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地铁杂散电流防护文小龙 地铁常识 地铁供电系统 模型分析 杂散电流测量 杂散电流防护 排流柜 单向导通装置 框架泄漏保护装置 钢轨限位装置 杂散电流介绍 地铁常识 地铁车站类型 按功能分为以下四种 中间站只供乘客上下车用车站折返站在中间站设有折返线路设备即称为折返站 一般在市区客流量大的区段设立 可以满足乘客需要 节省运营开支换乘站既用于乘客乘降又为乘客提供换乘的车站终点站地铁线路两端的车站 除了供乘客上下或换乘外 通常还供列车停留 折返 临修及检修使用 地铁常识 地铁路网基本类型 单线式 单环线式 多线式 蛛网式引申类型 放射形 棋盘式 棋盘加环线等地铁每条线路都由区间隧道 地下 或地面线路和高架桥 地上 车站及附属建筑物构成 地铁常识 地铁车辆地铁车辆分为动车 带动力装置 和拖车 不带动力装置 以及带司机室和不带司机室多种形式 地铁车辆由车体 动力转向架和非动力转向架 牵引缓冲连接装置 制动装置 受流装置 车辆内部设备 车辆电气系统等组成 地铁常识 地铁轨道轨道的构造主要包括钢轨 扣件 轨枕 道渣 排水沟 边坡等现代化轨道为彻底改善钢轨接头之缺点 采取连续焊接之方式 以连续焊接钢轨取代钢轨接头 藉以减少轨道之维修工作 并可增加使用年限 此称为长焊钢轨 地铁常识 地铁道岔与侧线道岔是引导车辆进入所指定的另一轨道或车场 工厂之轨道 由一组转辙器 一个岔心 辙叉 两根护轨 一排岔枕组成 其扳动方式分为手动和电动两种 以达到切换轨道路线的目的 侧线主要提供列车会车及待避之用 架空接触网置于车辆限界的上限平面以上或位于该平面通过受电弓向电动客车输送电能的接触网 接触轨用金属轨条制成的向电动客车供给电能的刚性导电体其标高通常与走行轨的标高相接近走行轨用来车辆通行的轨道均流线连接上下行回流轨使其均匀回流的跨越导线 返回目录 地铁供电系统 地铁的供电电源要求安全可靠 通常由城市电网供给 目前 国内各城市对地铁及城市轨道交通的供电一般有三种方式 即分散供电方式 集中供电方式 分散与集中相结合的混合供电方式 地铁供电系统 分散供电方式沿地铁线路的城市电网 通常是10KV电压等级 分别向各沿线的地铁牵引变电所和降压变电所供电 前提条件是城市电网在地铁沿线有足够的变电站和备用容量 并能满足地铁牵引供电的可靠性要求 早期的北京地铁采取的就是这种供电方式 地铁供电系统 集中供电方式城市电网 通常是110KV或66KV电压等级 向地铁的专用主变电所供电 主变电所再向地铁的牵引变电所和降压变电所供电 地铁自身组成完整的供电网络系统 近几年新建的地铁系统多采用集中供电方式 如上海 广州 深圳地铁等 地铁供电系统 分散与集中相结合的混合供电方式分散供电与集中供电相结合构成了混合供电方式 混合供电可充分利用城市电网的资源 节约投资 但供电可靠性不如集中供电方式 管理亦不够方便 我国目前大多数地铁和城轨交通均采用集中供电方式 本次培训涉及地铁均默认为集中供电方式 地铁供电系统 地铁供电系统的组成地铁供电通常取自城市电网 通过城市电网一次电力系统和地铁供电系统实现输送或变换 然后以适当的电压等级供给地铁各类设备 通常取自城市电网电压为110KV 经过中压网络传输到地铁的牵引变电所和降压变电所 国内采用的中压等级一般为35KV 33KV 10KV电压等级 其中33KV为非标准电压等级 国内上海地铁 号线 广州地铁 号线采用该电压等级 北京和天津的地铁和城市轨道交通的中压供电网络采用了10KV电压等级深圳地铁1 4号线和南京地铁南北线的中压供电网络均采用35KV电压等级 地铁供电系统 根据用电性质的不同 地铁供电系统可分为两部分 由牵引变电所为主组成的牵引供电系统和以降压变电所为主组成的动力照明供电系统 牵引供电系统主要由主变电所 牵引变电所 接触网 电力监控 供电缆网等组成 