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文档简介
毕业设计题目: 杂散电流的防护及测试方法研究毕业设计专题题目:毕业设计主要内容和要求:1、了解杂散电流产生的原理和危害;2、分析杂散电流的分布规律和影响因素;3、研究杂散电流相关参数的测试方法;4、提出杂散电流的防治方法。摘 要随着科学技术的不断进步和城市化交通系统的大力发展,人口的增多与城市化规模的不断扩大,现有的交通系统已经不能够满足现代化城市发展的需要。城市轨道交通作为一种较成熟的交通方式,凭借其运量大、干扰小、快捷、方便、安全的特点走进了我们的生活,以缓解日益突出的城市交通问题。然而在机车运行过程中产生的杂散电流对周围环境、设备和人员安全造成的危害也逐渐被关注。当前各运营线路中杂散电流的特点为分布复杂、影响因素多、参数测量困难、腐蚀危害程度的判定依据不明确,造成杂散电流的治理极其困难。本文首先阐述了杂散电流的定义、引起杂散电流的原因以及杂散电流的分布规律和危害,总结了国内外对杂散电流的防治方法。本文针对防护方法进行了两方面的研究:一是对城市轨道交通系统本身采取措施,从根源上来减少杂散电流的产生;二是对邻近轨道交通系统的地下结构采取措施。为了使防护方法能够更好的实现功能,需要在进行防护的同时对杂散电流和能够影响杂散电流的一些参数进行检测。检测的参数主要有:结构钢极化电位、轨道电位、轨道纵向电阻、轨地过渡电阻等。关键词: 轨道交通 ;杂散电流 ;测试 ;防护ABSTRACTWith the continuous advancement of technology and urbanization development of transport system, the increase in population and urbanization keeps expanding, the existing transportation system is not able to meet the modern needs of urban development. Urban rail transit as a more mature way of transport, with its large volume, interference characteristics of small, fast, convenient and safe has come into our lives, to alleviate the growing traffic problems. However, the harm caused by stray currents generated in the locomotive running on the surrounding environment, equipment and personnel safety have gradually been concerned about.In the current various operations line the stray currents present situation, its characteristic as the distribution complex, the influence factor many, the corrosion survey parameter difficulty, the corrosion degree determination basis is not clear about, creates the stray currents to prevent extremely difficultly.This article first describes the Definition stray currents, stray currents caused by stray currents, as well as the stray currents distributed rule and the harm, summarized domestic and foreign to the stray currents preventing and controlling method. This article both for the protection of research: first, on the Metro and light rail system itself to take measures, from root to reduce stray currents; second to is close to the subway light rail the underground structure to take the measure. In order to make the protection better