杂散电流相关参数测试方法研究

摘 要地铁和轻轨等城市轨道交通，在机车运行过程中产生的杂散电流会对周围环境、设备和人员安全造成一定的危害，我们必须采取一些有效的手段对杂散电流进行防护和监测。本文在对杂散电流的定义、分布规律和危害等基础内容进行研究之后，又介绍了一些现在普遍使用的杂散电流防护方法。为了及时了解地铁中牵引回流漏泄的情况和地下金属结构受杂散电流腐蚀的程度，并使防护方法能够更好的实现功能，我们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。这些需要检测的参数主要包括：结构钢极化电位、轨构（轨地）电压、流过结构钢的杂散电流、轨道纵向电阻、轨地过渡电阻、绝缘垫电阻和直流架线泄漏电流等。所以本文的重点就是在结合城市轨道交通相关知识的基础上，针对以上这些参数的测量原理、测试方法和具体实现等进行研究，并依据现场测量的结果为金属结构受杂散电流的定量腐蚀做出判断。同时还简单介绍了杂散电流的在线监测系统的组成结构和功能。关键词： 轨道交通；杂散电流；检测；防护ABSTRACTUrban rail transit such as subway and light rail, will generate stray current in the running process of the locomotive, which will harm the surrounding environment, equipment and person, therefore we must take some effective means to protect and monitor stray current.In this paper, after studying the definition of stray current, distribution laws and hazards, I also introduced a number of stray current protection methods widely used nowadays. In order to understand the situation of the traction back leakage in subways and the extend of corrosion which the underground metal structures subject to the stray current, and make the protection methods achieve better function, we need to test the parameters of stray current and some effect factors during the protection. The needed detection parameters include: structural steel polarization potential, orbit and earth voltage, the stray current flowing through the structural steel, track longitudinal resistance, orbit and earth resistance, partition insulator resistance and overhead contact system leakage current and so on. Therefore, based on the knowledge of urban rail transit, the focus of this paper is to study the principles of measurement, test methods and practical realizations of the above parameters. Then judge the extension of quantitative corrosion which the metal structures subjected to stray current based on the results of on site measurements. At the same time I also introduced briefly