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1、摘 要目前地铁大都采用走形轨回流的直流牵引供电方式，因而在运营中将不可避免地产生流经大地的杂散电流。地铁杂散电流严重腐蚀地下金属结构，影响地铁安全运营，因此全面考虑地铁杂散电流腐蚀问题，探讨更为有效的杂散电流腐蚀防护措施，保证地铁安全运营具有十分重要的意义。本文首先介绍杂散电流的产生、危害及其对结构钢筋和埋地金属管线的腐蚀机理；然后分析在有无排流网设置、是否排流情况下单边供电方式和双边供电方式中杂散电流的分布规律及各个参数对杂散电流的影响，并据此讨论杂散电流的防护措施和监测手段。最后结合广州地铁五号线工程的特点，综合提出广州地铁五号线的杂散电流防护系统设计方案。广州地铁五号线杂散电流防护方案包
2、括设置杂散电流排流网、新型智能排流装置的杂散电流防护方法和集中式监测系统。集中式监测系统将采集结构钢极化电位、参考电极本体电位和轨道对结构钢的电压等数据上传至上位机处理，实现对整个系统进行实时在线远程监测，为地铁杂散电流防护提供参考。关键词：地铁；直流牵引供电系统；杂散电流；腐蚀；防护AbstractCurrently, the running rails are usually used as the return conductor for DC traction power supply system in the metro. Therefore, it is inevitable t
3、hat there will be current leaking into ground through the running rails, resulting in the serious corrosion to the underground metal structure and infecting safe operation of the metro. Thus, it is very necessary to fully consider the stray current corrosion issue, to explore more effective protecti
4、ve measures for stray current corrosion in order to ensure the safe operation of the metro. Firstly, a discussion of the cause and hazard of stray current in DC traction power supply system and the mechanism of corrosion of it to steel structure and metal pipeline are presented in this paper. Then,
5、the regularities and distribution of stray current are analyzed at either drainage or non-drainage situation in one-way feeding and two-way feeding power supply system. And each factor that affected stray current distribution rule has been analyzed. On the basis of stray current distribution rule, t
6、he methods and measures to control and monitor stray current are discussed. Finally, according to the characteristic of construction projects of Guangzhou metro line 5, the proper stray current protection and monitoring system is designed. The stray current protection and monitoring system is compos
7、ed of the protection methods of stray current such as drainage net, a news intellectual drainage arrangement and centralized monitoring system. The data such as the steel polarization potential, reference electrode body potential and the running rails on structural steel potential is collected by it
