ec u r r e n t c a b i n e t ;m o n i t o r i n g i v t 程硕j :学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 插图索引v i i 第l 章绪论1 1 1 本课题研究的背景目的和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 本文的主要工作4 第2 章杂散电流的危害和腐蚀机理5 2 1 杂散电流的危害一5 2 1 1 杂散电流的形成原理5 2 1 2 杂散电流对金属的危害6 2 1 3 杂散电流对混凝土结构的破坏7 2 1 4 杂散电流对埋地管线的腐蚀7 2 1 5 杂散电流造成人身触电7 2 1 6 杂散电流烧毁排流设备一8 2 1 7 杂散电流对通信的影响8 2 2 杂散电流的腐蚀机理8 2 2 1 金属的腐蚀机理9 2 2 2 金属结构杂散电流腐蚀基本原理一9 2 3 本章小结1 l 第3 章地铁杂散电流分布规律和防护原则1 2 3 1 无排流网情况下杂散电流的分布1 2 3 2 考虑排流网情况下的杂散电流分布情况1 5 3 3 有排流网和无排流网情况的比较1 7 3 4 杂散电流分布的一般规律1 8 3 5 本章小结1 8 3 5 1 改进轨道交通系统1 9 3 5 2 改进轨道交通系统附近的地下金属结构1 9 3 5 3 其他措施一1 9 第4 章整体防护及自动排流的实现2 0 v 地铁杂散电流分布了监测防护系统的研究 4 1 4 2 5 3 杂散电流整体防护概念2 0 排流方法一2 l 4 2 1 固定限流电阻排流一2 l 4 2 2 可变限流电阻排流2 2 自动排流的工作原理2 2 自动排流柜2 4 极化电位测量2 6 自动排流反馈数据的处理2 6 排流保护效果评价方法和标准上2 7 本章小结2 8 重庆地铁一号线杂散电流监测系统3 0 监测系统结构3 0 自动排流控制功能的实现3 l 5 2 1 参比电极3 2 5 2 2 智能传感器3 2 5 2 3 监测装置一3 5 5 。2 4 排流柜3 5 5 2 5 单相导通装置:3 7 控制中心监控软件的设计3 8 5 3 1 监控软件结构3 8 5 3 2 监控软件的功能3 9 5 3 3 专家系统功能4 0 5 4 本章小结4 0 结论一4 3 参考文献4 5 致 射4 8 3 4 5 6 7 8 : 1 2龟龟t乱乱t章爻孓 5第 工程硕上学位论文 插图索引 2 1 杂散电流示意图6 2 2 阳极极化曲线6 2 3 参比电极的本体电位和结构钢极化电位测量原理图一7 2 4 轨道与结构钢间的电位差示意图8 2 5 杂散电流腐蚀示意图1 0 3 1 地铁直流牵引供电系统示意图1 2 3 2 地铁杂散电流分布等效电路图1 2 3 3 轨地电压曲线1 4 3 4 杂散电流曲线l5 3 5 考虑排流网情况下的等效电路图1 5 4 1 固定限流电阻排流2l 4 2 杂散电流整体防护概念图2 3 4 3 固定限流电阻排流电位分析图2 2 4 4 可变限流排流2 2 4 5 排流系统中的等值电路2 4 4 6 自动排流柜主回路和控制回路方框图2 5 4 7 极化电位测量原理图2 6 5 1 杂散电流监测通讯链路图3 l 5 2 杂散电流监测点布置及信息传递系统结构图3 3 5 3 氧化钼参比电极3 2 5 4 传感器硬件结构图3 4 5 5f m 3 0 1 a 装置3 5 5 6f m 3 0 2 排流柜3 6 5 7f m 3 1 2 智能排流控制器面板图3 7 5 8f m 3 0 3 单导装置3 7 5 9f m 3 1 3 