提供地铁车辆的牵引动力电源 动力照明供电系统主要由降压变电所 低压母线排 配电设备 线缆 用电设备等组成 提供地铁机电设备动力电源和照明电源 此外 还应设置地铁应急电源系统 如小型发电机 电源 电源等 地铁供电系统 示例一一次系统图 地铁供电系统 示例二采用35KV传输的牵引变电所 地铁供电系统 牵引供电系统城市轨道交通和地铁的牵引供电系统通常均采用较低电压的直流供电制式 国际电工委员会拟定的电压标准为 600V 750V 1500V三种 后两种电压为推荐值 我国国标规定为750V和1500V 北京地铁采用的是750V直流供电电压 上海地铁 广州地铁 深圳地铁等均采用的是1500V直流供电电压 地铁供电系统 牵引供电系统牵引供电系统直流标称电压应采用750V或1500V 波动范围如下 直流供电系统的正 负极均不接地 地铁供电系统 受电方式地铁及城市轨道交通一般采用架空接触网或接触轨两种受电方式 目前 一般DC750均采用接触轨受电方式 DC1500V采用架空线受电 但有部分地方开始采用DC1500V接触轨受电 架空线受电 接触轨受电 地铁供电系统 轨道回流地铁一般采用走行轨或采用专用的回流轨回流 当采用走形轨回流时 直流牵引回流电路由走行轨及其电气连接件和回流电缆组成 我国标准规定 利用走行轨回流 且在最大负载时 轨上任意一点对地电位差应不大于90V 欧洲标准为92V 新建线路 走行轨对地电阻值 分段测量时每公里不小于15 地铁供电系统 电分段 单边供电 双边供电地铁牵引供电系统由分布在地铁沿线的牵引变电所及沿轨道架设的接触网组成 每个变电所的两侧为一个供电区间 每个供电区间长度在1 3km左右 牵引变电所每一侧的接触网称为 供电臂 为了保证地铁供电的可靠性及安全性 牵引变电所输出正母线通过接触网全线相连 两个变电所之间设置电分段 当一个电分段只有一个牵引变电所供电时 我们称之为 单边供电 如果一个电分段有两个牵引变电所供电 则为双边供电 地铁供电系统 电分段 地铁供电系统 双边供电 单边供电 返回目录 杂散电流介绍 杂散电流 又称迷流 straycurrent 任何不按预定通路而流动的电流 杂散电流区域 电流在直流牵引系统与金属结构或地之间流动的区域 一般来说 杂散电流流动的区域可以到几公里远 杂散电流介绍 地铁杂散电流形成原因地铁中 很多铁路采用走形轨 走行轨连接件以及电缆组成回流系统 走行轨与地之间并非绝对绝缘 而是有一定的对地电阻 存在多个电流泄漏点 因而形成杂散电流 杂散电流介绍 杂散电流危害杂散电流的通路如图所示 它实质上形成两个串联的电池 钢轨 阳极 土壤 金属管线 阴极 电池 金属管线 阳极 土壤 钢轨 阴极 电池 杂散电流介绍 杂散电流危害地铁隧道中是非常潮湿的 隧道中的水蒸气多为酸性 金属的腐蚀是一种化学反应 其化学反应式如下 腐蚀产生物为金属的铁锈 排流网是杂散电流的良好通道 在回流点附近 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 因而被腐蚀 杂散电流介绍 杂散电流危害杂散电流破坏混凝土结构腐蚀反应产生的腐蚀产物Fe OH 2 Fe2O3 xH2O 红锈 Fe3O4 黑锈 等在钢筋或钢管表面沉淀形成锈层 膨胀致使混凝土涨裂 杂散电流造成埋地管线局部穿孔杂散电流流由于数值大 使金属发生的腐蚀较快 经常遭受迷流腐蚀的管线几个月便会穿孔 杂散电流危及人体安全当杂散电流过大时 钢轨电位将会上升 同时轨地之间电位差增大 当超过92V 德国标准 人体就会有触电危险 杂散电流影响通讯设备 返回目录 模型分析 由于整个地铁线路是由多个变电所为机车供电 供电方式 列车的负荷 线路条件都是变量等多方面的原因 地铁严格意义上的杂散电流泄露的理论公式是很难推导的 为了简化所要研究的问题 且能够达到了解杂散电流分布规律的要求 采取理想的条件来建立地铁杂散电流分布的数学模型 