城市轨道交通供电杂散电流知识分享.ppt

第第6 6章章 杂散电流杂散电流易东 西南交通大学电气工程学院西南交通大学电气工程学院城市轨道交通供电城市轨道交通供电第6章 杂散电流6.1 杂散电流分布的一般规律杂散电流分布的一般规律6.2 杂散电流的分析计算杂散电流的分析计算6.3 杂散电流的危害杂散电流的危害6.4 杂散电流腐蚀机理杂散电流腐蚀机理6.5 杂散电流防护原则杂散电流防护原则6.6 杂散电流防护措施分类杂散电流防护措施分类6.7 工程中适用的杂散电流防护措施工程中适用的杂散电流防护措施6.8 排流柜和单向导通装置的应用排流柜和单向导通装置的应用6.9 杂散电流的监测方法杂散电流的监测方法 6.1 杂散电流分布的一般规律定义定义分布特点分布特点表示杂散电流的参数表示杂散电流的参数阴极区和阳极区阴极区和阳极区 杂散电流定义 牵引电流沿接触网送给电动车辆牵引电流沿接触网送给电动车辆(组组)，然后经轨道，然后经轨道(走行轨走行轨)流回牵引变电所，有少量电流不沿回流轨回到牵流回牵引变电所，有少量电流不沿回流轨回到牵引变电所的负极，而流向电位低、电阻率低的位置（如流引变电所的负极，而流向电位低、电阻率低的位置（如流入大地），形成杂散电流，或称为入大地），形成杂散电流，或称为迷流迷流。杂散电流分布的特点（1）沿轨道的电流先是多，后是少，最后是）沿轨道的电流先是多，后是少，最后是多；地中电流则先是少，后是多，最后是多；地中电流则先是少，后是多，最后是少。少。杂散电流分布的特点（2）接近轨道的杂散电流密度大，远离轨道）接近轨道的杂散电流密度大，远离轨道的杂散电流密度小的杂散电流密度小 杂散电流分布的特点（3）杂散电流的分布在变电所附近发生畸变）杂散电流的分布在变电所附近发生畸变 在实际应用中，变电所变压器牵引侧的在实际应用中，变电所变压器牵引侧的接地端通常一边与岔线轨道焊接，一边又接地端通常一边与岔线轨道焊接，一边又接入变电所接地网。接入变电所接地网。表示杂散电流的参数轨道回路状态、路基情况、土壤电导率、轨道回路状态、路基情况、土壤电导率、地下金属物体的位置与特点、列车运行图地下金属物体的位置与特点、列车运行图等等 随着城市轨道交通运营时间的推移，由于随着城市轨道交通运营时间的推移，由于受到不可避免的污染、潮湿、渗水、漏水受到不可避免的污染、潮湿、渗水、漏水和高地应力作用等影响，使城市轨道交通和高地应力作用等影响，使城市轨道交通车站以及区间隧道中的轨、地绝缘性能降车站以及区间隧道中的轨、地绝缘性能降低或先期防护措施失效，势必增大由走行低或先期防护措施失效，势必增大由走行轨泄漏到土壤介质中的杂散电流。轨泄漏到土壤介质中的杂散电流。表示杂散电流的参数电流由钢轨泄漏大地，与电流由钢轨泄漏大地，与轨道的状态轨道的状态有关，有关，即与即与单位长度内钢轨的电阻系数单位长度内钢轨的电阻系数r rg g （欧姆（欧姆/公里和公里）和钢轨钢轨大地的接触过渡电阻大地的接触过渡电阻r rt t（欧姆（欧姆/公里）有关系。公里）有关系。数值数值r rg g包括钢轨，钢轨接头及轨端连接线包括钢轨，钢轨接头及轨端连接线的电阻的电阻数值数值r rt t包括轨枕、道碴层电阻，钢轨与轨枕包括轨枕、道碴层电阻，钢轨与轨枕之间，轨枕与道床之间的接触电阻，以及之间，轨枕与道床之间的接触电阻，以及大地电阻对电流泄漏影响的泄漏阻抗。大地电阻对电流泄漏影响的泄漏阻抗。表示杂散电流的参数在杂散电流的理论中，除了一次参数在杂散电流的理论中，除了一次参数rg和和rt外，还使用二次参数外，还使用二次参数衰减系数和特性衰减系数和特性阻抗。阻抗。阴极区和阳极区钢轨电位产生的原因是牵引回流在钢轨上钢轨电位产生的原因是牵引回流在钢轨上产生了纵向电压。