able to achieve, during the protection at the same time some of the parameters of the stray currents and stray current testing. The need to detect the parameters are: structural steel polarization potential, the voltage of rail structure (rail land), track longitudinal resistance, orbit and earth resistance, and so on.Keywords: rail transport ;stray current ;detection ;protection目 录1.绪论11.1选题背景与意义11.2 国内外研究现状21.3 本文研究的主要内容32.杂散电流基础研究32.1城市轨道交通的直流牵引供电系统及其杂散电流的形成32.1.1城市轨道交通的直流牵引供电系统32.1.2杂散电流的形成42.2杂散电流产生的原因及腐蚀机理52.2.1杂散电流产生的原因52.2.2杂散电流的腐蚀机理52.3杂散电流的危害及分布规律72.3.1杂散电流的危害72.3.2杂散电流的分布规律92.4杂散电流的影响因素及危害的判定依据92.4.1影响杂散电流的因素92.4.2杂散电流危害的判定依据102.5本章小结113.杂散电流的防护方法113.1引言113.2杂散电流的防护原则123.3杂散电流的先期防护措施123.4杂散电流的产生后的防护方法及优缺点比较153.4.1钝化防护153.4.2活化防护153.4.3各种方法的应用条件及优缺点比较183.5其它防护方法193.6不同区段杂散电流防护的施工方法213.6.1车站、隧道杂散电流的防护213.6.2矿山法隧道杂散电流的防护233.6.3盾构法隧道杂散电流的防护233.7本章小结244.杂散电流参数的测试244.1检测参数的选择及意义244.2极化电位和本体电位的测量254.2.1测量方法254.2.2理论分析274.3轨道电位的测量274.3.1测量原理274.3.2理论分析274.4轨地过渡电阻的测量284.4.1测量原理284.4.2理论分析284.5轨道纵向电阻的测量304.5.1测量原理304.5.2理论分析314.6其它检测方法314.6.1管/地(P/S)电位检测技术314.6.2直流电压梯度测试技术(DCVG)314.6.3 Pearson检测技术324.6.4管内电流检测技术324.6.5变频选频法324.6.6管中电流电位法324.7本章小结335.杂散电流监测系统335.1系统监测的参数335.2系统的构成345.3系统的功能355.4本章小结366.总结36参考文献38翻译部分40英文原文40中文译文50致 谢58 第59页 1.绪论1.1选题背景与意义近年来,随着科学技术的进步和城市化进程的加速,城市规模扩大,城市人口密度越来越高,许多城市存在交通拥挤,运输效率低下,因此大运量的轨道交通在现代化的大城市中具有不可估量的作用,城市轨道交通地铁和轻轨,已经成为各国经济发展和改善人民生活的一个不可或缺的部分。国内外的实践己经证明,地铁是一种较为成熟的交通方式。其便捷、高效、充分利用城市有限空间等优点已广为人知。当前,地铁在我国各大城市得到大力发展,以缓解日益突出的城市交通问题。在城市轨道交通运输系统中,列车牵引动力一般采用直流供电,并由设置在沿线的牵引变电所通过架空线或第三轨向列车馈送电量,并利用走形轨作为牵引电流的返回通路,返回到牵引变电所。但地铁直流供电系统的走形轨本身具有电阻且走形轨对地做不到完全绝缘,所以有一部分电流会从走行轨泄漏到大地。当直流电流沿地面敷设的轨道流动时,除了在轨道中流动外,还会从轨道泄漏出并在大地中的各种金属物体上流动,然后再回到变电所。这部分泄漏出来的电流称为杂散电流。直流杂散电流对埋地金属管道腐蚀的特点是强度大,危害大,多发生在局部,腐蚀范围广,随机性强,这会对轨道的安全带来威胁。所以城市轨道杂散电流的影响是整个设计、建设、运营维护中必须考虑的问题。由于杂散电流的作用,会引起金属产生电解形式的腐蚀,不仅速度快,而且在金属表面常呈现深度的穿孔状腐蚀。如果防护不当,可能会对轨道周围的埋地金属管线、屏蔽网等金属设施以及车站和区间隧道主体结构中的钢筋发生电化学腐蚀,不仅能缩短金属管线的使用寿命,还会降低地铁钢筋混凝土主体结构的强度和耐久性,危及建筑设施的安全,严重时还可能发生管道漏泄,造成灾难性损失。香港曾因地铁杂散电流引起煤气管道的腐蚀穿孔,造成煤气泄漏的事故;北京地铁第一期工程投入运营数年后,其主体结构钢筋发现严重腐蚀,其隧道内水管腐蚀穿孔,仅东段部分区段更换穿孔水管就达54处;天津地铁也存在着水管被杂散电流迅速蚀穿的情况。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地铁也存在地铁杂散电流腐蚀的问题。