并进行了数学公式的推导 模型分析假设轨道电阻沿线均匀分布 过渡电阻在轨道和排流网间均匀分布 忽略系统向外的泄漏电流 忽略馈电线路的阻抗 模型分析 单边供电 Rs轨道纵向电阻 kmRg1轨道与排流网之间的过渡电阻 kmRp排流网纵向电阻 kmRg2排流网与大地之间的过渡电阻 kmRd大地纵向电阻 kmu1 X 为在X处走行轨与排流网之间的电压Vu2 x 为在X处排流网与大地之间的电压 Vil x 为走行轨在处的电流 Ai2 x 为排流网在x处的电流 Ai3 x 为大地在X处的电流 AX为距变电所的距离 kmL为机车据变电所的距离 kmI为机车取流电流 A 模型分析 单边供电 根据以下公式 带入经验数值 通过仿真软件 我们可以得到一定的规律 模型分析 单边供电 排流网不排流 供电区间长度变化时参数分布规律 当机车与变电所间距离增加时 轨道电压 轨道电流损失量以及泄漏杂散电流总量均大幅度增加 模型分析 单边供电 排流网不排流 机车取流电流变化时参数分布规律 当机车取流电流增加时 轨道电压 轨道电流以及泄漏杂散电流总量均大幅度增加 模型分析 单边供电 排流网不排流 轨地过渡电阻变化时参数分布规律 当轨地过渡电阻低于3 km时 轨道电压 轨道电流以及泄漏杂散电流总量均大幅度增加 模型分析 单边供电 排流网不排流 轨道纵向电阻变化时参数分布规律 当轨道纵向电阻增加时 轨道电压 轨道电流损失量以及泄漏杂散电流总量均大幅度增加 模型分析 单边供电 排流网不排流 各量的分布规律1 轨道电压 从变电所到机车处 轨道电压逐渐增加 且在变电所处为负的最大值 在机车处为正的最大值 在机车与变电所的中点 电压值为零 2 轨道电流 从变电所到机车处轨道电流先减小后增加 以变电所和机车处轨道电流最大且相等 以机车与变电所中点对称 在机车与变电所的中点处最小 此处的轨道电流损失最严重 3 泄漏杂散电流总量 从变电所到机车处泄漏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 此处泄漏的杂散电流最大 整个分布规律也是以机车与变电所中点对称 模型分析 单边供电 排流网排流 供电区间长度变化时参数分布规律 当机车与变电所间距离增加时 轨道电压 轨道电流损失量以及泄漏杂散电流总量均大幅度增加 模型分析 单边供电 排流网排流 轨地过渡电阻变化时参数分布规律 当轨地过渡电阻低于3 km时 轨道电压 轨道电流以及泄漏杂散电流总量均大幅度增加 模型分析 单边供电 排流网排流 轨道纵向电阻变化时参数分布规律 当轨道纵向电阻增加时 轨道电压 轨道电流损失量以及泄漏杂散电流总量均大幅度增加 模型分析 单边供电 排流网排流 各量的分布规律1 轨道电压 从变电所道机车处 轨道电压逐渐增加 且在变电所处为负的最大值 在机车处为正的最大值 但是轨道电压为零的点并不是在机车与变电所的中点 2 轨道电流 从变电所到机车处轨道电流先减小后增加 轨道电流的值不关于某点对称 在轨道电压为零处的轨道电流损失最严重 3 泄漏杂散电流总量 从变电所到机车处泄漏杂散电流总量先增加后减少 在轨道电压为零处 泄漏的杂散电流最大 模型分析 单边供电 排流网排流前后 各量的分布规律 2020 3 19 41 可编辑 模型分析 单边供电 排流网排流前后 各量的分布规律排流后 轨道电压增加 这就需要在排流的时候考虑轨道电压是否会达到92V 会不会给地铁员工和乘客的人身安全带来问题 可以通过此电位对排流柜上的限流电阻进行自动调节 来解决这个问题 排流后 轨道电流减少 说明轨道电流的损失量增加 排流后 泄漏杂散电流总量增加 这就使得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 返回目录 杂散电流测量 目前研究以直流为主 交流为辅 对于直交混杂的情况 国内外的研究者正在积极地做各种定性 定量的实验 