产生了纵向电压。阴极区和阳极区阳极区和阴极区的长度和宽度 在电气化铁路运行中，各个极区的范在电气化铁路运行中，各个极区的范围尺寸不是固定不变的，而是根据负荷的围尺寸不是固定不变的，而是根据负荷的分布位置不同而经常变化的。因此，出现分布位置不同而经常变化的。因此，出现一个变极区，在这个变极区内，可能有不一个变极区，在这个变极区内，可能有不同的符号。同的符号。在采用再生制动时，在整个区段长度内，在采用再生制动时，在整个区段长度内，阳极区和阴极区可能相互交替分布。阳极区和阴极区可能相互交替分布。6.2 杂散电流的分析计算杂散电流的分析计算杂散电流的分析计算杂散电流的分析计算杂散电流的分析计算杂散电流的分析计算杂散电流的分析计算杂散电流的分析计算各点泄漏的电流分别为各点泄漏的电流分别为6.3 杂散电流的危害杂散电流的危害对地形成电位对地形成电位 加速金属物体的腐蚀加速金属物体的腐蚀 煤气管道的腐蚀穿孔造成煤气泄漏、隧煤气管道的腐蚀穿孔造成煤气泄漏、隧道内水管腐蚀穿孔而被迫更换等。同时也道内水管腐蚀穿孔而被迫更换等。同时也对城市轨道交通沿线城市公用管线和结构对城市轨道交通沿线城市公用管线和结构钢筋产生钢筋产生“杂散电流腐蚀杂散电流腐蚀”6.4 杂散电流腐蚀机理杂散电流腐蚀机理电化学腐蚀 与钢铁在大气条件下或在水溶液及土壤与钢铁在大气条件下或在水溶液及土壤电解质中发生的自然腐蚀一样，都是电解质中发生的自然腐蚀一样，都是具有具有阳极过程和阴极过程的氧化还原反应阳极过程和阴极过程的氧化还原反应，即，即电极电位较低的金属铁失去电子被氧化变电极电位较低的金属铁失去电子被氧化变成金属离子，同时金属周围介质中电极电成金属离子，同时金属周围介质中电极电位较高的去极化剂，如金属离子或非金属位较高的去极化剂，如金属离子或非金属离子得到电子被还原。离子得到电子被还原。杂散电流腐蚀机理杂散电流腐蚀机理电池电池：A钢轨钢轨(阳极区阳极区)+B道床、土壤道床、土壤+C金属管金属管线线(阴极区阴极区)；电池电池：D金属管线金属管线(阳极区阳极区)+E土壤、道床土壤、道床+F钢轨钢轨(阴极区阴极区)。杂散电流腐蚀机理杂散电流腐蚀机理发生腐蚀的氧化还原反应分为两种发生腐蚀的氧化还原反应分为两种(1)当金属铁周围的介质是酸性电解质，即当金属铁周围的介质是酸性电解质，即PH7时时,发生的氧化还原反应是发生的氧化还原反应是吸氧腐蚀吸氧腐蚀以为以为O2去极化剂。去极化剂。杂散电流腐蚀机理杂散电流腐蚀机理杂散电流的腐蚀危险杂散电流的腐蚀危险可按金属表面的泄漏可按金属表面的泄漏电流密度（直接判据）计算，也可按周围电流密度（直接判据）计算，也可按周围介质的相对电位（间接判据）计算。电腐介质的相对电位（间接判据）计算。电腐蚀危险最大，土壤活性又最高的地下设施蚀危险最大，土壤活性又最高的地下设施区段腐蚀最为严重。区段腐蚀最为严重。电腐蚀的防护标准电腐蚀的防护标准，是金属表面上没有泄，是金属表面上没有泄漏电流或对大地的阳极电位降低到零值，漏电流或对大地的阳极电位降低到零值，在达到一定负电位时，同时还能保证对土在达到一定负电位时，同时还能保证对土壤腐蚀的防护。壤腐蚀的防护。6.5 杂散电流防护原则“以防为主，以排为辅，防排结合，加强以防为主，以排为辅，防排结合，加强监测监测”(1)防防 减少回流轨纵向电阻，降低钢轨电位减少回流轨纵向电阻，降低钢轨电位和提高回流轨对地过渡电阻，确保畅通的和提高回流轨对地过渡电阻，确保畅通的牵引回流系统，隔离和控制所有的杂散电牵引回流系统，隔离和控制所有的杂散电流泄漏途径，减少杂散电流进入城市轨道流泄漏途径，减少杂散电流进入城市轨道交通系统的主体结构、设备以及沿线附近交通系统的主体结构、设备以及沿线附近相关设施的结构钢筋。