因此,许多发达国家都投入了大量人力物力,对此问题进行长期深入的研究。北京地铁建设运营初期,也是在实践中逐渐加深了对杂散电流腐蚀危害的认识,及时采取了一系列对地铁杂散电流的限制与防护措施,进行了对杂散电流的大量试验测量,设置了有效的防护监测,取得了较好的效果。现在,我国的地铁和轻轨作为城市重要的交通工具正得到迅速发展。除北京、上海、香港、青岛、南京、天津和广州等城市的地铁已基本投入运营外,目前其它城市也把修建地铁列入了城市规划之中。由于地铁和轻轨是一项复杂的地下工程,其结构在施工完成后己定型。经若干年运营后,要对主体结构因杂散电流腐蚀而进行更换或翻修是十分艰难的。而对杂散电流腐蚀机理和危害加以研究,能够对杂散电流相关的参数进行及时的检测,做到提前采取相关的积极防护措施来抑制杂散电流的危害,就显得尤为重要。鉴于地铁与轻轨的杂散电流腐蚀防护对城市发展与国民经济有重大意义,因此实现对杂散电流及其相关参数的检测,提前采取防护措施,对城市轨道交通的安全、可靠运行来说非常重要。1.2 国内外研究现状自从直流电力牵引的轨道交通运输系统的出现,世界各国在随之产生的杂散电流腐蚀及防护的问题上一直给予高度的重视,许多发达国家,特别是美国、德国、日本和前苏联都花很多时间同时投入巨大的人力和财力致力于对此问题的研究,并取得了良好的成绩。且到目前为止,还在不断地研究新的防护方法和测试手段。对于直流电气牵引系统中杂散电流的防护,通常所用的方法归纳起来可分为三大类31:(1)控制杂散电流产生的根源,隔离所有可能的杂散电流泄漏途径,即所谓“源控制”类。从供电系统来说,可采取提高牵引电网的供电电压、实行双边供电、缩小变电站距离、适当加设绝缘的辅助回流线等措施;从轨道铺设来说,主要是采取加长轨、增加过渡电阻,减小轨道纵向电阻等措施。(2)对杂散电流的作用物加强防护。尽量减小流过被保护金属物中的杂散电流,如在其表面被覆绝缘防护层;采取排流保护法等,以延长被保护物的工作寿命。(3)监测杂散电流大小,以便超标时及时采取措施。需要监测的参数主要有结构钢的极化电压、轨道纵向电阻、轨地过渡电阻等。我国在20世纪90年代只有北京地铁和天津地铁的小段在投入运行,有关地铁杂散电流腐蚀和防护的研究很少,为了证明地铁里杂散电流的情况,1979年北京地铁科研所进行了大规模的测量调查。测量结果表明北京地铁确实存在杂散电流,从而引起了各方面的广泛关注1。目前,我国地铁建设已经如火如荼,包括了北京、天津、上海等开通运营的城市已达十多个,现在国内地铁运营超过一千公里。国内除了少数几个省会城市,比如乌鲁木齐、拉萨、兰州等在勘测规划阶段,全国其他的省会城市包括一些非省会城市如青岛、宁波、苏州等都已经开始城市地铁的建设。地铁杂散电流的腐蚀己经严重影响地铁的安全运营和人们的正常出行,这使得越来越多的国家和科学家着眼于此方面的研究。经过多年的地铁运营,美国国家地铁标准局提出以下措施2:(1)保证上、下行走行轨道之间的可靠连接;(2)隔离负馈线(走行钢轨);(3)保证电缆及金属管线与其它结构的良好绝缘;(4)对主体结构使用绝缘涂层等措施防护地铁杂散电流。德国柏林轨道交通公司则采取了下列方法:值班人员组成专业的测量团队,实时地监测地铁向大地的泄露杂散电流状况,以便能够及时采取防护措施。英国专家Ikedar,Mkaotoo等人提出的一种杂散电流测试仪可用于地铁管线电腐蚀的测量2。此外,一些开通运营地铁多年的国家,比如日本、意大利和俄罗斯等地铁大国对针对地铁杂散电流的腐蚀及防护做了大量的理论研究和实际工作。在国内,最早开通运营的北京地铁在建造当初就采取了一些杂散电流防护措施。比如将隧道及车站下的主体结构钢筋焊接成一个整体,组成一个后备杂散电流回收网,同时,在走行轨道的建造期间就预留出杂散电流测试的接口端子,为后来地铁运营时进行杂散电流的监测提供便利的条件2。杂散电流难以直接测量,一般都采用间接的方法来反映杂散电流的腐蚀情况。腐蚀防护标准给出了需要测量的杂散电流腐蚀的各项参数和监测方法,并制定判定依据。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向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。而电流密度难以直接测量,只有通过测量极化电位来判断。地铁杂散电流腐蚀需要测量的参数有轨道电位、埋地金属的极化电位、轨地过渡电阻、轨道纵向电阻等。传统的监测方法都需要人工参与,缺乏自动在线测量功能,这给地铁运营的运行维护带来了困难3。1.3 本文研究的主要内容结合目前地铁杂散电流腐蚀监测的现状及存在的主要问题,本论文研究的主要内容包括以下几个部分:1、了解杂散电流产生的原理和危害;2、分析杂散电流的分布规律和影响因素;3、研究杂散电流相关电气参数的测试方法;4、提出杂散电流的防治方法。2.杂散电流基础研究2.1城市轨道交通的直流牵引供电系统及其杂散电流的形成2.1.1城市轨道交通的直流牵引供电系统在了解杂散电流之前,需要对产生杂散电流的直流牵引供电系统有所认识,这样才能对杂散电流有一个较为全面的认识,以及能够了解杂散电流定义中所涉及的供电系统中的各构件。