国外的地铁管理部门及高等院校内均设置了专门机构从事这方面研究并取得了丰富成果 我国的地铁建设起步较晚 因而对于杂散电流的相关研究开展比较晚 目前国内只有少数几家研究机构 如中国矿业大学等 目前国际上杂散电流防护通常采用VDE0115国际标准 欧洲标准EN50122 2 EN50162和德国 VDV 501 2标准 我国唯一杂散电流标准是1992年颁布的 地铁杂散电流腐蚀防护技术规程 杂散电流测量 直接测量杂散电流是不可行的 根据模型分析中描述 影响杂散电流中最大的两个参数为 轨道纵向电阻 轨地过渡电阻 地铁杂散电流腐蚀防护技术规程 CJJ49 1992 中规定 兼用作回流的地铁走行轨与隧洞主体结构 或大地之间 的过渡电阻值 按闭塞区间分段进行测量并换算为1KM长度的电阻值 对于新建线路不应小于15 KM 对于运行线路不应小于3 KM EN50122 2标准中规定 单个导轨单位长度电导率 不能低于下表中推荐值 杂散电流测量 EN50122 2标准中测量10米钢轨纵向电阻的方法 杂散电流测量 EN50122 2标准中钢轨与隧道的轨地电阻测量方法 杂散电流测量 EN50122 2标准中露天钢轨与地的轨地电阻测量方法 杂散电流测量 地铁隧道或轻轨基础为混凝土结构 排流网总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所示 我国的 地铁杂散电流腐蚀防护技术规程 CJJ49 92行业标准第3 0 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平均值不得大于500mV 这一条作为防腐蚀的标准 杂散电流测量 杂散电流测量 FM308杂散电流集中测控装置功能 监测全线排流网腐蚀情况 并可实现自动排流防护 测量参数 极化电压 接触电压 参比电极电位构成 参比电极 传感器 转接器 监测装置 通信网络 上位机系统 特点 就地实时采集数据 测量精确 独立系统 根据监测结果实现自动极性排流 将腐蚀控制在最低限度 杂散电流测量 杂散电流集中测控装置 杂散电流测量 杂散电流自动监测系统的监测内容1 结构钢极化电压正向偏移平均值地铁轨道漏出来的杂散电流能否引起隧洞结构钢筋的腐蚀 以杂散电流引起结构钢筋的电位极化电压偏移值来确定 因此在 CJJ49 92地铁杂散电流腐蚀防护技术规程 中的3 0 5条中规定 对于钢筋混凝土地铁主体结构的钢筋 极化电压30分钟内的正向偏移平均值不得超过0 5伏 这一条是作为设计地铁杂散电流监测系统的依据 杂散电流测量 杂散电流自动监测系统的监测内容2 钢轨对结构钢的电压值地铁轨道与站台间 钢轨与结构钢间 有时会出现异常电压 为了保护乘客和铁路员工的安全 免遭钢轨与结构钢间接触电压的伤害 根据欧洲标准VCEO115第一部分 6 82 的规定 轨道与结构钢间的电位差 接触电压 不得超过92伏 另外根据钢轨对结构钢的电压值 可了解钢轨的运行状态 判断钢轨有无裂缝 杂散电流测量 杂散电流自动监测系统的监测内容3 参比电极的本体电位结构钢极化电位不能直接测量 需要参比电极提供基准电位 参比电极的本体电位可能随着时间的推移或环境的变化而发生衰减 因此需要监测参比电极的本体电位 并判定参比电极是否损坏 返回目录 杂散电流防护 地铁杂散电流腐蚀防护技术规程 规定基本防护原则 一 以治本为主将地铁杂散电流减小至最低限度二 限制杂散电流向地铁外部的扩散三 地铁附近的地中金属管线结构应单独采取有效的防蚀措施对于如何治本 本次不予考虑 主要介绍如何进行保护 EN50122 2中规定了三种常见的排流方法 一 极性排流法二 强制排流法三 附加电流的阴极保护 杂散电流防护 极性排流法极性排流通过二极管或继电器使电流只能在一个方向流过而实现 为了限制电流大小 一般需要配置限流电阻 极性排流会增加杂散电流 这种方法通常被用于所要保护的结构远离其他结构物 杂散电流防护 