相关设施的结构钢筋。杂散电流防护原则(2)排排 在回流轨的整体道床中设置杂散电流的在回流轨的整体道床中设置杂散电流的收集系统。收集系统。(3)测测 设计完备的杂散电流检测系统，监视和设计完备的杂散电流检测系统，监视和测量杂散电流的大小，为运营维护提供依测量杂散电流的大小，为运营维护提供依据。据。6.6 杂散电流防护措施分类杂散电流防护措施分类杂散电流防护措施可归结为两大类：杂散电流防护措施可归结为两大类：对地铁轻轨系统本身采取措施对地铁轻轨系统本身采取措施 对邻近地铁轻轨的地下结构采取措施对邻近地铁轻轨的地下结构采取措施 对地铁轻轨系统本身采取措施供电臂长度供电臂长度回流走行轨纵向电阻回流走行轨纵向电阻回流走行轨对地的过渡电阻回流走行轨对地的过渡电阻机车负荷大小机车负荷大小排流网纵向电阻排流网纵向电阻是否排流是否排流供电臂长度供电距离越短，钢轨泄漏电流和钢轨电位供电距离越短，钢轨泄漏电流和钢轨电位越低，杂散电流越小，越不易对结构钢筋越低，杂散电流越小，越不易对结构钢筋或金属管线产生腐蚀。因此在布置牵引变或金属管线产生腐蚀。因此在布置牵引变电所所址时应适当考虑减小变电所距离，电所所址时应适当考虑减小变电所距离，接触网上采用双边供电，尽量不采用单边接触网上采用双边供电，尽量不采用单边供电。供电。回流走行轨纵向电阻 减小回流走行轨纵向电阻的主要措施有：减小回流走行轨纵向电阻的主要措施有：增加回流走行轨截面尺寸增加回流走行轨截面尺寸 尽量多地设置钢轨之间的均流线尽量多地设置钢轨之间的均流线 减小牵引变电所间的距离减小牵引变电所间的距离 回流走行轨对地的过渡电阻回流走行轨对地的过渡电阻钢轨绝缘安装钢轨绝缘安装道床与结构钢筋间绝缘隔离道床与结构钢筋间绝缘隔离 利用绝缘轨缝隔离分区利用绝缘轨缝隔离分区 做好工程中的防水排水做好工程中的防水排水 做好对道床的维护，防止道床污染做好对道床的维护，防止道床污染 机车负荷大小的影响 机车负荷电流对泄漏电流和钢轨电位都有机车负荷电流对泄漏电流和钢轨电位都有影响，机车负荷电流越大，产生的杂散电影响，机车负荷电流越大，产生的杂散电流越多流越多 机车负荷电流与系统电压、客流量、变电机车负荷电流与系统电压、客流量、变电所间距、列车追踪时间间隔等有关所间距、列车追踪时间间隔等有关 排流网纵向电阻的影响 排流网纵向电阻对泄漏电流和钢轨电位影排流网纵向电阻对泄漏电流和钢轨电位影响较小，但排流网纵向电阻的大小与排流响较小，但排流网纵向电阻的大小与排流网的纵向电压降相关，影响排流网是否向网的纵向电压降相关，影响排流网是否向外泄漏电流，腐蚀主体结构钢筋或管线。外泄漏电流，腐蚀主体结构钢筋或管线。排流网的纵向电压降为其周围的金属管线排流网的纵向电压降为其周围的金属管线腐蚀的驱动源。腐蚀的驱动源。排流网纵向电阻越小，即排流网截面越大排流网纵向电阻越小，即排流网截面越大的情况下，排流网钢筋泄漏杂散电流密度的情况下，排流网钢筋泄漏杂散电流密度越低越低.排流网与是否排流的影响 排流网与负极连接后钢轨电位升高，泄漏排流网与负极连接后钢轨电位升高，泄漏电流增大，阳极区加宽，排流网泄漏电流电流增大，阳极区加宽，排流网泄漏电流趋于零，对结构钢筋或金属管线确实起到趋于零，对结构钢筋或金属管线确实起到了保护作用，代价是钢轨腐蚀严重些，并了保护作用，代价是钢轨腐蚀严重些，并需安装钢轨过电压限制器设备，维持正常需安装钢轨过电压限制器设备，维持正常的接触电压，保证人身安全。的接触电压，保证人身安全。