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采取有效措施防护地铁杂散电流危害

 

在地铁系统中,牵引供电系统一般采用直流方式,会产生杂散电流。目前,地铁的牵引供电方式一般采用直流供电方式。在理想的状况下,牵引电流由牵引变电所的正极出发,经由接触网、电动列车和走行轨返回牵引变电所的负极。由于走行轨与大地之间的绝缘不良或不是完全绝缘,流经走行轨的电流不能全部经由走行轨流回牵引变电所的负极,有一部分电流会泄漏进入大地,然后再流回变电所,这部分泄漏到大地中去的电流就是杂散电流,也称作迷流。走行轨铺设在轨枕、道碴或整体道床上,由于钢轨与轨枕或整体道床之间不是完全绝缘状态,钢轨与大地间存在一定的过渡电阻,其阻值表示了轨道和大地之间的阻性耦合和电导性耦合。有关研究表明,钢轨与大地之间的过渡电阻与通过走行轨中的电流无关,其阻值取决于轨枕和轨道紧固件的类型、轨枕下面的垫层、污染程度、气象条件。也就是说,与走行轨流人大地的杂散电流与道床类型、轨枕和轨道紧固类型有关,并还随污染程度、气象条件的变化而变化。

  一、杂散电流的危害

  地铁中的杂散电流是一种有害的电流,会对地铁中的电气设备、设施的正常运行造成不同程度的影响,还会对隧道、道床的结构钢和附近的金属管线造成不同程度的危害。

  1.引起地铁附近建筑物结构钢筋、金属管线腐蚀地铁附近的地下金属体埋于地下,周围有电解质存在,在没有杂散电流通过时,这些金属体所承受的渗透压与溶解压通常会保持平衡状态,不会发生电化学腐蚀。但当这些金属体中流过杂散电流时,这些金属体所承受的渗透压与溶解压的平衡状态就会被打破,就要发生电化学腐蚀。在这些情况下,会有两种过程同时发生。如果城轨隧道、道床或其他建筑物的结构钢筋及附近的金属管线(如电缆、金属管件等)长期受到杂散电流的腐蚀,就会严重损坏地铁附近的各种结构钢筋和地下金属管线,破坏结构钢的强度,降低其使用寿命。

  2.使某些地铁设备无法正常工作。杂散电流若流入电气接地装置,将引起过高的接地电位,使某些设备无法正常工作,甚至会危及人身安全。

  3.给地铁的安全运营带来不利影响。若走行轨局部或整体对地的绝缘变差,则对大地的泄漏电流增大,地下杂散电流增大,会使钢轨电位发生变化,进而引起钢轨与框架之间的电位差发生变化。当钢轨与框架的电位差达到框架保护整定一段值时,可引起电压型框架保护报警;当钢轨与框架电位差达到或超过框架保护整定二段值时,根据比较情况,启动某一段延时后,如果电压信号一直达到或超过框架保护整定二段值时,就有可能引起牵引变电所的框架保护动作。无论是框架保护报警还是框架保护动作,都将给地铁牵引供电的安全带来不利影响,将直接威胁地铁的正常的运营。

  4.危及地铁乘客的安全。地铁钢轨除了作为牵引回流的通路与牵引变电所的负极相连外,还起屏蔽门框架保护作用而与屏蔽门相连。若走行轨某处或局部与大地间的绝缘比其他地方低,则该处的轨电位就会较低,而其他地方的轨电位会被抬高,造成部分地方的轨电位异常,甚至超过正常允许值。虽然在变电所内安装有轨电位限制装置,当走行轨的电位达到其整定值时,轨电位装置会强行将走行轨接地,以限制轨电位继续升高,但是这样的电位仍然会对乘客的安全构成威胁。

  二、杂散电流的防护

  杂散电流的防护有消极措施和积极措施之分,消极的防护措施主要包括在相关金属装置上添加绝缘材料或防腐金属,下面主要讨论积极的防护措施。

  1.杂散电流的防护应采取“以堵为主,以排为辅,防排结合,加强监测”的原则。以堵为主,就是隔离和控制所有可能的杂散电流泄漏途径,减少杂散电流进入地铁的主体结构、设备及相关设施;以排为辅,就是通过杂散电流的收集及排流系统,提供杂散电流返回至牵引变电所负母线的通路,防止其继续向本系统外泄漏,以减少腐蚀;加强监测,就是要有完备的杂散电流监测系统,监视、测量杂散电流的大小,为运营维护提供依据。

  2.降低回路电压,保持对地的良好绝缘在回流回路中,保持电压降处于低值以及走行轨对地的良好绝缘,是限制杂散电流的最重要措施。为此,可以采取如下办法:一是在可能的情况下,设计时可适当缩短变电所的位置。二是安装平行加强回流线,也就是与走行轨并行的导线,并将其在较短距离间隔内与走行轨连接。三是走行轨尽量选用重型轨,并焊接成长钢轨。钢轨接头的电阻应小于5 m长的回流钢轨的电阻值,以减少回流电阻。若采用短钢轨,则应用鱼尾板连接,并在道岔与辙岔的连接部位的两根钢轨之间加焊一根120 mm 及以上的绝缘铜电缆连接线,并应做到焊接可靠。四是钢轨与轨枕或整体道床间采用绝缘法安装,保证钢轨对轨枕或整体道床的泄漏电阻不小于15Ω·km。为了达到此要求,在钢轨与混凝土轨枕之间,在紧固螺栓、道钉与混凝土轨枕之间,在扣件与混凝土轨枕之间,采取绝缘措施,加强轨道对道床的绝缘,以减少钢轨对地的泄漏电流。具体做法是:钢轨下加绝缘垫、使用绝缘扣件,钢轨采用绝缘套管固定安装,轨枕下加绝缘垫,道岔处加强绝缘,导轨与走行轨之间加绝缘等。

  3.采用隔离法,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。三是在盾构区间隧道,采用隔离法对盾构管片结构钢筋进行保护。四是在过江隧道的轨道两端设立单向导通装置,与其他线路单向隔离。

  4.在牵引变电所。设置杂散电流排流装置采取这种做法,可在轨道绝缘降低致使杂散电流增大时,及时通过排流装置,使收集网中的杂散电流有畅通的电气回路。但是,杂散电流排流装置会使轨电位提高,杂散电流增大。

  5.广泛使用阴极保护,避免杂散电流的腐蚀。阴极保护是防止在被保护金属上产生阳极反应,从而保护这些金属不受杂散电流的腐蚀。

  6.在日常运营中,采取各种有效措施。一是定期对全线轨道线路清扫,保持线路清洁干燥,尤其是轨道扣件及钢轨绝缘垫,不能有易导电的物质在钢轨扣件和绝缘垫表面,避免由此而产生的轨道对地泄漏电阻的下降。二是定期检查各杂散电流收集网之间的连接线、负回流电缆及均流电缆的连接是否良好,连接螺栓是否生锈等。如果这些连接部件状态不良,则应及时进行修复。三是定期利用杂散电流综合测试装置,监测整体道床结构钢筋、车站隧道结构钢筋、高架桥梁结构钢筋相对周围混凝土介质的平均电位是否超标,以便决定是否对钢轨回路及钢轨泄漏电阻进行测试检查,然后结合测试结果进行维护。

  三、结语

  杂散电流是一种有害的电流,在直流牵引供电系统中会给地铁系统的设备、设施造成多方面的危害,必须对其采取防护和治理措施,以确保地铁的安全运营。

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