the composition structure and function of the online monitoring system of stray current. Keywords： Urban rail transit；stray current ；inspection；prevention 目 录1 绪论 .11.1 课题的背景及意义 .11.2 国内外现状 .21.3 目前存在的主要问题 .31.4 本文主要研究内容 .32 杂散电流的基础研究 .42.1 城市轨道交通的直流牵引供电系统 .42.2 杂散电流的定义及分类 .52.2.1 杂散电流的基本定义 .52.2.2 城市轨道交通的杂散电流 .52.2.3 杂散电流的分类 .62.3 杂散电流的分布及其影响参数 .62.3.1 杂散电流的分布规律 .62.3.2 影响杂散电流的参数 .62.4 杂散电流的危害 .72.4.1 杂散电流腐蚀的危害 .72.4.2 杂散电流的其它危害 .82.5 杂散电流的防护方法及相关标准 .92.5.1 杂散电流的先期防护措施 .92.5.2 杂散电流产生后的防护 .102.5.3 杂散电流的防护标准 .113 杂散电流相关参数检测 .123.1 结构钢极化电位的测量方法 .123.1.1 测量原理 .133.1.2 测量步骤 .143.1.3 测试结果分析 .153.2 轨构（轨地）电压的测量方法 .153.2.1 测量原理 .153.2.2 测量步骤 .163.3 轨道纵向电阻的测量方法 .163.3.1 测量原理 .163.3.2 测量步骤 .173.3.3 注意事项 .173.4 轨地过渡电阻的测量方法 .183.4.1 测量原理 .183.4.2 测量步骤 .213.5 流过结构钢的杂散电流的测量方法 .223.5.1 测量原理 .233.5.2 测量步骤 .233.6 绝缘垫电阻的测量方法 .243.6.1 测量原理 .243.6.2 测量步骤 .253.7 直流架线泄漏电流的测量方法 .253.7.1 测量原理 .263.7.2 测量步骤 .263.8 轨道交通系统外杂散电流的检测 .273.8.1 管/地(P/S)电位检测技术 .273.8.2 直流电压梯度测试技术(DCVG） .273.8.3 Pearson 检测技术 .273.8.4 管内电流检测技术 .273.8.5 变频选频法 .283.8.6 管中电流 电位法 .284 地铁杂散电流综合在线监测系统 .294.1 系统组成及各组成部分的功能 .294.1.1 参比电极 .304.1.2 通信电缆 .304.1.3 传感器 .304.1.4 数据转接器 .304.1.5 智能监测装置（检测装置） .304.1.6 微机管理系统（上微机系统） .314.2 系统的功能 .314.2.1 正常运行状态的监视 .314.2.2 报警提示 .324.2.3 显示处理方式 .324.2.4 运行数据的打印功能 .324.2.5 系统自检功能 .325 总结 .34参考文献 .36翻译部分 .38英文原文 .38中文译文 .55致 谢 .68 中国矿业大学 2009 届本科毕业设计 第 1 页1 绪论1.1 课题的背景及意义近年来，随着改革开放政策的贯彻执行以及经济建设世纪目标的实现，我国大中城市的建立和发展有了很大的提高，同时大量的流动人口和快节奏的生活使得人们对准时、安全、快捷的交通方式的需求越来越强烈。城市轨道交通作为一种较成熟的交通方式，便凭借其运量大、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。城市轨道的主体结构是永久性建筑，是百年大计，所以我们应该对其安全性能保持足够的关注。轨道交通所使用的电动车组牵引用电量大，线路长,其周围常有各种金属管线设施。而且我国的地下铁道和轻轨交通，基本上都采用走行轨回流的直流牵引供电方式。这样做虽然可以减少建设投资，但同时其运行时所带来的伴随走行轨回流方式而产生的杂散电流(又称迷流)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、电缆金属恺装外皮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上主体结构的强度和耐久性，严重时还可能发生管道漏泄,造成灾难性损失。 1如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。