地铁牵引供电系统主要由牵引变电站、架空电网线、车辆、轨道导向等部分组成。地铁以直流电作为牵引动力,主要因为直流供电相对稳定,具有调速范围大且方便、易于控制、牵引网络结构简单、电压质量高、投资节省等许多优点。目前世界上直流牵引供电等级繁多,其发展趋势为IEC标准的600V、750V和1500V。中国国家标准地铁直流供电系统规定为750V和1500V两种,其电压允许波动范围为500-900V和1000-1800V。750V和1500V这两种直流供电电压制式都能满足城市轨道交通的要求。但是,从减少城市轨道交通牵引供电系统的电能损失和电压降,加大供电距离以降低牵引变电站数目及投资,降低受流接触网的悬挂重量、降低结构复杂性及投资,以及从提高列车再生制动的回收率而言,采用1500V的牵引供电电压制式比采用750V的牵引供电电压制式要经济得多20。图2-1所示为典型的地铁供电系统示意图5。 其各部分名称及功能简述如下:(1) 牵引变电所:供给地铁一定区段内牵引用电能的变电所;(2) 馈电线:变电所向接触网(轨)传送电能的导线;(3) 接触网(轨):通过机车的受流器向机车提供电能的导电网;(4) 机车:动车或动车组;(5) 钢轨:用于牵引电流的回流;(6) 回流线:用以供牵引电流返回牵引变电所的导线。1牵引变电所;2馈电线;3接触网;4机车;5钢轨;6回流线;7电分段图 2-1 地铁供电系统示意图2.1.2杂散电流的形成图2-2地铁杂散电流形成原理图机车所需电流由牵引变电所提供,通过接触网输送到机车,并通过走行轨作为电流回路,返回到变电所。但因钢轨很难做到对地完全绝缘,而是有一部分通过钢轨与大地之间的绝缘不良点流经大地流向大地低电位,再由大地低电位返回到牵引变电所,从而形成没有规律的杂散电流6。如图2-2所示,I1、I2分别为一个供电区段两边变电所向机车提供的电流,I3、I4分别为通过走行轨向两个牵引变电所回流的电流,I5、I6分别为泄漏到地下的杂散电流。2.2杂散电流产生的原因及腐蚀机理2.2.1杂散电流产生的原因地铁杂散电流腐蚀防护技术规程中对杂散电流的定义做出了规定:杂散电流:“在非指定回路上流动的电流”7。它的英文解释是:electrical current through a path other than the intended path。这个定义可以理解为:只要是没有按照期望的路径流动的电流,都可以叫杂散电流。对于轨道交通运输系统,在理想状态下,由牵引变电站送出的电流经过架空线进入列车,然后由走行轨回到变电站,可以形成一个封闭的回路。但是,在实际运行过程中若铁轨之间联结不好,接头处电阻过大,或者轨道与地面绝缘不良等因素都会造成电流的泄漏,这些泄漏的电流就是杂散电流8。杂散电流容易受到周围环境的各种因素的影响,是一个不稳定的物理量。其产生原因很复杂,种类也很多,但一般可以归结为以下两点:第一,电流泄漏。电流泄漏是产生杂散电流的一个主要原因。电流泄漏主要是由于接触或者绝缘不好等原因造成的。因为一旦有电流泄漏,在这些泄漏电流的作用下,会导致金属结构物中的自由电子发生定向移动,造成电子与金属阳离子的分离。如果这些金属结构物的周围是电解质环境,那么结构物中的金属阳离子就会脱离金属,进入电解质中去,这样金属就遭受了腐蚀。仍然以轨道运输系统来进一步说明杂散电流的腐蚀过程。在轨道运输系统中,采用走行轨回流的直流牵引供电系统,接触网与牵引变电站的正母线连接,牵引变电所输出的直流电经导电轨和架空线送入电动车组,流经电机电器后经走行轨回流,再经连接在走行轨上的导线流回到变电所负母线。走行轨具有纵向电阻,因此从运行车辆至变电站负母线之间的回流线上就产生电压降,车量附近的走行轨电位相对高一些,形成轨道阳极区,因此就有正向泄漏电流流入大地混凝土结构中电阻较低的钢筋,电流就沿着钢筋向低电位的区域流动。接近回流点附近的地区轨道电位比较低,为轨道阴极区,结构钢筋中的杂散电流又可能再流回走行轨。因为地下埋设的钢筋,管道周围总有比较潮湿的电解质物质,杂散电流在金属与电解质之间流动就加速了金属失去电子游离成金属离子,形成了类似于电解过程的腐蚀现象。第二,电位梯度。电位梯度是产生杂散电流的另外一个主要原因。如果某一金属结构物置于一个电场中,而且这个电场的电位分布是不均匀的,存在电位梯度,这样这个金属结构物就容易遭受杂散电流的腐蚀。因为电场中有电位梯度,会对放于其中的带电粒子(金属中的自由电子)产生电场力,在电场力的作用下,金属内部的自由电子就会发生定向移动,造成电子与金属阳离子的分离。如果金属结构物所处的环境是电解质环境,金属阳离子就会脱离金属结构物而进入到电解质环境中去,造成金属结构物的腐蚀9。2.2.2杂散电流的腐蚀机理腐蚀分为自然腐蚀和电腐蚀,电腐蚀包括电解腐蚀和电势腐蚀。电解腐蚀是由外部直流电流在金属和电解质间的流动而产生的,这种腐蚀是城市轨道交通中金属腐蚀的主要形式。