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1、第6章 杂散电流,易东,西南交通大学电气工程学院,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6.2 杂散电流的分析计算6.3 杂散电流的危害6.4 杂散电流腐蚀机理6.5 杂散电流防护原则6.6 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6.8 排流柜和单向导通装置的应用6.9 杂散电流的监测方法,6.1 杂散电流分布的一般规律,定义分布特点表示杂散电流的参数阴极区和阳极区,杂散电流定义,牵引电流沿接触网送给电动车辆(组)，然后经轨道(走行轨)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（如流入大地），形成杂散电流
2、，或称为迷流。,杂散电流分布的特点,（1）沿轨道的电流先是多，后是少，最后是多；地中电流则先是少，后是多，最后是少。,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 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、地下金属物体的位置与特点、列车运行图等 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、地绝缘性能降低或先期防护
3、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。,表示杂散电流的参数,电流由钢轨泄漏大地，与轨道的状态有关，即与单位长度内钢轨的电阻系数rg （欧姆/公里）和钢轨大地的接触过渡电阻rt（欧姆/公里）有关系。数值rg包括钢轨，钢轨接头及轨端连接线的电阻数值rt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rg和rt外，还使用二次参数衰减系数和特性阻抗。,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
4、中，各个极区的范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，出现一个变极区，在这个变极区内，可能有不同的符号。 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。,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,各点泄漏的电流分别为,6.3 杂散电流的危害,对地形成电位 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钢筋产生“杂散电流腐蚀”,6.4 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电解质中发生的自然腐蚀
5、一样，都是具有阳极过程和阴极过程的氧化还原反应，即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。,杂散电流腐蚀机理,电池： A钢轨(阳极区)+B道床、土壤+C金属管线(阴极区)；电池： D金属管线(阳极区)+ E土壤、道床+F钢轨(阴极区)。,杂散电流腐蚀机理,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PH7时,发生的氧化还原反应是吸氧腐蚀以为O2去极化剂。,杂散电流腐蚀机理,杂散电流的腐蚀危险可按金属表面的泄漏电流密度（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
6、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。 电腐蚀的防护标准，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，在达到一定负电位时，同时还能保证对土壤腐蚀的防护。,6.5 杂散电流防护原则,“以防为主，以排为辅，防排结合，加强监测” (1)防 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。,杂散电流防护原则,(2)排 在回流轨的整体道床中设置杂散电流的收集系统。 (3)测 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
7、营维护提供依据。,6.6 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： 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,对地铁轻轨系统本身采取措施,供电臂长度回流走行轨纵向电阻回流走行轨对地的过渡电阻机车负荷大小排流网纵向电阻是否排流,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： 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 减小牵引变电所间的距离,回流
8、走行轨对地的过渡电阻,钢轨绝缘安装道床与结构钢筋间绝缘隔离 利用绝缘轨缝隔离分区 做好工程中的防水排水 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影响，机车负荷电流越大，产生的杂散电流越多 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,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腐蚀的驱动源。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越低 .
9、,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，在金属管线与道床间敷设绝缘膜。 (4) 保证包住结构钢筋的混凝土厚度。 (
10、5) 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。,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 (1) 排流保护 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。(2) 阴极保护 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，从而达到防电蚀的目的。 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,6.7 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系统有： 管道系统 铠装电缆或金属护套电缆 金属储物容器(箱、罐) 接地系统 钢筋混凝土结构 埋地金属结
11、构 独立设置的阴极保护装置 信号和通信系统,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 增大钢轨泄漏电阻措施 杂散电流的流通路径控制措施 结构钢筋腐蚀防护措施 排流柜设置方案 盾构区间防护杂散电流方案 高架区段防护杂散电流方案 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 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,排流柜的工作原理 单向导通装置的应用 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，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，轨道由于电气系统运行的原因
12、，在此位置设有绝缘节。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(流出的杂散电流)和阳极电位变化的规律(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度为0. 6mA/ dm2时对应的排流网截面积 . 每根钢筋的截面积,排流网截面积计算,总截面积为: 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间中间位置时的排流柜排流处。按照此条件
13、，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,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流提供依据 分散式监测系统 集中式监测系统 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、杂散电流测试装置和数据处理机(微机)构成。 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
14、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、监测装置和微机管理系统构成。 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,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少。,杂散电流监测系统构成,