智能单导控制单元面板图3 8 5 1o 软件体系结构3 9 5 1 1 监控软件功能模块示意图一3 9 5 12 数据查询窗4 l 5 13 极化电压分布曲线4 l 5 1 4 单点极化电压曲线4 2 v l i 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 地铁杂散电流分布与监测防护系统的研究 图5 1 5 自动排流控制联系图4 0 v i 工程硕f j 学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题研究的背景目的和意义 在我国城市轨道交通和轻轨已越来越被大家喜欢和选择乘坐,它的安全快捷 给居民的生活带来很多方便。目前随着各大城市交通压力的提升,更多的城市开 始新建或扩建轨道交通线路。城市轨道交通采用直流供电牵引方式,其运行期间 产生的杂散电流腐蚀问题却是城市轨道交通方便快捷背后的问题之一。城市轨道 交通机车运行期间产生的杂散电流对地铁周围的通信电缆、埋地钢管、混凝土钢 筋、区间高架桥梁等金属管线会产生电化学腐蚀,而且在不采取措施时,其破坏 力极强。在埋地设施及混凝土被破坏后,想要进行维修和更换却是非常艰难的。 因此,实现对城市轨道交通杂散电流的自动监测,提前对杂散电流做好预防措施, 对城市轨道交通的安全、可靠运行及降低后期投资有重大意义。 杂散电流主要是指采用直流供电牵引方式的地铁或轻轨列车在地下轨道上运 行时泄漏到道床及其周围土壤介质中的电流。在这种供电方式中,列车直流牵引 系统采用正极接触网,而走行轨兼负回流线,国内深圳、重庆、广州等地均采用 了此种方式。在地铁建成并投入运营的初期,走行轨与道床之间的绝缘程度较高, 即轨、地过渡电阻值较大,由走形轨泄漏到土壤介质中的杂散电流也较少。但是 随着地铁运营时间的推移,因受到不可避免的污染、潮湿、渗水、漏水及高地应 力等因素的影响,地铁车站以及区间隧道中的轨、地绝缘性能就会降低或造成先 期防护措施失效,即会增大由走行轨泄漏到土壤介质中的杂散电流。调查资料显 示北京地铁一期工程1 线中的木樨地至崇文门段,其轨、地过渡电阻最高为 7 4 1 q k m ,而最低为0 1 6 f 2 k m ,后者仅为前者的o 2 2 ,二期工程环线中最高区 段为5 8 9 q k m ,最低区段仅为0 8 4 9 q k m ,后者仅是前者的1 4 4 。0 1 6 f 2 和 0 8 4 9 f 2 k m 这么低的过渡电阻必然会造成大量的泄漏杂散电流。深圳地铁采用了 额定电压为d c l 5 0 0 v 的直流供电系统,额定牵引电流最高可达3 0 0 0 a ,如此大 的牵引电流造成的泄漏电流值也会很大。 杂散电流的危害主要是与地铁周围的埋地金属管线、通讯电缆及结构钢筋等 产生电化学反应,缩短金属管线的使用寿命,破坏混凝土结构。香港就曾因煤气 管道受到杂散电流的腐蚀造成煤气泄漏事件;而北京地铁也因投入运行一段时间 后发生结构钢筋和水平结构发生腐蚀,造成多处水管被腐蚀穿孔。不止在我国, 如日本、美国、法国等地同样存在着地铁杂散电流腐蚀的问题。地铁是一项复杂 的地下工程,在施工结束后地下结构就确定了下来,很难再对各种设施进行更换 杂散电流分布与监测防护系统的研究 和翻修,一旦发生主体结构和主要管线被杂散电流腐蚀的情况,后果都会非常严 重,维修的代价也会非常的高。因此对杂散电流的研究就显的尤为重要,一套设 计有效的杂散电流监测防护系统,可以起到防护杂散电流的危害的作用,同时可 以起到提前监视预警采取措施抑制杂散电流,避免更大危害的出现。 1 2 国内外研究现状 随着直流电力牵引技术在地铁行业的广泛应用,杂散电流腐蚀和防护的研究 也越来越被重视。