因在地铁回流的轨道中电流也是由高电位流向低电位,即从车辆通过车轮、轨道回到牵引变电所的负极,车辆所在处为高电位,牵引变电所为低电位,轨道对地有一定的过渡电阻,这样因电位差和过渡电阻存在,就形成对地的泄漏电流,一些回流电流从铁轨漏出通过埋设在地铁附近的金属管道等回到牵引变电所或其他低电位处,这样就形成电流回路。杂散电流从土壤流入路轨或埋地管的地方带有负电荷为阴极区,在阴极区的金属管道一般不受影响;杂散电流从路轨或管道防腐绝缘层破损处流出,此处管道带正电为阳极区, 以铁离子形式溶入周围的电解质中,从而使阳极区的金属管道腐蚀。直接埋在地下的钢筋、金属物体更容易受到腐蚀10。金属结构的腐蚀一般分为化学腐蚀和电化学腐蚀。在无电流情况下的腐蚀即为化学腐蚀,反之,则为电化学腐蚀。杂散电流对金属管线以及钢筋混凝土结构的腐蚀的本质就是电化学腐蚀。电化学腐蚀必须具备四个基本条件:(l)金属材料为阳极(或阳极区)及另一个阴极区;(2)金属材料为阴极(或阴极区)及另一个阳极区;(3)在阴极和阳极间存在电解质;(4)在阴极和阳极间形成电子流动路径。以上条件满足后就形成了电池效应,从而导致腐蚀。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2-3所示,图中的I为牵引电流,Ix、Iy分别为走行轨回流和泄漏的杂散电流。由图可知,地铁杂散电流所经过的路径可概括为2个串联的腐蚀电池。电池1:A为钢轨(阳极区)B床道、土壤C金属管线(阴极区)电池2:D金属管线(阳极区)E土壤、床道F钢轨(阳极区)图2-3地铁杂散电流腐蚀原理图当两个阳极区流出杂散电流时,该部位的金属(Fe)便与周围的电解质发生氧化还原反应,此金属即遭到腐蚀。当金属周围的电解质是酸性时,PH7时,发生的氧化还原反应为析氢反应,当金属周围电解质为碱性时,PH7时,发生氧化还原反应为吸氧腐蚀。反应如下:(1) 析氢反应 阳极: 阴极: (无氧酸性环境) (无氧环境)(2) 吸氧腐蚀 阳极: 阴极: (有氧碱性环境)上述两种腐蚀反应通常生成,而在钢筋表面或介质中析出,部分还可以进一步氧化形成。生成的继续被介质中的氧化成棕色的(红铁锈的主要成分),而可进一步生成 (黑铁锈的主要成分)11。杂散电流腐蚀的一般具有以下特点12:1.只有在阳极反应中才有金属腐蚀发生,在阴极反应中没有金属腐蚀发生;2.腐蚀集中于局部位置,腐蚀程度激烈;3.有防腐层时,往往集中于防腐层的缺陷部位。杂散电流引起的腐蚀与自然腐蚀是不同的,区别如下表13:表2-1 杂散电流腐蚀和自然腐蚀的差异项目自然腐蚀杂散电流腐蚀钢铁外观孔蚀倾向较小,有黄色或黑色的质地较疏松的绣层,创面边缘不整齐,清除腐蚀产物后创面边缘较粗糙孔蚀倾向较大,创面光滑,有时是金属光泽,边缘较整齐,腐蚀产物似炭黑色细分状,有水分存在时,可明显观察到电解现象环境在土壤中几乎均可发生一般土壤电阻率大于1000m环境下,腐蚀较困难铅外观腐蚀均匀,有空洞时亦变现浅皿状,腐蚀物为不透明的粉状物空洞内变现粗糙,创面呈壕状,长行分布不均匀或沿电缆呈一直线分布,腐蚀物为透明的或白色的结晶物环境水的pH值一般在6.8-8.5之外,氯化物浓度大地下水为中性,普遍会有氯化物,碳酸盐,硫酸盐2.3杂散电流的危害及分布规律2.3.1杂散电流的危害杂散电流会引起地铁设施、地铁附近的钢筋混凝土结构物以及埋地金属管线发生腐蚀,造成严重后果。主要表现在以下几个方面:(1)钢轨及其附件在列车下部,列车处于阳极区,容易发生电蚀。资料表明,钢轨的杂散电流腐蚀在隧道内及道岔等部位尤为显著,在有些地方23年就要更换轨道。道钉存在有杂散电流腐蚀,而且多发生在钉刃部位,从表面上难以发现。(2)钢筋混凝土结构物杂散电流通过混凝土时对混凝土本身并不产生影响,但如果有钢筋存在,钢筋很容易发生腐蚀。如果结构物中的钢筋与钢轨有电接触,则更容易受到杂散电流腐蚀。在地铁运营一段时间后,如果要对被杂散电流腐蚀破坏的钢筋混凝土结构进行维修和更换是十分困难的。(3)埋地金属管线杂散电流对埋地管线会产生腐蚀。地铁系统内的埋地管线主要有自来水管、石油管线、蒸汽管线等,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等。据调查这些管线不同程度地存在杂散电流腐蚀问题,有些铁管数年内甚至数月内即发生点蚀。(4)异常腐蚀在把线路引入修理库、交检库及运转库等建筑物时,如绝缘施工不良可使钢轨与建筑物发生某种程度的电气连接,从而使漏泄电流增大,产生较强的杂散电流腐蚀。例如设绝缘电阻降到O.1欧,钢轨电压的昼夜平均值为+5 V,则有平均50A的电流漏出,由此推算出的杂散电流腐蚀量为每年450千克。这种情况应尽量避免14。(5)造成人身触电地铁轨道为长轨,是由多节轨道焊接而成的,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。如图2-4所示,在站台上,地铁乘客手脚之间存在电位差,当这个电位差很高时,人就有触电死亡的危险。欧洲标准EN50122规定:这个电位差不得超过92V4。