此外，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。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，目前许多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种复杂的地下工程，其结构在施工完成后己定型。经若干年运营后，要 中国矿业大学 2009 届本科毕业设计 第 2 页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，并最终设计一种行之有效的杂散电流监测系统，实时地监测杂散电流的大小与分布，用以预警有关部门提前采取措施来抑制杂散电流的危害，就显得尤为重要。 2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。城市轨道交通在我国许多城市还是一个新生的事物,为了更好地发挥它的经济与社会效益,同时尽量减少可能造成的负面影响,在地铁或地面轨道交通设计、建设和运营的全过程中,对杂散电流的腐蚀防护问题必须给予充分的重视。鉴于地铁与轻轨杂散电流腐蚀防护对城市发展与国民经济的重要意义,因此实现对杂散电流及其相关参数的检测，提前预防杂散电流的危害，对城市轨道交通的安全、可靠运行来说具有重要的意义。 31.2 国内外现状自从有直流电力牵引的地铁诞生以来，杂散电流腐蚀及防护在发达国家一直受到较高度的重视，美国、德国、日本和前苏联在此课题上都投入了巨大的财力和人力，取得了丰硕的成果。而且到目前为止，还在不断地研究新的防护方法和防护手段。我国在 20 世纪 90 年代以前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，这才引起了各方面的广泛关注。 2地铁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。地铁杂散电流腐蚀要测量的参数轨道电位、埋地金属的极化电位，轨道过渡电阻、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 中国矿业大学 2009 届本科毕业设计 第 3 页能，这给地铁运营的运行维护带来了困难。不过随着通信和计算机技术的发展，国外的杂散电流自动化监测已得到了广泛的应用，己研究出了长线管道受杂散电流腐蚀的监测方法，使用了大存储量的数据采集装置，用计算机进行数据采集和数据分析。并且他们对杂散电流的监测及日常维护管理非常重视，德国柏林交通公司的做法是:成立专门检查测量部门，长年累月、周而复始的监测、检查杂散电流防护情况。 4就我国地铁运行情况来看，国内也已经有城市采用杂散电流自动监测系统进行地铁杂散电流的测试，但由于起步较晚，现在还有许多设备没能国产化，并且对杂散电流的监测还没起到足够的重视。不过随着城市轨道交通的不断发展，这种情况将逐步得到改善。1.3 目前存在的主要问题 5杂散电流腐蚀的防护和检测，是设计、建设、运营维护中必须考虑的问题。而杂散电流的腐蚀是一个长期累计的结果。目前存在的问题有：1、杂散电流分布的精确模型很难确定，杂散电流很难直接准确测量，根据所监测的参数，很难预测出金属结构在杂散电流的作用下腐蚀程度和腐蚀趋势。2、影响地铁杂散电流分布的一些重要参数如：轨地过渡电阻和轨道纵向电阻等，缺乏有效的在线测量方法和实现手段；3、缺少合理的地铁杂散电流自动监测系统，不能为运行维护部门提供准确可靠的杂散电流腐蚀情况，为运行维护服务；4、杂散电流监测软件功能比较简单，与其他系统之间的资源相互独立，不能实现资源共享。1.4 本文主要研究内容1、了解杂散电流产生的原理、危害2、分析杂散电流的分布规律和防护方法3、研究各参数对杂散电流的影响4、明确各参数的测量原理5、结合城市轨道交通的实际，设计各参数的测试方案6、设计杂散电流在线监测系统 中国矿业大学 2009 届本科毕业设计 第 4 页2 杂散电流的基础研究2.1 城市轨道交通的直流牵引供电系统要充分了解了解杂散电流，必须首先对产生杂散电流的直流牵引供电系统有所了解，只有在了解了直流牵引供电系统之后，对其有了一个形象而全面的认识，才能够了解杂散电流定义中所涉及的供电系统中的各构件。现对城市轨道的直流牵引供电系统介绍如下：目前地铁和轻轨的牵引方式采用电力牵引，其供电系统大多采用直流供电，供电电压有直流 600V、750V、150OV、3000V(标称值)。