我国在2 0 世纪9 0 年代以前只有北京和天津两个城市建有地铁, 并且是小段试行,在地铁杂散电流腐蚀和防护方面的研究很少。但在此之前,国 外美国、德国、日本和前苏联在这方面己投入了大量的人力和财力进行研究并取 得了丰硕的成果。随着国内地铁的新建和扩建,大家对杂散电流腐蚀的了解也逐 渐增多,并开始投入精力研究。1 9 7 9 年北京地铁科研所进行了针对北京地铁进行 了大规模的测量调查,测量结果表明北京地铁就存在杂散电流,也是从那时引起 了各方面对杂散电流的关注和重视。 2 0 0 0 年之前,因受地铁在建工程、监测水平和i t 技术发展的限制,国内大 量的研究工作都侧重在对杂散电流模型和对地铁钢结构、埋地管线危害程度的研 究,而且在杂散电流的危害和腐蚀机理方面的研究有着比较丰富的研究成果。而 之后因建造技术的提高和可投入地铁建设资金的宽裕,改变了地铁钢结构绝缘性 能,同时排流网的使用也一定程度上会影响到杂散电流的数学模型,所以杂散电 流在直流牵引系统中的数学模型是一个持续研究的内容,且随着地铁系统设计的 发展对杂散电流在不同情况下的数学模型也都有了不同的研究成果。电子技术和 i t 技术的发展对排流设备也造成了很大的影响,由最初认识杂散电流的危害到开 始监测杂散电流,再到现在工程上应用的自动排流,这些都是排流设备更新换代 的结果。但因地铁建设周期长,且杂散电流监测与防治也是一个长期的工作,至 目前,虽然国内地铁行业已形成了一整套杂散电流防护办法并设计投入了新的排 流设备但并没有那一套设备经过了众多项目的考验,并有成熟的运行使用经验。 新的监测设备和新的排流系统投入使用后,都是在近两年的时间之后才能正式投 入使用并验证其运行效果。深圳属国内建造地铁较早的城市,2 0 0 2 年深圳地铁一 号线采用的杂散电流监测系统还不能算是一套完整的系统,排流柜、单导通装置、 传感器及监控系统分别使用了不同厂家的产品,各产品之间没有联系,在当时受 通讯和产品兼容性的限制自动排流功能也没有提出来。2 0 0 5 年后,续建的几条线 路中,各厂家均提出了自己成套的杂散电流监测系统,产品也呈现系列化、智能 化的特点,普遍应用了先进的通讯和i t 技术,硬件倾向于使用运行稳定的工控机 类产品并采用嵌入式设计模式。从排流、单导、传感器、控制器到监控后台实现 了通讯上的联络,建立起了统一的通讯体制,实现了自动排流。近两年投入在建 铁、长沙地 铁也均将次类技术纳入了招标技术要求。由以上情况可看出,国内在杂散电流防 治方面的理论研究已较为全面和完善,而对智能化杂散电流监测产品和排流控制 产品的研究是目前的重点。本文也是基于以上对国内研究现状的了解,在各种文 献对杂散电流危害和防治理论研究的基础上,借鉴早期杂散电流防治系统的产品, 提出了杂散电流整体防护的方案,给出了智能化的传感器、排流柜、单导通等装 置的设计思想和实现方法。 在文献【4 ,3 0 ,3 8 ,l3 15 】中可以了解到国外在此方面的研究情况和技术发展情 况。国外地铁建设比我国要早很多,在杂散电流方面的研究成果和实际应用经验 也比国内要多,我国目前在建的地铁工程也借鉴了大量国外的工程实例,从地铁 建设阶段就开始考虑预防杂散电流是所有地铁建设中设计中的重点。在国外对杂 散电流研究的重点也集中在杂散电流的监测和排流两个方面。国外的研究还扩展 到了辅助监测的智能设备如移动监测装置和测试仪表等,如产于英国的s c m 系 列杂散电流移动监测设备,产品由智能探针、定位磁力计、智能信号发生器和手 提电脑等设备组成,无需与管道连接,在地面就可快速评估管道中的杂散电流, 可在沿管道方向的任意地方对杂散电流进行监测,定位杂散电流汇集流入点及流 出点,可以快速评估杂散电流解措施的效果,能完成长达2 4 小时的数据采集及成 果存档功能。