8、s monitoring system and transmitted to the upper computer processing. The real-time and on-line monitoring system monitors the whole system remotely and provides reference for the protection of metro stray current. Key Words: Metro, DC traction power supply system, Stray current, Corrosion, Protecti
9、on目 录摘 要IAbstractII目 录III1 绪论11.1论文的选题背景和研究意义11.2 国内外研究现状11.3 论文的主要研究内容22 地铁杂散电流的产生、腐蚀机理及其危害32.1 杂散电流的产生32.2 杂散电流的腐蚀机理32.3 杂散电流的危害42.4 杂散电流分布的一般规律42.4.1 单边供电方式下杂散电流的分布52.4.2 双边供电方式下杂散电流的分布62.4.3 设置排流网供电方式下杂散电流的分布73 地铁杂散电流腐蚀防护措施和监测手段93.1 杂散电流腐蚀防护措施Equation Chapter 3 Section 193.1.1 “堵”源控法93.1.2 “排”排流
10、法93.1.3 其他杂散电流腐蚀防护方法93.2 杂散电流腐蚀防护的监测手段93.2.1 杂散电流腐蚀监测原理93.2.2 杂散电流监测系统94 工程实例94.1 杂散电流腐蚀防护设计原则及技术条件94.2 牵引回流系统94.3 杂散电流腐蚀防护方案94.3.1 一般防护方案94.3.2 特殊区段防护方案94.3.3 相关设备及管线的防护方法94.4 杂散电流监测系统94.4.1杂散电流监测系统构成方案94.4.2 测试端子设置原则94.4.3 参考电极设置原则94.4.4 杂散电流防护系统的日常维护措施94.5 杂散电流腐蚀防护对各专业的要求94.5.1 对牵引供电专业的要求94.5.2 对
11、轨道专业的要求94.5.3 对主体结构的要求94.5.4 对各种电缆及金属管线的要求9结 论9致 谢9参考文献9附录A 杂散电流防护示意图9附录B 收集网截面计算9附录C 广州地铁五号线杂散电流监测系统示意图91 绪论1.1论文的选题背景和研究意义地铁在给人民生活带来方便的同时，也出现一些不容忽视的问题，如列车在运行期间产生的杂散电流腐蚀问题。在地铁建成投入运营的初期，走形轨与道床之间的绝缘程度较高，由走形轨泄漏到大地中的杂散电流也较少。随着地铁运营年限的增加，运营环境受到不可避免的污染、列车对轨道的作用力等因素的影响，造成走形轨对地绝缘性能降低，使先期防护措施失效，这样就有大量杂散电流泄漏到
12、周围的土壤介质中去。由地铁杂散电流产生的问题十分突出，如香港曾因地铁杂散电流引起煤气管道的腐蚀穿孔而造成煤气泄漏的事故；天津地铁也存在水管被腐蚀穿孔的情况1。在国外，如美国、英国和俄罗斯等国的地铁也存在杂散电流腐蚀的问题2。地铁杂散电流问题己引起了人们的高度的重视，发达国家在该课题上投入了巨大的人力和物力，取得了一定的成果，而我国在这方面的研究起步较晚，但也取得了一定成效。目前我国正在掀起地铁建设的高潮，在地铁的设计、建设和正常运营过程中，杂散电流的防护问题是必须考虑的。分析杂散电流的分布规律，弄清楚影响杂散电流分布的各个因素，设计合理的防护方案，这将对减少建设投资、降低运营成本以及消除杂散电
13、流腐蚀带来的危害有积极的意义。1.2 国内外研究现状杂散电流的危害己引起业内高度重视，国外的地铁管理部及高等院校内均设置了从事这方面研究的专门机构并取得了丰富成果，目前还在不断地研究新的防护方法。目前国际上杂散电流防护通常采用VDE0115国际标准和德国VDV501/2标准，适用于采用直流电力牵引和走行轨回流方式的地铁系统的设计、施工和运行维护等各个环节，这些标准目前已被大多数国家所采用。1992年颁布的地铁杂散电流腐蚀防护技术规程是我国地铁杂散电流腐蚀防护专业的第一个行业标准，它在我国地铁工程建设的初期与运行中发挥了十分重要的作用，但是，由于我国地铁刚起步不久，没有像国外标准那样作严格规定。
14、近年来，国内外地铁已有了很大发展和变化，因此在我国很多城市正在建设和发展地铁的时候，对此规程进行修订是十分必要的。在地铁杂散电流腐蚀方面，经过研究，杂散电流对埋地金属管线和混凝土主体结构钢筋的腐蚀在本质上是电化学腐蚀，而且这种腐蚀属于局部腐蚀。在杂散电流分布模型的推导过程中，杂散电流的大小一般仅能由简化的假定来估算，计算的目的也只是为了理论性的对杂散电流有个基本的了解，用公式指出减少杂散电流的条件或手段。对于杂散电流的分布规律的研究是杂散电流腐蚀防护的基础，国内外均有许多学者进行了大量的研究工作，很多资料都介绍了杂散电流分布的数学解析公式，而在实际应用时的计算却是非常复杂的，而且，计算结果往往