图 21 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 中国矿业大学 2009 届本科毕业设计 第 5 页2.2 杂散电流的定义及分类2.2.1 杂散电流的基本定义我国的 CJJ49-92 行业标准: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” 。 6它的英文解释是：electrical current through a path other than the intended path.这个定义比较客观生动的阐述了杂散电流的特点。可以这样理解:只要是没有按照期望的路径流动的电流，都可以叫它杂散电流。例如在轨道交通运输系统中，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，然后由铁轨回到变电站，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。 72.2.2 城市轨道交通的杂散电流本文主要研究城市轨道交通（包括地铁和轻轨） ，其运行方式大多采用直流电力牵引系统作为动力源，通过直流供电系统取流，把走行轨作为电流回流通路。在列车(停止、启动、加速、减速、匀速、滑行、制动、倒车等)运行过程中以及不同负载(空载、轻载、重载)的情况下，走行轨上会形成大小差别很大的工作电流。图 2-2 地铁杂散电流产生示意图该电流绝大部分能经过走行轨流回到电源负极，而总有一小部分通过轨道与地面绝缘不良的位置泄漏到地铁道床及周围土壤介质中，形成杂散电 中国矿业大学 2009 届本科毕业设计 第 6 页流，俗称地铁迷流(metro stray current)。地铁杂散电流经过在地下无规律流动，最后绝大部分还会流回到电源供电系统的负极。当然也存在极少的杂散电流无法流回到直流供电电源的负极，而成为真正的迷流。 892.2.3 杂散电流的分类杂散电流具有多源性的特征,其大体可分为交流杂散电流、直流杂散电流、大地(天然)杂散电流。交流杂散电流主要来源于工业用电的传输、感应和馈地。此外,在变电站、雷达站、载波电话和有线广播站附近都存在强烈的交流杂散电流。直流杂散电流主要由电气化铁路、直流电机、电结合点设备以及其他直流用电器、各类避雷接地装置等引起。大地杂散电流是由太阳等离子体与地球磁场之间的互相作用以及电离层中的离子扰动所引起的地球脉动电流 102.3 杂散电流的分布及其影响参数2.3.1 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研究之后，我们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。 112.3.2 影响杂散电流的参数杂散电流能有如此分布规律，是受到了直流供电系统中一些参数的影响，现将这些能够对杂散电流的产生、大小和分布起影响作用的参数列举如下： 中国矿业大学 2009 届本科毕业设计 第 7 页1、地铁轨地过渡电阻值 LR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越多，杂散电流越容易产生，而且越大。2、走行轨阻抗的大小 N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 TI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。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。 122.4 杂散电流的危害通过上面的分析，我们虽然掌握了杂散电流的分布规律，但如果我们不能及时的消除或减小杂散电流，其所带来的危害还是能够对地铁的安全运行和人员的安全等方面产生很大的影响。 132.4.1 杂散电流腐蚀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管线发生腐蚀，造成严重后果,主要表现在以下四个方面:1、钢轨及其附件的腐蚀在列车下部，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。道钉也有杂散电流腐蚀，而且多发生在钉人部位，从面上难以发现。2、钢筋混凝土结构物的腐蚀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，则钢筋起汇集电流的作用并把电流引导到排流点处。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内逸出， 中国矿业大学 2009 届本科毕业设计 第 8 页就会形成等静压力，是钢筋与混凝土脱开。