国内目前也出现了一些类似的产品,但在此方面的研究还存在着一 定的差距。 在文献 4 0 4 3 】中详细讲解了国外减少杂散电流危害的防护措施和实施办法。 但地铁杂散电流难以直接测量,一般还是采用间接的方法来反映杂散电流的腐蚀 情况。杂散电流腐蚀防护规程中给出了需要测量的杂散电流的各项参数和监测方 法,并制定了判定依据。地铁结构与设备受杂散电流腐蚀的危险性指标是同结构 表面周围电解质的电流密度和由此引起的电位极化偏移来确定的,但电流密度难 以测量,现在还是通过测量极化电位来判断。对轨地电位、埋地金属的极化电位、 过渡电阻、轨道纵向电阻等的自动测量和监测都还是需要进一步研究的课题,这 些参数都是进行杂散电流监测和防护时重要的参数。通过在实验室模拟测定在各 种不同的地质情况下金属受杂散电流影响产生的电腐蚀现象,也可以模拟系统解 决多个监测点数据实时监测的问题,并通过长时间数据监测为杂散电流的监测处 理积累实验数据1 1 8 , 3 3 j 。 因地铁建设周期长,而且一旦建成投入运行就很少具备全线实验和测量办法 改进的条件,而且杂散电流危害的显现又需要一段比较长的时间,因而在我国还 是很缺乏工程实践,许多基础工作做的还不够。有些规程上规定的参数实际上根 本无法测量得到。比如轨道的纵向电阻因投入运行后条件的限制无法测量,而测 量过渡电阻使用的铜或硫酸铜参比电极是在土壤环境中使用比较成熟的,在地铁 杂散电流分布j 监测防护系统的研究 浇筑的混凝土中的应用情况也是需要探讨和研究的。 1 3 本文的主要工作 本文详细讲述了杂散电流的产生原理和腐蚀机理;并根据近年来各城市轨道 交通运行中所体现出的杂散电流的危害情况,总结介绍了杂散电流在地铁运行中 对各方面的危害和防护重点;分析了国内常采用排流网情况下的杂散电流分布规 律和数学表达式,提出了在目前地铁建设中采用的自动排流装置设计原理和硬件 设计;提出了配合自动排流装置工作的传感器的软硬件设计思路:并讨论了由自 动排流柜和传感器实现的杂散电流自动监测系统。本文在进行地铁杂散电流腐蚀 研究和防护系统时参考了国内其它行业处理杂散电流的方案,如文献【3 ,7 】中详述 了煤灰系统的电化学的危害和治理,文献 2 1 】中较详细的论述了燃气管线杂散电 流防护的技术,这些对地铁杂散电流的治理都很有参考意义。 一 一 车提 初期 一般按规程做好防护措施走行轨绝缘良好,但随着运行时间的延长,因油侵、渗 水、老化、污染等不可避免会有电流从走行轨泄入大地,从而产生杂散电流,并 对地下或地面的金属构件如结构钢筋、地下管线等产生严重的腐蚀。腐蚀不仅造 成大量的金属损失,更为严重的是,可能造成结构的破坏和其他系统的损害,由 于腐蚀的隐蔽性和突发性,一旦发生事故,往往会造成灾难性的后果,因此,必 须研究认识杂散电流对地铁环境中设备的危害和其对设备的腐蚀机理,采集有效 的防护措施,降低杂散电流的危害程度【2 引。地铁杂散电流腐蚀防护技术规程中对 新建地铁工程的设计包括管线敷设和钢结构建造、设计等等都给出了原则性要求, 在规程中还对可能泄漏的路径和造成的危害做出了较全面的说明和建议,是进行 杂散电流危害研究和防护研究的重要参考指导资料。在文献 2 3 ,2 5 ,2 8 】中有对杂散 电流的形成和危害的详细分析,本文在参考这些文献的基础上,主要分析了杂散 电流对铁质结构的危害,并分类分析了对各种设备可能造成的危害,为系统的采 取杂散电流防护措施奠定了基础。 