强制排流法某些特定情况下 可以采用强制排流法 这是一个强制电流系统 运行轨道是阳极 杂散电流防护 附加电流阴极保护在系统中 附加电流从附加电流的阳极通过大地流到被保护的结构钢上 杂散电流防护 目前 采用走行轨作为回流通路的地铁一般在走行轨下面架设排流网作为杂散电流收集通道 对于隧道 一般以隧道的结构钢作为备用排流通道 返回目录 排流柜 目前 基于可操作性考虑 国内地铁排流基本采用极性排流法 有固定电阻排流和可调电阻排流两种方式 固定电阻排流经过二极管D及固定限流电阻R 把排流网与轨道连接在一起 使排流网中的杂散电流流回牵引变电所的负母线 排流柜 固定电阻排流缺点当列车在运行中负荷电流很大时 在回流点附近 轨道与排流网间的电位差 V值很大 因此排流网结构钢筋与水泥基础间的电位差 极化电位 V 也很高 V与 V 成正比 很容易超过0 5V 导致结构钢筋产生腐蚀 排流柜 过排流和欠排流欠排流 经固定限流电阻排流法排流以后 V 超过0 5V 欠排流状态时 易产生腐蚀 减小限流电阻值 或使其为零 这样 可使回流点附近排流网结构钢筋的极化电位小于0 5V 或接近零 这种状态称之为 过排流在过排流状态下 杂散电流对结构钢筋的腐蚀危害较小 但在列车负荷端电压增加 带来安全问题 排流柜 可调电阻排流限流电阻应是可变的 并使 V 保持在0 5V 排流柜 智能排流柜智能排流柜就是采用了可调电阻方式 通过改变IGBT的占空比来达到理想排流状态 控制原理 采用排流网结构钢筋极化电位0 5V作为自动排流的设定量 通过参比电极测出排流网结构钢筋与水泥基础间的电位差 控制驱动模块 向IGBT发出闭合 开通信号 进行斩波调阻来改变可调限流电阻的阻值 使排流柜工作在理想状态下 排流柜 控制原理 排流柜 智能排流柜 排流柜安装在牵引变电所内 电气联接在排流网端子和整流器负极母排 返回目录 单向导通装置 单向导通装置当车场 车辆段 隧道 高架桥等特殊地段的轨道上运行时 由于这些场所的特殊性 保证机车回流电流正常流向变电所 而列车在车场 车辆段 隧道 高架桥等特殊地段以外的钢轨部位运行时 不允许列车的回流电流流过这些特殊地段 从而减小杂散电流对这些特殊地段结构钢筋的腐蚀 目前 为了达到上述目的 在车场 车辆段 隧道 高架桥等特殊地段轨道上了 均设置了绝缘结 从而物理上将这些场合轨道与运行轨道隔离 单向导通装置 单向导通装置车场 车辆段 隧道 高架桥等特殊地段设置绝缘结后问题 1 列车在上述地段运行时 走行轨电流如何流回变电所 2 列车经过绝缘结时 电流的突变 有可能使绝缘结两端产生一个电位差 发生打火烧毁轨道的现象 电路中电压大于10 12V 且电流大于80 100mA 分开的触头之间就会产生电弧 单向导通装置主要是为了解决上述两个问题 单向导通装置 单向导通装置 单向导通装置 单向导通装置消弧原理 单向导通装置 地下和地面或车辆段和运行线隔离单向导通装置的正极接地下段钢轨 负极接地面段钢轨当列车在地面正线运行时 不允许列车电流回流至地下段 地下段绝缘条件更差 车辆段和正线的隔离原理类似 单向导通装置 水下隧道内钢轨隔离单向导通装置的正极接隧道沉管区段地下钢轨 负极接沉管区段以外钢轨 当列车在隧道沉管区段运行时 列车电流通过单向导通装置回流至牵引所 而当列车在隧道沉管以外区段运行时 列车电流通过与钢轨平行的回流电缆回流至牵引所 单向导通装置 地下与地面铁道线路 单向导通装置 过江隧道 返回目录 框架泄漏保护装置 EN50122 1中规定 对于直流轨道系统 短时人体接触电压如下 Permanentconditions Theaccessiblevoltagesshallnotexceed120Vexceptinworkshopsandsimilarlocationswherethelimitshallbe60V 框架泄漏保护装置 框架泄漏保护装置的作用是当地铁直流牵引变电所内的1500V开