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全面加强地铁杂散电流腐蚀的监测与防护

来源:《电气技术》杂志 日期:2018-03-01 浏览: 260 次

 

——专访北京地铁标准化工作组组长宋杰

 

近年来,我国城市轨道交通发展迅速,新建运营里程持续扩大。根据城市轨道交通协会统计,截至20176月底,我国内地31个城市开通运营城市轨道交通,共计133条线路,运营线路总长度达4400km。根据已批复的城市轨道交通建设规划,预计到2020年,我国城市轨道交通通车里程有望达到8500km

我国城市轨道交通多采用直流牵引供电、走行轨(钢轨)回流的供电制式,不可避免地会产生杂散电流和电腐蚀。北京地铁标准化工作组组长宋杰指出,“城市轨道交通中的杂散电流俗称‘迷流’,即指弥散流动的电流,但实际上它并不是无序地乱流,而是哪里的阻抗小就往哪里流。”

“杂散电流产生的根本原因在于轨道交通回流系统出现问题:回流电路的回流不畅通,导致回流电流不能完全返回到牵引变电所的负极;回流电路的绝缘出现故障,造成有意或无意的接地,导致回流电流的泄漏。这些泄漏出去的未按设想路径流通的电流就是杂散电流,如果它长期存在,日积月累就会在所经区域产生腐蚀,对轨道、主体建筑结构、沿线的埋地金属管线以及设备设施造成严重的危害。”宋杰娓娓道来。

宋杰强调,“杂散电流腐蚀防护方案的选择与确定必须在工程可行性研究阶段或初步设计阶段完成,并要求杂散电流防护工程与轨道交通各个方面的工程相互兼顾、协调和配套,从源头上把好关,按照防护设计要求进行质量核查与监督管理,保证城市轨道交通‘百年工程’的安全运营。

北京地铁是国内最早对杂散电流腐蚀防护进行研究和实践的。北京地铁12号线,在建设道床时铺上了素混凝土层,由于北京地区相对比较干燥,素混凝土层的存在相当于为地铁线路铺设了绝缘层,此外还积极落实其他防护措施,如对轨道、结构进行实时监测,根据监测结果适时进行排流防护等,最大限度地控制了杂散电流向地铁外部的扩散,也为保护地铁结构安全提供了保障。在40多年的研究探索与实践中,北京地铁老线路的杂散电流防护取得了较好的效果。

近年来,随着我国城市轨道交通的迅速扩张,我国对杂散电流的腐蚀防护研究逐步深入发展。由于杂散电流难以直接测量,因而我们一般采用间接的方法来反映杂散电流的腐蚀情况。城市轨道交通中,受到电流腐蚀危险性的直接定量指标是泄漏电流密度。其中,钢筋混凝土结构和机电设备受杂散电流腐蚀的危险性指标,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。

根据英国、德国等国外的研究成果,从金属结构腐蚀防护的角度来看,金属结构表面不受腐蚀的最佳电位数值为-0.85V,这对于地铁主体结构中的钢筋也同样适用。在地铁运营过程中,这个电位数值是受多种因素影响的脉动变化的物理量,在采用或不采用排流防护的情况下都是如此。因此,在实际中需要对这个物理量规定一个合理的取值范围,故将这个允许的取值范围规定为:-1.5V~0.5V

为了将杂散电流引起的结构钢筋对地电位平均值控制在设计允许值之内,结构钢筋任意两点的纵向电压高峰小时平均值应控制在0.1V以下;为了将结构钢筋处于-1.5V0.5V的防护电位范围内,当测算杂散电流引起的结构钢筋对地电位平均值大于设计允许值时,结构钢筋对地电位高峰小时平均值超过0.1V或含有10%峰值的平均值超过0.5V时,防护系统应采取排流防护措施。走行轨因同时担负着回流工作,设计时是不允许直接接地的,地铁其他无回流要求的系统也不应与走行轨有任何电气连通,以最大的可能避免事故的发生。

宋杰指出,“目前,我国地铁在试运营阶段和运营期,定期对杂散电流相关参数进行监测,以利于对防护工程质量和运营中的防护情况进行监督管理。测试的主要参数包括轨道电位、埋地金属结构的极化电位、结构钢筋对地电位、结构钢筋对地过渡电阻值、回流走行轨对结构钢筋过渡电阻值、回流走行轨对地过渡电阻值和回流走行轨纵向电阻值等。对杂散电流的测试时间,应从有利于掌握数据分析和判定的准确性角度出发进行界定。根据以往监测的实践经验,建议取列车运行高峰时间内的小时平均值或1小时内10%峰值的平均值。”

当前,轨道交通杂散电流腐蚀防护研究多集中在以直流牵引供电的地铁系统,而地铁线路采用的整体防护系统的设计以及回流网的构成方式,是地铁杂散电流腐蚀防护工程的基本条件。按照国内外地铁回流系统主要技术内容进行划分,防护类别由高至低依次可分为高级防护、绝缘防护和排流防护。回流网的回流方式,决定了回流效率的高低水平。目前,国内外地铁通常采用走行轨回流系统构成回流网,回流效率较专用轨低,因此需要采取加强绝缘型防护或强制排流型防护的手段防止杂散电流泄漏。

宋杰表示,“国内外地铁杂散电流腐蚀防护的实践证明,采用何种防护水平和类别,是做好杂散电流腐蚀防护的基础。因此,在早期的工程可行性研究阶段或者初步设计阶段,应进行充分的分析、比选和论证,并最终加以确定。针对城市轨道交通的技术发展情况,尤其是我国地铁目前的现状,可将相应的杂散电流腐蚀防护工程方案分为三种:防护方案——高水平防护,防护方案——较高水平防护,防护方案——最基本防护,每种方案都对应着不同的防护指标和防护要求,体现出不同的防护水准。”