对邻近地铁轻轨的地下结构采取措施 钝化防护钝化防护活化防护活化防护 钝化防护钝化防护是减少周围介质中杂散电流进入到地下钝化防护是减少周围介质中杂散电流进入到地下金属结构的保护方法金属结构的保护方法(1)金属管线内外涂刷沥青等绝缘材料，既防化学金属管线内外涂刷沥青等绝缘材料，既防化学腐蚀，也防电化学腐蚀。腐蚀，也防电化学腐蚀。(2)金属管线安装于素混凝土支墩上，减少与土壤金属管线安装于素混凝土支墩上，减少与土壤介质的接触。介质的接触。(3)在金属管线下穿地铁线路时，在金属管线与道在金属管线下穿地铁线路时，在金属管线与道床间敷设绝缘膜。床间敷设绝缘膜。(4)保证包住结构钢筋的混凝土厚度。保证包住结构钢筋的混凝土厚度。(5)金属管线采用绝缘法兰或绝缘短管分段。金属管线采用绝缘法兰或绝缘短管分段。(6)电缆在支架上敷设时应具有绝缘垫层电缆在支架上敷设时应具有绝缘垫层。活化防护活化防护是杂散电流进入到金属结构后的保护方法活化防护是杂散电流进入到金属结构后的保护方法(1)排流保护排流保护 将金属结构中流动的干扰电流，人为地使之直将金属结构中流动的干扰电流，人为地使之直接回到整流器，达到防止管道电腐蚀的方法。接回到整流器，达到防止管道电腐蚀的方法。(2)阴极保护阴极保护 在需要保护的金属结构上外接一直流电源的负在需要保护的金属结构上外接一直流电源的负极，使得金属结构对地电位降低，从而达到防电极，使得金属结构对地电位降低，从而达到防电蚀的目的。蚀的目的。活化防护是补救措施，一般应用于已经受杂活化防护是补救措施，一般应用于已经受杂散电流腐蚀的金属结构散电流腐蚀的金属结构 6.7 工程中适用的杂散电流防护措施工程中适用的杂散电流防护措施在工程设计中应该考虑到可能受到杂散电流影响的在工程设计中应该考虑到可能受到杂散电流影响的系统有：系统有：管道系统管道系统 铠装电缆或金属护套电缆铠装电缆或金属护套电缆 金属储物容器金属储物容器(箱、罐箱、罐)接地系统接地系统 钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构 埋地金属结构埋地金属结构 独立设置的阴极保护装置独立设置的阴极保护装置 信号和通信系统信号和通信系统工程中适用的杂散电流防护措施工程中适用的杂散电流防护措施降低钢轨电位方案或确保畅通的牵引回流系统措施降低钢轨电位方案或确保畅通的牵引回流系统措施 增大钢轨泄漏电阻措施增大钢轨泄漏电阻措施 杂散电流的流通路径控制措施杂散电流的流通路径控制措施 结构钢筋腐蚀防护措施结构钢筋腐蚀防护措施 排流柜设置方案排流柜设置方案 盾构区间防护杂散电流方案盾构区间防护杂散电流方案 高架区段防护杂散电流方案高架区段防护杂散电流方案 车辆段及停车场杂散电流防护措施车辆段及停车场杂散电流防护措施 整体道床杂散电流的防护整体道床杂散电流的防护 地下金属物体的主要防护措施地下金属物体的主要防护措施 6.8 排流柜和单向导通装置的应用排流柜和单向导通装置的应用排流柜的工作原理排流柜的工作原理 单向导通装置的应用单向导通装置的应用 排流网截面积计算排流网截面积计算 排流柜的工作原理单向导通装置的应用在城市轨道交通停车场和列车检修库中，在城市轨道交通停车场和列车检修库中，由于运行环境复杂以及人为因素，引起杂由于运行环境复杂以及人为因素，引起杂散电流泄漏的原因较多。另外，轨道由于散电流泄漏的原因较多。另外，轨道由于电气系统运行的原因，在此位置设有绝缘电气系统运行的原因，在此位置设有绝缘节。因此，单向导通装置的采用，不但解节。因此，单向导通装置的采用，不但解决了绝缘节的电气连接问题，也解决了杂决了绝缘节的电气连接问题，也解决了杂散电流防护的难题。散电流防护的难题。