如有钠或钾的化合物存在，则电流的通过会在钢筋与混凝土的界面处产生可溶的碱式硅酸盐或铝酸盐，使结合强度显著降低。在电流离开钢筋返回混凝土的部位，钢筋呈阳极并发生腐蚀。腐蚀产物在阳极处的堆积会以机械作用排挤混凝土而使之开裂。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将是十分困难的。3、埋地管线的腐蚀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。在设计和建设地铁时不考虑此问题会产生极严重的后果。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 0.1，钢轨电压的一昼夜平均值为+5V，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450kg。这种情况应尽量避免。2.4.2 杂散电流的其它危害1、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，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 23 所示，在站台上，地铁乘客手脚之间的电位差为 V，当这个电位差很高时，人就有死亡的危险。欧洲标准 EN50122 规定:这个电位差不得超过 92V。 14 中国矿业大学 2009 届本科毕业设计 第 9 页图 2-3 人身触电示意图2、杂散电流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。2.5 杂散电流的防护方法及相关标准在明确了杂散电流的危害后，如何将杂散电流降到最低程度，采取行之有效的防护方法成为了地铁建设过程中的另一项工作重点。 152.5.1 杂散电流的先期防护措施在地铁建设中，首先应有一个严格和完善的防护杂散电流的设计，并按照标准要求进行一丝不苟的施工，以期“防患于未然” ，对杂散电流进行主动的防护，这当然是必不可少的先期防护措施，其主要包括以下几种防护方法：1、构造杂散电流排流网在地铁建设初期，就利用电缆把整体道床内的结构钢筋连接起来，构成杂散电流收集网，使杂散电流通过收集网流向电源的负极。同时，我们还可以把车站结构、后构法隧道管片连续焊接起来，构成杂散电流收集网，减小其泄漏。2、降低回流回路的阻值钢轨本身具有电阻，当电流流过钢轨时在电阻上就产生电位差，因钢轨对地绝缘电阻不可能是无穷大，故产生有电位差和产生杂散电流。所以要降低杂散电流的数量就要减小钢轨压降，降低钢轨压降的方法有如下几点：a. 增加走形轨的截面积，减小钢轨的电阻：地铁列车走行钢轨同时作 中国矿业大学 2009 届本科毕业设计 第 10 页为牵引列车回流用，因此钢轨阻抗越小，从钢轨向外流失的杂散电流也越小，减少钢轨阻抗的有效办法是采用长钢轨，钢轨越长，钢轨接头就越少，钢轨的阻抗也就越小。b. 各钢轨之间应有畅通的电气连接以保证低阻值的回流路径。c. 缩短变电所之间的距离，采用双边供电：从杂散电流的估算公式来看，杂散电流与供电距离的平方成正比，所以缩短供电距离是减少杂散电流数量非常有效的方法。3、增加杂散电流流通路径的电阻增加杂散电流流通路径的电阻具体的有 2 点措施：a. 增加轨道对地的过渡电阻：木质轨枕、枕木的端面和道钉必须经过绝缘处理或设置专门的绝缘层，轨道和接地回路之间应具有良好的绝缘，走行钢轨采用点支承等。增加杂散电流泄漏路径电阻的另一个方法是地铁系统采用不接地或二极管接地策略。b. 在车辆段的检修与停车库中，每一条线路的走形轨均应使用绝缘接头与车场线路的走形轨相隔离。4、增加埋地金属管线的阻值敷设在地铁沿线的电力、通讯及控制测量电缆，应采用防水绝缘护套的双塑绝缘垫层；地铁中各种电缆，在隧洞中的电缆、水管等金属结构应以绝缘方式敷设；所有通向隧洞外的管线，必须装有绝缘接头或绝缘法兰。165、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。上述大多数措施，同时也是防止土壤腐蚀方面的措施。因此防止土壤腐蚀的问题也得到了解决。2.5.2 杂散电流产生后的防护虽然有了上述众多的主动防护措施，但是又不能不注意到，地铁建设过程中的许多先期防护措施是会随着时间的推移而逐渐失效的。一项新建的杂散电流甚小的地铁系统，在运行一段时间之后，由于不可避免的污染，潮湿，漏水和受力破坏等因素，均会使原来良好的轨地绝缘性能降低，老 中国矿业大学 2009 届本科毕业设计 第 11 页化或失效。