图 2-4 人身触电示意图(6)烧毁排流设备轨道与轨枕之间有绝缘相隔,但如果由于某种原因,绝缘物损坏,轨道与排流网短路,这时将有非常大的杂散电流,通过排流网、排流柜,流回牵引变流所,从而可能烧毁排流柜15。另外,在煤矿井下安全生产过程中,杂散电流也会造成一下危害:由于杂散电流的存在,轨道的电位高于大地的电位,当这个电位差大于电雷管的引发电压1-1.5 V时或雷管中通过的电流大于300mA时, 如果电雷管的一条导线接触轨道, 而另一条导线同时接触到与大地同电位的其它金属物件,将引起雷管的先期爆炸,当杂散电流串入高瓦斯掘进场子产生火花,还会引起瓦斯爆炸,后果极为严重16。在正常情况下,漏电继电器的直流电流是通过电网的三相对地绝缘电阻和直流继电器返回的,如果绝缘电阻低(电流大),则漏电继电器动作。因此,漏电继电器是否动作,主要取决于直流继电器通过的电流大小。因此,当采区变电所在运输大巷附近时,将会有很小一部分杂散电流通过电网三相对地绝缘电阻和漏电继电器的直流继电器返回,虽然其数值很小,但和直流继电器原来的工作电流相叠加后,将加大通过直流继电器的电流,因而可能使漏电继电器发生误动作,从而切断电源,影响矿井的正常生产,造成不必要的经济损失17。2.3.2杂散电流的分布规律通过对城市轨道交通的直流牵引供电系统和杂散电流的定义进行分析之后,总结出杂散电流的分布规律如下:(1)在阳极、阴极处,杂散电流最大在电源的接入端,也就是阳极、阴极处,电流大于没有泄漏时的串联电流,这时的杂散电流主要是流回主回路的杂散电流。在实际地铁运行中,机车的下部处于阳极区,容易发生腐蚀。变电站附近的钢轨处于阴极区,也容易发生腐蚀。所以应对其重点防护。(2)各杂散电流的和为零从主回路泄漏的杂散电流与流回主回路的杂散电流近似相等,符合能量守恒定律。其中从变电所到机车处泄露杂散电流总量先增加后减少,在变电所和机车处为零,在机车与变电所的中点处最大9。2.4杂散电流的影响因素及危害的判定依据2.4.1影响杂散电流的因素地铁杂散电流的产生、大小、分布与以下几个因素有关9:1、地铁轨地过渡电阻值走行轨与地之间的过渡电阻越小,走行轨与地之间的泄漏点就越多,杂散电流越容易产生,而且越大。2、走行轨阻抗的大小钢制的走行轨本身的阻抗越大,杂散电流就越大。3、机车运行的牵引电流大小机车的牵引电流越大(列车在启动和超负荷运行时,瞬间牵引电流达到上千安培),杂散电流的比例也就会越大。4、供电区间的距离地铁列车的位置离走行轨连接负极的距离越远,杂散电流产生的范围就越大。5、土壤潮湿度土壤越潮湿,流入土壤中的杂散电流与走行轨上流过的电流的比例就越大,此外杂散电流的产生与土壤的酸碱度,细菌情况也有一定的关系18。在以上几个因素中,有研究表明,地铁轨地过渡电阻及走行轨阻抗是影响杂散电流的最为重要的因素19。2.4.2杂散电流危害的判定依据 (1)泄漏电流密度金属腐蚀过程实质上是一种微观的电解过程,本质上是一种电化学过程,根据Faraday电解第一定律,金属在电解质溶液中自发地进行电化学腐蚀的腐蚀量与流过金属的电量成正比,即: (2-1)式中:W金属在时间内的腐蚀量,;在时间内流过金属的电量,;Faraday常数,;金属被氧化过程中失去的价电子数;金属的电化学当量,在电解质水溶液中的;M金属的质量,的质量;I流出阳极金属的电流,。 由式(2-1)可得,在自然腐蚀的条件下,1A的电流可在1年内腐蚀掉9.13kg的钢铁。根据北京地铁公司实测结果,北京地铁杂散电流的最大值可达220A326A。很显然,如此高的杂散电流必将对埋地管线和隧道主体结构中的钢筋造成严重腐蚀,就是以较小的杂散电流值220A来计算,通过1年时间的杂散电流腐蚀,可以腐蚀掉2007.83kg钢铁。由公式可以看出,泄漏电流值I是影响腐蚀过程的十分重要的参数,在实际操作过程中,对这个电流密度值给了定量的规定,如表所示:表2-2地铁结构允许泄漏的电流密度材料与结构生铁混凝土中钢筋钢结构 允许泄漏电流密度/mA/dm20.750.600.15一般地铁杂散电流腐蚀判定依据中采用的允许泄漏的电流密度采用混凝土钢筋:。(2)极化电压由于地铁结构中泄漏电流难以直接测量,所以腐蚀危险性指标只能采用间接指标来表示。间接指标是指由泄漏电流引起的电位极化偏移(电压)值。隧道结构的外表面受杂散电流腐蚀危害的控制指标是用泄漏电流引起的结构电压偏离其自然电位的数值来表示的。对于钢筋混凝土中的地铁主体结构钢筋,上述极化电压的正向偏移平均值不应超过0.5V。地铁杂散电流腐蚀防护技术规程CJJ49-92中的3.0.5条规定:对主体结构钢筋的极化电压30分钟内的正向偏移值不得超过0.5V。(3)电缆金属外铠装危险电压直接埋设在土壤中的金属外铠装电缆,受杂散电流腐蚀的危险电压不应大于表2-2所列数值。当土壤电阻率大于3000为不良土壤。表2-3电缆金属外铠装危险电压 危险电压/V土壤电阻率/铁接地电极硫酸铜测量参比电极0-0.551000(4) 轨道对结构钢、轨道对地有一定的过渡电阻,这样就会因电位差和过渡电阻的存在,形成了对地的泄漏电流。