15、很难完全反应实际情况。地铁杂散电流难以直接测量，一般都采用间接的办法来反映杂散电流的腐蚀情况。杂散电流腐蚀的危险性指标，是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的，而由于杂散电流的密度难以直接测量，只有通过测量结构件的电位极化偏移来进行间接反映。地铁杂散电流腐蚀主要监测的参数有轨道电位、结构件的极化电位、走形轨对地过渡电阻和轨道纵向电阻等参数。在杂散电流的在线监测方面，国外进行了大量的研究。国外已经研究出了长线管道受杂散电流腐蚀的监测方法，使用了大量存储的数据采集装置，利用计算机进行数据采集和数据分析。总之，研究新的监测方法和在线监测系统，是地铁杂散电流腐蚀监测发展
16、的要求和趋势。1.3 论文的主要研究内容本文研究的主要内容包括：(1) 详细介绍了杂散电流产生、腐蚀机理及危害；(2) 分析杂散电流分布的一般规律及其影响因素；(3) 探讨杂散电流腐蚀防护措施和监测手段；(4) 结合广州地铁五号线工程，设计具体的杂散电流腐蚀防护方案。本文的主要目标就是通过杂散电流的详细分析，从而为广州地铁五号线杂散电流腐蚀防护提供尽可能完善、经济合理的设计方案，达到优化设计的目的。2 地铁杂散电流的产生、腐蚀机理及其危害2.1 杂散电流的产生目前我国地铁供电系统基本采用直流牵供电方式，列车所需牵引电流由牵引变电所提供，通过接触网（架空线或接触轨）向列车送电，然后经走行轨回流至
17、牵引变电所。由于走形轨的绝缘材料埋在地下，不可能做到完全对地绝缘，并且随着时间的推移，其绝缘水平将会逐渐下降，不可避免地将造成部分电流不从走形轨回流，而是由走形轨杂散流入大地，再由大地流回走形轨并返回牵引变电所，从而形成杂散电流。杂散电流也称做迷流。2.2 杂散电流的腐蚀机理杂散电流腐蚀属于电化学腐蚀，电化学腐蚀反应是一种氧化还原反应。在反应中，金属失去电子而被氧化，其反应过程称为阳极反应过程。介质中的物质从金属表面获得电子而被还原，其反应过程称为阴极反应过程。把进行电子传导的金属导体与进行离子传导的电解质相接触的界面称为电极系，电子导体和离子导体的接合称为e-i接合。地铁直流牵引供电方式所形
18、成的杂散电流及其腐蚀部位如图2.1所示，走行轨和金属管线均为电子导体，地面为离子导体，电子在A和D点流出，金属导体与地面组成e-i界面为阳极。电流在B点和F点流入，则地面与金属导体组成的i-e界面为阴极。由图可知，杂散电流所经过的路径可等效地看成2个串联的电解电池。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）图2.1 地铁杂散电流腐蚀原理图当杂散电流由钢轨(A)和金属管线(D)部位流出时，都会发生失掉电子的氧化反应，该部位的金属就会遭到腐蚀。这种腐蚀的过程，实际可能发生两种氧化还原反应：当金属铁(Fe)周围的介质是酸性电解质，发生
19、的氧化还原反应是析氢腐蚀；当金属铁(Fe)周围的介质是碱性电解质，发生的氧化还原反应为吸氧腐蚀。其腐蚀的化学反应方程式如下3：(1) 析氢腐蚀阳极：2Fe2Fe2+4e-阴极：4H+4e-2H2 （无氧的酸性环境）4H2O+4e-4OH-+2H2 （无氧环境）(2) 吸氧腐蚀阳极：2Fe2Fe2+4e-阴极：O2+2H2O+4e-4OH- （有氧的碱性环境）上述两种腐蚀反应通常生成Fe(OH)2，而在钢筋表面或介质中析出，部分还可以进一步被氧化形成Fe(OH)3。生成的Fe(OH)2继续被介质中的O2氧化成棕色的Fe2O32xH2O（红锈的主要成分），而Fe(OH)3可进一步生成Fe3O4（黑
20、锈的主要成分）。杂散电流腐蚀一般的特点有腐蚀激烈、集中于局部位置；当有防腐层时，又往往集中于防腐层的缺陷部位。2.3 杂散电流的危害地铁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，以及对隧道、道床的结构钢和附近的金属管线造成危害。这种危害主要表现在如下几个方面4：(1) 若地下杂散电流流入电气接地装置，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。(2) 若走形轨局部或整体对地的绝缘变差，则此走形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。而框架保护动作则整个牵引变电所的断路器会跳闸，全所失电，同