这就需要采取一些新的防护方法，来弥补先期防护措施受损所带来的损失。当出现这种情况后，我们应采用活化防护方法进行补救。活化防护就是杂散电流进入到地下金属结构后的保护方法，其防护原理是基于将杂散电流从地下设施引至回流轨，或将这些电流与相遇的电流抵消，一般应用于已经受杂散电流腐蚀的金属结构。在上述情况出现时消除杂散电流最行之有效地一种方法即为排流保护法。排流保护法主要是为保护金属导体而采取的防护措施，其基本原理是将被保护的金属导体对走行轨的阳极区用导线连接起来，从而相当于将金属导体与走行轨短路，使被保护的管道变为阴极性的，从而防止金属发生阳极腐蚀。 17地铁隧道内(或轻轨基础上)的道床，一般为整体固定道床，整体道床每个结构段大约 50 米左右，现在新建地铁，大都将各段道床内结构钢筋焊接为一电气整体，称之为道床排流网，并将各段道床排流网通过电缆相连，使道床内形成低电阻杂散电流通道，排流至变电所的负极。根据欧洲标准 EN50 122 标准，各牵引区段，在排流网上的纵向电压降小于 0.1 伏。用排流网上纵向电压降的允许值，及各区段杂散电流的大小，计算出排流网截面，都在 1000mm2 以上。此时排流网每公里的电阻小于0.16 ，这个电阻值是非常小的。因此排流效果非常好。km/活化防护法中除了排流法外，还有阴极保护法。其工作原理是用专门的直流电源(阴极站)供出反向的电流，来抵消地下设施流出的杂散电流。为了在大地形成上述电流，阴极站的负极引出端接至地下设施，正极引出端接至特殊阳极接地器。当阴极保护电流等于从设施流出的杂散电流时，设施表面的电腐蚀终止，当电流较大时，则形成阴极极化效应。如果阳极接地器使用钢电极，则其周围填炭，在钢电极和炭之间形成电子导电;也可使用炭、石墨或铁矽电极，其可溶性比钢低 90%到 95%。为使地下设施的防护电位均衡分布，阳极接地的布置距地下设施要远于 50m。实质上，前述的排流法亦可看成是阴极保护法，它以钢轨作为阴极站的负极。阴极保护与排流防护相比，其优点是，可由于牵引变电所之间任何地点的保护电流不因杂散电流的变化而改变;缺点是，设备造价高，需供给所需消耗的电能，以及需要阳极接地设施。在实际的工程中经常采用排流法和阴极保护法相结合的方法来对杂散电流进行防护。 19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。 20 中国矿业大学 2009 届本科毕业设计 第 12 页2.5.3 杂散电流的防护标准目前国际上杂散电流防护通常采用欧洲标准 EN50 122、EN50 162 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设计、施工和运行维护等各个环节。标准从制定之处到目前为止，经过了不断的补充和完善，目前已被大多数国家所采用。我国在 1992 年我国制定并颁布了我国地铁杂散电流腐蚀防护专业的第一个行业标准地铁杂散电流腐蚀防护技术规程 ，并被批准为行业标准，编号 CJJ4992。这个标准对此后我国城市地铁轨道交通建设起了重要作用。 中国矿业大学 2009 届本科毕业设计 第 13 页3 杂散电流相关参数检测经过上面杂散电流的基础研究，我们知道地铁杂散电流的危害很严重，需要做好防护工作，但城市轨道交通工程是大型的重点工程，在做好杂散电流的防护后还必须要要做好杂散电流的监测工作，对杂散电流的检测也是地铁杂散电流防护的重要组成部分。只有把两项工作都做好，才能更好的从源头控制杂散电流的产生，使得防护工作能够达到更加显著的效果。但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。本文的主要研究内容就是对根据相关规程给出的和结合实际情况又总结出的一些能够反映杂散电流危害的相关参数进行检测。这些参数主要包括：结构钢极化电位、轨构（轨地）电压、流过结构钢的杂散电流、轨道纵向电阻、轨地过渡电阻、绝缘垫电阻和直流架线泄漏电流等。3.1 结构钢极化电位的测量方法结构钢极化电位是地铁杂散电流监测的重要项目。地铁轨道漏出来的杂散电流能否引起隧道洞结构钢筋的腐蚀，以杂散电流引起结构钢筋的极化电位偏移值来确定。（注：如图 2-2 地铁杂散电流产生示意图中所示，结构钢包括排流网和隧道主体结构钢筋两种，因二者之间差别不大，故把二者统一作为结构钢考虑，不再细分，下文做相同处理。 ）在城市轨道交通工程设计中，通常都考虑以整体道床内钢筋或桥梁主体结构钢筋作为排流网。