过渡电阻值也是考察轨道绝缘的一个很重要的参数,在地铁杂散电流腐蚀防护技术规程CJJ49-92中第4.2.1条规定:地铁走行轨道与隧洞主体结构之间的过渡电阻值不应小于15/km。(5) 由于存在从钢轨泄漏到大地的杂散电流,地铁轨道和站台间,有时会出现异常电压,为了保护乘客及铁路员工的安全,免遭钢轨与结构钢间接触电压的伤害,根据标准VCEO115第一部分(61/82)规定:轨道与结构钢间的电位差不超过92V20。2.5本章小结本章分析介绍了杂散电流腐蚀产生的原理及其危害,主要得出以下几个结论:(1) 地铁杂散电流腐蚀与金属结构自然腐蚀不同,其腐蚀程度相当剧烈,并集中于局部,本质上是电化学腐蚀,在腐蚀反应中在地铁运营过程中,混泥土结构、埋地金属管线以及周围建筑物都有可能受到杂散电流腐蚀。(2) 杂散电流腐蚀的监测与防护是地铁建设和运营过程中必须要考虑的重要问题,研究杂散电流的影响因素和腐蚀规律,可以有效的为地铁杂散电流的防护和监测提供可靠的依据。(3) 地铁杂散电流的腐蚀危害非常严重,可以造成多方面的干扰和破坏,如:腐蚀钢轨及其附件和埋地管线,破坏钢筋混泥土结构,人身触电,排流设备的烧坏及通信设备的干扰等。3.杂散电流的防护方法3.1引言将杂散电流降到最低程度,采取“源控制”的办法是根本的治理大计。所以在地铁建设中应该制定一套严格的防护制度,并按照国家相关规定认真贯彻和实施,做到“防患于未然”,这是必不可少的先期防护措施。由于自然因素的不可抗拒性,导致先期的防护措施随时间的推移而逐渐失去效果。经过一段时间的运营后,不可避免的污染、潮湿、漏水和受力破坏等因素,均会使原来良好的轨道绝缘性能降低,老化或失效。此时最有效的消除杂散电流的手段是排流法,当然还有许多别的方法,但是不如此方法更为有效。此外,分段供电、在轨道上设置绝缘结、使用单向导通装置也是防止特殊地段杂散电流腐蚀的有效措施之一。杂散电流防护是一个综合性工程,其实施涉及到各个领域。目前杂散电流防护应该从两方面着手考虑:一是控制杂散电流产生的源头,减少杂散电流产生的数量。二是对已经产生的杂散电流的采取排流或其它有效方法以降低其腐蚀危害程度。3.2杂散电流的防护原则 地铁线路杂散电流的防护是一项系统工程,目前可分为三类:(1)让回流轨中的电流全部流回牵引变电所的负极,而不向地下泄漏,即在回流轨与地之间采取有效的绝缘措施;控制和减小杂散电流产生的根源,隔离所有可能的杂散电流泄漏途径,称为“堵”。(2)通过与排流网电气连接的测防端子和走行轨来监测杂散电流的大小,以便超标时及时采取措施,称为“测”。(3)将回流轨中部分向外泄漏的电流,以某种渠道将其引回变电所的负极,即设置合理的排流网结构,为杂散电流提供一条畅通的低电阻通路,称为“排”。在直流牵引供电系统中,对杂散电流的防护原则是:预防于“测”,以“堵”为主,以“排”为辅,“堵”、“排”结合。若“堵”未处理好,那么“排”与“测”仅是无奈之举;而在先期的防护措施逐渐失效造成大量杂散电流时,“测”和“排”又起着关键作用。正因如此,首先应采取从源头上根本控制和减小杂散电流,即“堵”的方法21。3.3杂散电流的先期防护措施经过对杂散电流的分析,可以总结出杂散电流的先期消除措施应该主要从以下几个方面考虑:(1)降低列车电流列车电流与系统电压、客流量、变电所间距、列车追踪时间间隔等有关。列车电流对泄漏电流和轨道电位都有很大影响,其电流越大,产生的杂散电流就越多。采用变压变频(VVVF)控制的三相异步电机具有传动效率高,节电效果更显著的优点,而再生制动的应用则可进一步减少负荷。此外,采用较高的系统电压可以减小负荷电流。根据功率公式P=UI可知,在相同的牵引功率下,提高直流牵引电压,可以按相同的比例降低负荷电流,从而达到降低杂散电流的目的。目前我国地铁牵引供电系统中,供电电压主要有750V和1500V,采用1500V电压牵引供电所就比采用750V电压牵引供电产生的杂散电流小。(2)缩短变电所之间的距离 供电距离越短,轨道泄漏电流和轨道电位越低,杂散电流越小,对结构钢筋或金属管线产生的腐蚀也就越小。因此在布置牵引变电所所址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。(3)增大走行轨过渡电阻走行轨过渡电阻对泄漏电流的影响特别显著,对轨道电位的影响较小,过渡电阻越大,产生的杂散电流越少,因此提高走行轨过渡电阻是限制杂散电流的一个根本措施。增大走行轨过渡电阻的措施主要有:a.钢轨绝缘安装虽然钢轨绝缘安装在杂散电流防护工程设计中证明是成功的,但这些绝缘材料的电气及机械性能的长期稳定性还有待检验,特别是在严重污染和恶劣的环境条件下,一旦其绝缘性能下降将更容易导致电气短路,从而增大杂散电流腐蚀。因此在运营中应定期清扫道床,排除绝缘材料上的污秽物,从而保持很高的走行轨过渡电阻值。b.道床与结构钢筋间绝缘隔离在道床下面设置与主体结构(如隧道、桥梁)钢筋隔离的防水层,防水层采用绝缘材料铺设,具有良好的防水性能和电气绝缘性能,防止杂散电流进入结构钢筋。若要设置排流网,排流网应直接铺设在防水层上方的混凝土层内,主体结构的钢筋可形成另一辅助排流系统。c.