种防护方案,采用专用导体,也就是专用回流轨的方案。该方案在建设中增加了一项大约等于接触轨建设费用的投资。由于专用回流轨具有与馈电接触轨相同的绝缘水平,该方案可以从根本上消除和解决杂散电流泄漏及其造成的腐蚀问题,减轻甚至消除所有其他专业和城市管网系统在杂散电流腐蚀防护方面的负担,获得良好的社会经济效益,避免极端事故情况下的巨大经济损失。因此,如果条件允许的话,新建地铁线路应优先考虑专用回流轨的方案。目前,宁波地铁已经做了这方面的研究,拟将在新线路试行。

II种防护方案,回流牵引负荷电流流经走行轨,其上产生的电压降所产生的杂散电流腐蚀防护,可以沿用传统的走行轨回流方案。欧美及一些亚洲国家大都采用这种方案,该方案中的过渡电阻值可以达到200Ω·km~300Ω·km。在这种情况下,如果工程质量和相应的维护保养工作符合标准要求,可以将杂散电流值限制在mA的量级,这样可将杂散电流腐蚀控制在可以接受的范围内,从而基本上解决杂散电流腐蚀问题。

III种防护方案,类似于第II类防护方案,但限于绝缘材料和工艺水平或其他因素的影响,不能达到第II类防护方案中过渡电阻值的要求。地铁线路(包括现在已有的多数地铁线路)将被归入第III类防护方案,必要时可采用排流防护方案,使地铁结构处于防护电位(-1.5V~0.5V)范围内,从而达到杂散电流腐蚀防护的目的。此方案因采用积极排流的方式进行杂散电流防护,因此被国际统称为“积极防护方案”。

宋杰总结说,“在上述三种防护方案中,同一条线路的杂散电流腐蚀防护工程只可选择其一,不可同时兼有。不同方案对应着不同的方法,如果混淆运用势必会带来一定的副作用,造成彼此之间的相互干扰和资源浪费。但在特殊情况下,防护工程确实需要两种防护方案同时存在时,就必须采取有效措施在两种方案之间加以隔离,以避免相互之间产生消极影响。”

国外杂散电流防护研究起步较早,如英国、德国、前苏联和日本等都有相关的研究文献及标准,有的标准已成为地区性标准,如欧盟标准;有的已经成为行业组织标准,如IEC标准。这些标准从无到有、由浅入深,凝聚了大量的调查研究和科学实验的成果。我国杂散电流防护标准,如行业标准《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》CJJ49-92是非常经典的工程类标准,对我国地铁杂散电流防护工作起到了积极的指导作用。

宋杰指出,“截至目前,我国已有43座城市拥有、在建或规划了地铁、轻轨等类型的轨道交通,这些城市轨道交通大都采用直流牵引供电系统,以走行轨作为回流导体组成回流网。同时,北京地铁已经形成网络化的运输格局,新线路也出现了许多新情况和新问题,这也加大了杂散电流的防护范围和防护难度。新形势下,我们应加大杂散电流防护研究的力度,充分借鉴国内外的成功经验和研究成果,制定统一的地铁杂散电流腐蚀防护工程的技术标准,明确防护方案的选择及其防护设计,从根本上加强施工过程的控制和技术监督管理,确保防护工程是符合质量要求的防护屏障,使防护措施更积极有效。

经过广泛的调查研究,总结国内外地铁杂散电流腐蚀防护工程建设的实践经验和研究成果,系统分析了地铁杂散电流防护技术发展和应用状况,北京地铁杂散电流腐蚀防护编制组在《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》CJJ49-92的基础上进行了系统性的全面修订,将防护理念融入到城市轨道交通工程的整体当中,使杂散电流防护成为关系全局、关系运营安全的一项综合性系统工程。

新标准将地铁主体建筑结构、金属管线和设备列为杂散电流腐蚀防护的主要对象;增加了可供选择的防护方案;针对各种防护方案制定了相应的防护设计;参考国内外相关标准和文献的技术要求,重新确定了杂散电流腐蚀防护指标和监测试验方法;强调了地铁杂散电流腐蚀防护的总体原则和具体技术要求。

宋杰介绍道,我们建议在地铁道床下预留不少于40mm的素混凝土层,如果达不到这个要求,则可铺垫耐久性的绝缘层或其他绝缘材料,以加强对地铁线路整体的绝缘防护。当然,新线建设也出现了诸多新问题,对此我们坚持‘以堵为主、以排为辅、防排结合’的防护原则,加强连续性监测,分析找准问题的原因,及时采取防护措施。在分析研究相关案例后,我们提出应在地铁建设工程的初期确定相应的防护方案,在建设过程中加强过程的检验、检测及工程验收。新标准着重将工程验收与交接作为必备项目,要求分阶段进行防护工程的检验、检测及验收。同时对无缝线路提出了距离要求,建议回流走行钢轨在牵引供电区间之间进行绝缘式轨隙连接,以使回流电流更好地按照设定的路径返回到牵引变电所的负极。

宋杰表示,“新建地铁必须执行地铁杂散电流防护工程的设计、施工、检验、监理、验收、监控和运营维护等各个阶段的具体技术规定。新修订的标准增加了当前地铁新引入的一些技术系统方面的规定,融合了欧盟标准、IEC标准以及国家标准和地方标准中的相关内容,并明确地铁线路、轨道、主体建筑结构、供电系统、排流系统、金属管线与设备、车辆基地等专业应该注重和执行的防护规定,适用于新建和改扩建地铁杂散电流腐蚀防护工程各个阶段的防护设计,对地铁各相关方面的防护工作具有技术指导作用。”(电气技术/刘星)

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