杂散电流从钢轨泄漏后流入排流网，在牵引变电所附近又从排流网中流回到钢轨，返回整流器负极。当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，即阳极极化曲线如图 3-1 所示。 中国矿业大学 2009 届本科毕业设计 第 14 页图 3-1 阳极极化曲线通过监测隧道结构钢筋极化电压正向偏移值，可掌握杂散电流对隧道结构腐蚀的关键数据，并成为指导维修部门的根本依据。极化电压正向偏移数值一旦超出规定限值，则必须查找原因，并采取措施进行整治。我国的 CJJ49-92 行业标准:地铁杂散电流腐蚀防护技术规程第 3.0.3条中规定:混凝土结构中的钢筋允许泄漏电流密度为 0.6 ；第 3.0.52/dmA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0.5V。这可作为防腐蚀的标准。3.1.1 测量原理由于结构钢埋于混凝土和土壤中,不易直接测量.目前世界各国地铁采用的监测方法是采用标准半电池电位法，地铁建设初期在地铁隧道区间内埋好参比电极(长效 Cu/ ） ，并从结构钢筋引出测量端子，在一定的时间4CuSO内，人工操作接好导线进行测量记录。 21图 3-2 结构钢极化电位测量原理图设参比电极的本体电位值为 ，结构钢极化电压值为 。1V2V在地铁停电情况下，由于结构钢不受到杂散电流极化的影响，即 =0。2此时上图中的毫伏表所测的参比电极结构钢的电压差实际上即为参比电 中国矿业大学 2009 届本科毕业设计 第 15 页极的自然本体电位 。1V当地铁运行期间，若有杂散电流从结构钢流出，结构钢的极化电压值为。此时参比电极与结构钢的电压差为 V，即 V = 。2V 12只要分别测得电机车停运和运行时所经区域的参比电极.金属结构的电位差，就可以得出埋地金属结构的极化电位值，从而实现对杂散电流的检测。3.1.2 测量步骤1、仪器选择：一台毫伏表，导线数根2、把万用表按 图 33 连接图 3-3 结构钢极化电位测量接线图3、在地铁停电情况下，记录电压表读数，即 值。1V4、当地铁运行期间，记录电压表读数，即 V 值。5、计算得出结构钢极化电压： = V （式 3-1）21（本式计算只取结构钢极化电压正向偏移值，负值直接舍去。因为 V20时，电流从结构钢流出，结构钢处于阳极腐蚀状态:而 V2O 的数据。)6、 是结构钢极化电压的瞬时值，按下面公式计算平均值。2V（式 3-2）n221平 均 中国矿业大学 2009 届本科毕业设计 第 16 页3.1.3 测试结果分析（1）若测试值低于 0.5V，则尽管有杂散电流泄漏到结构钢，但不会造成严重的杂散电流腐蚀；（2）若测试值接近甚至超过 0.5V，则结构钢受到的杂散电流腐蚀情况较严重，需及时采取其他排流措施进行排流，以减小结构钢所受腐蚀。3.2 轨构（轨地）电压的测量方法在正常情况下，轨道接缝电阻值不大。但如果轨道接缝处开裂，则轨道接缝电阻值将大大增加，地铁轨道与站台间（钢轨与结构钢或大地）有时出现异常电压，为了保护乘客和铁路员工的安全，免遭钢轨与结构钢（或大地）间接触电压的伤害，从这个角度来看，测量轨道对结构钢（或大地）电压并在过压时及时报警，是非常必要的。另一方面也可以帮助理解和计算轨构电压。 22（注：因轨道与大地间的电压，与轨道与结构钢间的电压极为相似，所以常把二者作为一个量进行测量，本文因此也把二者放在一起进行介绍。 ）3.2.1 测量原理图 3-4 轨构（轨地）电压测量示意图 如图 3-4 所示，V 4为轨道与排流网间的电位差，即轨道与主体结构间的电位差；V 3为轨道与接地网间的电位差，即轨道与大地间的电位差。只有在整个轨道交通正常运行的情况下，轨道上才会有电流流过，此时才会有轨构（地）电压的产生，所以测量必须在地铁正常运行时才能进行测量。欧洲标准 EN50122 所规定：轨道与结构钢间的电位差（接触电压）不得 中国矿业大学 2009 届本科毕业设计 第 17 页超过 92V。3.2.2 测量步骤1、测量仪器选择：一台量程为 100V 的电压表，数根导线2、把万用表按 图 3-4 连接3、在轨道交通正常运行的情况下，读取图 3-4 中电压表读数 V3、V 44、V 4是轨构电压的瞬时值，按下面公式计算平均值。（式 3-3）nV441平 均V3是轨地电压的瞬时值，按下面公式计算平均值。（式 3-4）nV331平 均3.3 轨道纵向电阻的测量方法地铁轨道是牵引电流的回流通道，轨道电阻值直接影响回流通路的通畅。走行轨绝缘性能的好坏是杂散电流大小的根源。地铁运营中，轨