2 1 1 杂散电流的形成原理 在地铁( 或轻轨) 等直流电气化轨道运输系统中以轨道作为回流导体,由于 钢轨不可能对地完全绝缘,而且回流轨存在电压降,因而会导致一部分负荷电流 从轨道流到轨枕和道床及地下钢轨金属设施中去,这部分电流,就是杂散电流( 迷 流) 。图2 1 是在有排流网的情况下杂散电流的形成示意图。 d 阳极区 c 阴极区 图2 1 杂散电流示意图 地铁杂散电流分布与监测防护系统的研究 如图2 1 所示的单端供电示意图中,杂散电流所经过的路径可概 联的腐蚀电池,即:电池i :a 钢轨( 阳极区) 一b 道床一c 排流网 电池i i :d 排流网( 阳极区) 一e 道床一f 钢轨( 阴极区) 。,为一个 引变电所向机车提供的电流,厶为通过走行轨向牵引变电所回流的电 漏到地下的杂散电流。在有排流网情况下,大部分杂散电流会通过排 牵引变电所负极。 2 1 2 杂散电流对金属的危害 杂散电流对地铁或轻轨隧道结构钢筋及地下钢铁金属设施都会产生严重的腐 蚀,杂散电流对金属引起的腐蚀比自然腐蚀要剧烈得多。杂散电流引起的腐蚀与 钢铁在电解质中发生的自然腐蚀不同,杂散电流腐蚀是由于外部电源泄漏的电流 作用而引起的结果,而自然腐蚀的电流是自发进行的,且杂散电流在数值上要比 自然腐蚀的电流大几十倍,甚至上千倍【27 3 7 j 。 杂散电流的腐蚀特点是腐蚀强度大,危害大,范围广,随机性强。而且腐蚀 会集中于局部位置,当有防腐层时,往往就会集中于防腐层的缺陷部位。根据法 拉第电解定律,每1 安培的杂散电流,每年可腐蚀钢铁金属9 1 1 k g 。 在地铁建造时,一般铺设排流网进行极性排流,排流网是杂散电流的良好通 道,在回电点附近,杂散电流从排流网的结构钢中流出。排流网的结构钢因失去 电子,而带正电,铁离子与水蒸气中的硫酸根离子作用而变成硫酸盐,因而就会 被腐蚀【5 】。排流网中的钢筋有杂散电流流出时,钢筋的电位将发生正向偏移( 阳 极极化) ,阳极电流( 流出的杂散电流) 和阳极电位变化的规律,如图2 2 所示。 图2 2 阳极极化曲线 在工程实际应用中,通过在排流网与轨道之间的水泥基础上装设参比电极, 可以测量出极化电位。如图2 3 所示,通过参比电极,可测出k 与k ,极化电位 可计算出即: a v = k + k ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中y 即为排流网结构钢筋与水泥基础间的电位差( 极化电位) 。k 为 工程硕十学位论文 轨道与水泥基础间的电位差,坎为排流网结构钢与水泥基础间的电位差。a v 值 如果超过0 5 v ,杂散电流就会迅速增大对埋地金属等产生腐蚀破坏。 r 獭荔 l ! i i ! :1 1 1 :f 图2 3 参比电极的本体电位和结构钢极化电位测量原理图 在文献1 2 9 ,第3 o 5 条中规定:对于主体混凝土结构的钢筋极化电压的正 向偏移值不得大于o 5 v 。这一条在地铁杂散电流防护时作为防腐蚀的标准。 2 1 3 杂散电流对混凝土结构的破坏 杂散电流通过混凝土时对混凝土本身并不产生影响。但如果混凝土中有钢筋 存在,则钢筋就会起汇集电流的作用并把电流引导到排流点。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。对混凝土结构造成严重破环。 在电流离开钢筋的部位,钢筋呈阳极,钢筋丢失铁离子后就会发生腐蚀并形 成腐蚀产物凡徊用八n 2 0 3 2 1 - 1 2 0 ( 红锈) 、f e 3 0 筝( 黑锈) 等。腐蚀产物在阳极 处的堆积也会以机械作用排挤混凝土而使之开裂造成破坏。 有关研究资料表明,红锈的体积可大到原来钢筋体积的4 倍,黑锈体积可大 到原来的2 倍。铁锈的形成可以使钢筋体积膨胀,进而对周围混凝土产生压力, 使混凝土内部形成拉应力。