单向导通装置的应用排流网截面积计算 阳极电流阳极电流(流出的杂散电流流出的杂散电流)和阳极电位变和阳极电位变化的规律化的规律(阳极极化曲线阳极极化曲线)排流网截面积计算 排流网结构钢筋流出的杂散电流可以测排流网结构钢筋流出的杂散电流可以测试出来，它集中在变电所附近，在数值上试出来，它集中在变电所附近，在数值上为排流网结构钢筋上流过电流的最大值和为排流网结构钢筋上流过电流的最大值和最近区间端点值之差。最近区间端点值之差。利用这个数值可以计算出当流出电流密利用这个数值可以计算出当流出电流密度为度为0.6mA/dm2时对应的排流网截面积时对应的排流网截面积.每根钢筋的截面积每根钢筋的截面积 排流网截面积计算总截面积为总截面积为:对于一个确定的双边供电系统，极化对于一个确定的双边供电系统，极化电压的正向最大值出现在当机车运行到区电压的正向最大值出现在当机车运行到区间中间位置时的排流柜排流处。按照此条间中间位置时的排流柜排流处。按照此条件，可以计算出对应的排流网最小截面积。件，可以计算出对应的排流网最小截面积。6.9 杂散电流的监测方法杂散电流的监测方法 设计完整的杂散电流监测系统监测杂散设计完整的杂散电流监测系统监测杂散电流的大小，可为运行维护和防止杂散电电流的大小，可为运行维护和防止杂散电流提供依据流提供依据 分散式监测系统分散式监测系统 集中式监测系统集中式监测系统 杂散电流监测系统构成杂散电流监测系统构成 分散式监测系统由参考电极、道床收集网测试端子、高架桥梁收由参考电极、道床收集网测试端子、高架桥梁收集网测试端子、隧道收集网测试端子、测试盒、集网测试端子、隧道收集网测试端子、测试盒、测试电缆、杂散电流测试端子箱、杂散电流测试测试电缆、杂散电流测试端子箱、杂散电流测试装置和数据处理机装置和数据处理机(微机微机)构成。构成。在每个车站变电所的控制室或检修室内安装一台在每个车站变电所的控制室或检修室内安装一台杂散电流测试端子箱，将该车站区段内的参考电杂散电流测试端子箱，将该车站区段内的参考电极端子和测试端子接至接线盒，由统一的测试电极端子和测试端子接至接线盒，由统一的测试电缆再引入至变电所测试端子箱内的连接端子，将缆再引入至变电所测试端子箱内的连接端子，将来用移动式微机型综合测试装置分别对每个变电来用移动式微机型综合测试装置分别对每个变电所进行杂散电流测试及数据处理所进行杂散电流测试及数据处理。集中式监测系统 由参考电极、道床收集网测试端子、高架桥由参考电极、道床收集网测试端子、高架桥梁收集网测试端子、隧道收集网测试端子、传感梁收集网测试端子、隧道收集网测试端子、传感器、通信转接器、传输电缆、监测装置和微机管器、通信转接器、传输电缆、监测装置和微机管理系统构成。理系统构成。在每个测试点，将参考电极端子和测试端子在每个测试点，将参考电极端子和测试端子接至传感器，将该车站区段内的上下行传感器通接至传感器，将该车站区段内的上下行传感器通过传输电缆连接到车站内的通信转接器。车站内过传输电缆连接到车站内的通信转接器。车站内的通信转接器通过传输电缆接至全线杂散电流综的通信转接器通过传输电缆接至全线杂散电流综合测试室内的杂散电流监测装置，通过微机管理合测试室内的杂散电流监测装置，通过微机管理系统对所测量的数据进行处理和打印等作业系统对所测量的数据进行处理和打印等作业 杂散电流监测系统构成电化学中的电位分析法是现阶段杂散电流电化学中的电位分析法是现阶段杂散电流测量的原理。选取电位恒定的、提供测量测量的原理。选取电位恒定的、提供测量电位标准的参比电极作为基本电位，以测电位标准的参比电极作为基本电位，以测量结构钢筋、排流铜排、钢轨等的电位大量结构钢筋、排流铜排、钢轨等的电位大小，来衡量城市轨道交通中杂散电流的多小，来衡量城市轨道交通中杂散电流的多少。少。杂散电流监测系统构成