地铁杂散电流形成及危害

2021年4月30日00:00:10
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一、杂散电流的形成

直流牵引供电系统在理想的状况下,牵引电流由牵引变电所的正极出发,经由接触网、电动列车和回流轨(即走行轨)返回牵引变电所的负极。但钢轨与隧道或道床等结构钢之间的绝缘电阻不是无限大的,这样势必造成流经牵引轨的牵引电流不能全部经由钢轨流回牵引变电所的负极,有一部分的牵引电流会泄漏到隧道或道床等结构钢上,然后经过结构钢和大地流回牵引变电所的负极,这部分泄漏到隧道或道床等结构钢上的电流就是杂散电流,也称作迷流。如下图所示为直流牵引系统的回流示意图。

地铁杂散电流形成及危害

地面时回流示意图

地铁杂散电流形成及危害

高架时回流示意图

地铁杂散电流形成及危害

隧道时回流示意图

二、杂散电流的危害

结合目前国内地铁运营的现状分析,由地铁杂散电流造成的危害主要有以下四个方面。

1.钢筋混凝土金属结构物、埋地金属管线的腐蚀

泄露向大地的地铁杂散电流主要是对地表高层建筑深埋在地下的结构钢筋、地铁系统隧道和车站的主体金属结构钢筋、城市自来水、煤气及石油的输送金属管线造成很大程度的危害。这些管线中的铸铁管由于表面涂了涂料、油漆或者沥青等高强度绝缘防护层,抗腐蚀能力较强,但对于无法涂防护层的钢管和金属结构钢筋,其腐蚀就十分严重,如上海地铁2号线沿世纪大道下的DN300钢管从2000年开通运营到2010年已经发生十多次的腐蚀泄漏事故。而浦东这一地区有大量的天然气输气管道,地铁杂散电流对输气管道的腐蚀不仅对燃气公司的正常供求产生负面影响,还对周围的大气环境造成了严重的污染。

杂散电流对于混凝土结构本身不会发生腐蚀,但对其中的钢筋腐蚀作用很大,因为钢筋处于阳极。如果存在地下结构钢筋与走行钢轨相接触的地方则会加剧对结构钢筋和走行轨道的腐蚀,而这些地下混凝土结构钢筋一旦遭受腐蚀,将使得整个隧道混凝土结构及车站主体结构寿命下降,而且这些混凝土结构中的钢筋在地铁开通运营后几乎无法更换,结果会使得整条地铁线路无法正常运营。

2.钢轨及其附件的腐蚀

地铁运营系统的钢轨及钢轨的一些附件存在很严重的腐蚀,特别是钉入道床的道钉,一方面这些地方很难做到很好的绝缘,经常发生杂散电流腐蚀﹔另一方面由于钢钉钉入地下腐蚀状态很难发现。

3.框架泄漏保护的误动作

若钢轨(走行轨)局部或整体对地的绝缘变差,则此钢轨(走行轨)对大地的泄漏电流增大,地下杂散电流增大,这时有可能引起牵引变电所的框架保护动作。而框架保护动作时,整个牵引变电所的断路器会跳闸,导致全所失电,同时还会联跳相邻牵引变电所对应的馈线断路器,从而造成较大范围的停电事故,影响地铁的正常运营。

4.钢轨限位装置的误动作

地铁运行时,当地铁车辆停靠在站台,乘客上下车辆的时候,乘客一脚在接地的站台,而另一脚在地铁车辆,地铁车辆通过车轮与走行钢轨相接触,若钢轨电位过高,则乘客两脚之间形成电位差,危及乘客的生命安全。因此,为了限制走行轨道出现不明原因的电位升高,设置了钢轨电位限制装置。但杂散电流引起的钢轨电位升高将使钢轨电位限制装置经常性地出现误动作。根据2009年北京地铁公司对北京地铁5号线一个地下车站运行十个月的统计,这个变电所装设的钢轨电位限制装置总共误动作1700余次。钢轨电位限制装置误动作将使得牵引变电所负极直接接地,这样一来,使得原本设置在车站附近作为保护人身安全的钢轨电位限制装置经常作为排流柜使用,降低了钢轨电位限制装置的使用寿命。

三、杂散电流的防护

杂散电流的防护设计应采取“以堵为主,以排为辅,防排结合,加强监测”的原则。

①堵:隔离和控制所有可能的杂散电流泄漏途径,减少杂散电流进入轨道交通的主体结构、设备及可能与其相关的设施;

②排: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,防止杂散电流继续向本系统外泄漏,以减少腐蚀;

③监测:设计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。

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