由于混凝土的抗拉强度很低,一般只有0 8 8 m p a - - - 1 5 m p a ,因此混凝土会因铁锈的体积膨胀沿钢筋方向开裂。 2 1 4 杂散电流对埋地管线的腐蚀 地铁系统附近的埋地管线主要有自来水、石油、供暖、燃气等公共事业管线 以及各种电信及通讯电缆等。埋地管线容易集积杂散电流,故易受腐蚀,在设计 和建造地铁时不考虑此问题也会产生极其严重的后果。 我国东北石油管道系统,穿越某直流电气化铁路,埋地三年就发生了腐蚀穿 孔,腐蚀速度达到2 o m m 2 5 m m 年。 2 1 5 杂散电流造成人身触电 地铁轨道为长轨,是由多节轨道焊接而成,因此轨道接缝电阻值较大,从而 使轨道与结构钢之间的电位差增加,如果轨道接缝处开焊,轨道接缝电阻更大, 这使轨道与结构钢之间的电位差更高。 地铁杂散电流分布j i 监测防护系统的研究 如图2 4 轨道与结构钢间的电位差示意图,在站台上,地铁乘客手脚之间的 电位差为a v ,当这个电位差很高时,人就有死亡的危险。德国标准v d e 0 1 1 5 规 定:这个电位差不得超过9 2 v 。 钢轨 图2 4 轨道与结构钢间的电位差示意图 监测轨道对结构钢筋的电位变化,就可以监测轨道纵向电阻值的变化,也就 可以监测走行轨回流的情况。根据钢轨对结构钢的电压值,可了解钢轨的运行状 态,判断钢轨有无裂隙。及时做出处理,从而保障人员的安全。 2 1 6 杂散电流烧毁排流设备 在建造地铁时,在轨道与轨枕之间都会按照规程做绝缘处理,但如果由于某 种原因,绝缘物损坏,轨道与排流网短路,这时就会产生非常大的杂散电流,杂 散电流通过排流网、排流柜,向牵引变流所回流,排流柜中的核心元件是排流二 极管,其容量有限,一般通流能力不超过2 0 0 a ,过大的杂散电流就会烧毁排流柜。 如果排流柜设置熔断器保护,会造成排流支路的中断,在最需要排流的时候, 排流柜也会起不到应有的作用。排流柜只有在杂散电流超标时才打开,使排流网 与变电所负极相连从而进行排流。只是由于使用排流网进行排流会引起轨道电位 上升,其电位可能会超过允许安全电压,此外由于轨道电位的上升,杂散电流也 会随之增加,排流管道周围未加排流保护的金属管线受到杂散电流腐蚀的危险就 会增大。因此排流柜只在监测到极化电压超过0 5 v 时才开通进行排流,正常运行 时排流柜为关闭状态。 2 1 7 杂散电流对通信的影响 杂散电流除腐蚀地下管线外,杂散电流使通信导线与附近大地形成电位差, 会在接地的通信设备机架上形成高电位,影响通信,甚至危及设备和人员的安全。 2 2 杂散电流的腐蚀机理 2 2 1 金属的腐蚀机理 由以上分析了解到杂散电流对各方面都会造成十分严重的危害,了解和研究 1 = 程硕f :学位论文 杂散电流的腐蚀机理对采取有效防护措施减轻危害是十分重要的。地铁杂散电流 对埋地金属管线和混凝土主体结构中钢筋的腐蚀在本质上是电化学腐蚀。金属的 腐蚀一般分为两种形式:化学腐蚀和电化学腐蚀。在没有电流作用下产生的化学 腐蚀是在潮湿和酸性环境中产生的,以铁为例,化学方程式如下: 4 f e + s o f + 4 h 2 0 f e s 七f e ( o h ) 2 + 2 0 1 - 1 q 式( 2 2 ) 中f e s 和凡徊1 4 ) 2 是铁锈的重要成份。由于电流的影响发生在金属与 周围环境( 如空气、水或土壤) 间的电化学反应可以引起电池效应,从而导致电 化学腐蚀。 在这种腐蚀过程中,金属材料表面会形成一种微电池,也称作腐蚀电池( 其电 极习惯上称阴、阳极) 。阳极上发生氧化反应,使阳极发生
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