利用绝缘轨缝隔离分区该方法通常在车辆段及综合维修基地内实施。可通过设置绝缘轨缝将钢轨隔离分区,各分区单独引回流线到变电所。因为钢轨长度减小了,走行轨过渡电阻就相应增大了,同时钢轨电压也降低了,而这也是我们所需要的。车辆段与正线连接线也需要设置绝缘轨缝隔离,一方面是正线上的较高的轨道电压不会被引入到车辆段内,从而减少车辆段内的杂散电流,另一方面不允许车辆段内的钢轨回流流向正线,从而泄漏至正线结构钢筋而产生腐蚀。(4)做好工程中的防水与排水例如:北京地铁1号线出现过道床被水淹后走行轨过渡电阻基本为零的情况,失去了限制杂散电流的作用。工程实施中要做到防止隧道漏水并设置良好的排水系统,防止道床上被积水。据资料显示,混凝土在干燥和潮湿条件下电阻率相差为1亿倍,即在干燥条件下混凝土为绝缘介质,而在潮湿条件下为导电介质,因此做好工程中的防水与排水,对保护混凝土内的结构钢筋有重要的作用。(5)做好日常运营维护,防止道床污染通常新线在交验时钢轨对地的过渡电阻值高达六七十欧千米。只要在运营过程中采取必要的运行及检修规程,就可维持较高的钢轨对地过渡电阻值。(6)减小走行轨纵向电阻走行轨纵向电阻越小,牵引回流流过时产生的压降越小,使钢轨对地的纵向电位差也会减小,保证了良好的回流,减小了杂散电流的泄漏。一般采取以下措施22:增加走行轨截面尺寸。增大钢轨横截面积,可以降低回流电阻,减少了杂散电流。因此,在工程实施中,考虑投资、运量等相关因素情况下,应尽量采用60 kg/m钢轨;工程中还应尽量采用无缝钢轨;如钢轨采用鱼尾板连接,在钢轨接缝处采用电缆连接两边钢轨,减小钢轨接缝处的电阻值;在特殊区段,增设与钢轨并联的纵向电缆也是降低回流电阻的有效措施。尽量多地设置钢轨之间的均流线复线地铁或轻轨中四根钢轨并联,理论上总回流电阻为单根钢轨回流电阻的1/4。由于信号轨道电路的要求,在满足信号专业要求的前提下设置的均流线间隔距离长,回流电流在上下走行轨道间会分配不均。尽量多地设置均流线在一定程度上可以减小回流电阻。(7)隔离法隔离法是通过电缆沟布线,并在固定位置采用绝缘安装,金属管道多采用外刷绝缘涂料。常用的绝缘涂层有沥青、煤焦乙烯等。其优点是施工简单、一般不需维护,而且成本低。缺点是不彻底,如果涂料的密封性不好,长时间运行后会开裂脱落23。采用隔离法可以减少杂散电流的漫延。一是在条件允许的情况下,尽可能增强整体道床结构与隧道、车站间的绝缘。二是在高架桥区段,桥梁与桥墩之间加橡胶绝缘垫,实现桥梁内部结构钢筋与桥墩结构钢筋绝缘,防止杂散电流对桥墩结构钢筋的腐蚀29。(8)构造杂散电流排流网建立杂散电流收集网,可以减少杂散电流向外界扩散。地铁施工中,整体道床内结构钢筋被纵向连通形成杂散电流主收集网,为杂散电流提供了第一个电气通路,减少了杂散电流经道床向其他结构的泄漏。隧道钢筋(内衬墙钢筋)纵向连通形成杂散电流的第二个电气通路(即辅助收集网),减少杂散电流向地铁以外泄漏。这样处理后,大部分杂散电流经过主收集网流回变电所,小部分杂散电流通过辅助收集网流回变电所,向外泄漏的杂散电流就非常小了,达到了减少杂散电流外泄的目的。杂散电流收集网由上、下两排纵向钢筋组成,每排钢筋为5根12mm钢筋,每隔50m用一根25mm以上的横向钢筋将5根纵向钢筋焊接成一整体,同时用两根20mm钢筋把上、下2根横向连接钢筋焊成一体,如图3-1所示。上排的5根钢筋除了起杂散电流收集作用外,还起固定混凝土软枕的作用,混凝土软枕上预先穿好孔,钢筋在施工时穿进去。下排钢筋固定在混凝土道床里。杂散电流收集网与隧道的结构钢筋间应绝缘,不能相连。杂散电流收集网在每个牵引变电所的两个端头设引出端子,用以测量和收集杂散电流。 图 3-1 杂散电流收集网但是利用排流网进行排流时也会带来不利影响,主要表现在以下几个方面:(1)排流跟不排流比较,轨道电压增加,排流量过大时有可能超过允许安全电压(规定为65V);(2)排流跟不排流比较,轨道电流减小;(3)排流跟不排流比较,杂散电流增加,这就意味着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加大。这就要求我们:首先要确定排流的时机,其次要严格地控制排流量的大小,以期充分抑制排流带来的副作用。3.4杂散电流的产生后的防护方法及优缺点比较3.4.1钝化防护杂散电流对金属构件( 结构钢筋和金属管线) 的腐蚀为电化学腐蚀。当杂散电流进入金属构件时,对其不产生腐蚀;而当杂散电流从金属构件流出至非金属介质时,对其产生腐蚀。对于结构钢筋,其腐蚀的原理是钢筋与其周围的水泥硅酸盐发生电化学反应,钢筋释放铁离子与周围电解质反应生成其它化合物。若电流密度小于0.6 mA/dm2,则电化学反应发生后会在钢筋表面形成一层白色的化合物。该化合物的电阻率较大。随着时间的延续,当该化合物厚度达到一定程度时, 就会成为包裹钢筋的一层外绝缘层,从而阻止钢筋与外部水泥硅酸盐电解质的继续接触,阻止了杂散电流对钢筋的继续腐蚀。该状态称为腐蚀钝化状态。
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