21、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。(3) 对地铁隧道、道床或其它建筑物的结构钢筋以及附近的金属管线造成电腐蚀。如果这种电腐蚀长期存在，将会严重损坏地铁附近的各种结构钢筋和地下金属管线，破坏了结构钢的强度，降低了其使用寿命。2.4 杂散电流分布的一般规律整条地铁线路由多个变电所为机车供电，在每个供电区间一般都为双边供电，且在轨道上运行的列车负荷也是变化的。又由于地质条件不同，轨道对地的过渡电阻和土壤电阻也是不同的。鉴于这许多因素的不确定性，为简化所研究的问题，只考虑供电回路的理想条件，假定：Equation Chapter 2 Sectio
22、n 1(1) 走形轨的纵向电阻和对地的过渡电阻是均匀分布的；(2) 排流网电阻和对结构钢的过渡电阻是均匀分布的；(3) 馈电线路的阻抗忽略不计；(4) 埋地结构金属和大地电位相同；(5) 双边供电时，两侧电源特性相同；(6) 在排流网排流情况下，杂散电流全部被排流网收集起来。2.4.1 单边供电方式下杂散电流的分布地铁牵引供电系统采用单边供电时，其供电回路如图2.2所示，I为列车牵引电流，In和Iw为I在负荷点两个方向的电流，L为牵引变电所和列车之间的距离。图2.2 单边供电回路示意图单边供电方式下的走形轨电位及杂散电流电流计算公式如下5：(2.1)(2.2)其中，为走形轨传播常数(1/km)
23、；为走形轨纵向电阻(/km)；为走形轨对地过渡电阻(km)；为杂散电流泄露总量(A)；为走形轨对地电位(V)；L为牵引变电所和列车之间的距离(km)；为该点到列车之间的距离(km)。由式2.1和式2.2得出单边供电方式下走形轨电位和杂散电流分布分别如图2.3(a)、图2.3(b)所示。(a) 走形轨电位分布示意图 (b) 杂散电流分布示意图图2.3 单边供电方式下走形轨电位和杂散电流分布示意图2.4.2 双边供电方式下杂散电流的分布地铁牵引供电系统采用双边供电时，其双边供电回路如图2.4所示，I1、I2分别为为左侧和右侧牵引变电所提供的牵引电流，In1和Iw1为I1在负荷点两个方向的电流，In
24、2和Iw2为I2在负荷点两个方向的电流，L为两牵引变电所之间的距离。图2.4 双边供电回路示意图双边供电方式下的走形轨电位及杂散电流电流计算公式如下：在L1区段(2.3)(2.4)在L2区段(2.5)(2.6)其中，L1、L2分别为左侧、右侧牵引变电所和列车之间的距离(km)。由式2.3式2.6得出双边供电方式下走形轨电位和杂散电流分布分别如图2.5(a)、图2.5(b)所示。(a) 走形轨电位分布示意图 (b) 杂散电流分布示意图图2.5 双边供电方式下走形轨电位和杂散电流分布示意图2.4.3 设置排流网供电方式下杂散电流的分布以上分析了单双边供电模式下，杂散电流的分布情况。鉴于实际地铁供电
25、模式均为双边供电，以下以双边供电的分布模型推导排流与未排流时杂散电流分布情况，设置排流网的双边供电回路如图2.6所示。图2.6 设排流网的双边供电回路示意图(1) 未排流情况该情况下排流装置不工作，结论相当于原始推导模型，在L1和L2区段内，走形轨电位和杂散电流分布表达式即为式2.3式2.6。(2) 排流情况排流即为将整流器处的轨道与回流点直接短接。双边供电方式下的走形轨电位及杂散电流电流计算公式如下6：在L1区段(2.7)(2.8)在L2区段(2.9)(2.10)其中，为走形轨传播常数(1/km)；为排流网纵向电阻(/km)；L为两牵引变电所之间的距离(km)。由式2.7式2.10得出可以得
26、出设排流网的双边供电方式下走形轨电位和杂散电流分布分别如图2.7(a)、图2.7(b)所示。(a) 走形轨电位分布示意图 (b) 杂散电流分布示意图图2.7 排流与不排流双边供电方式下走形轨电位和杂散电流分布示意图根据以上分析可以得到走形轨电位和杂散电流分布的规律：(1) 走形轨电位：从变电所到机车处走形轨电位逐渐增加，且在变电所负极附近为负的最大值，此处该处杂散电流从埋地金属体流出，金属对地形成阳极，受杂散电流腐蚀最严重；在机车底部的走形轨为正的最大值，该处杂散电流由走形轨流入埋地金属体，走形轨对地形成阳极，此处走形轨受杂散电流腐蚀最严重。(2) 泄露杂散电流总量：从变电所到机车处泄露杂散电
27、流总量先增加后减少，在变电所和机车底部走形轨附近为零，在机车与变电所的中点附近最大。(3) 排流后，走形轨电位增加，有可能超过容许的安全电压(65V)；从走形轨泄漏到地下的电流增大，排流网中流过电流也增大。(4) 牵引电流的大小对走形轨电位有影响，牵引电流越大，走形轨对地电位越高，杂散电流也越大。(5) 牵引变电所之间的距离增加，在牵引电流不变的情况下，走形轨对地电位和杂散电流也随之增加。(6) 走形轨对地过渡电阻对杂散电流的分布影响很大，过渡电阻越小，杂散电流强度越大，当过渡电阻小于3km时，杂散电流的泄漏比较严重，而过渡电阻大于15km时，杂散电流泄漏很小。(7) 走形轨纵向电阻对走形轨电
28、位影响较大，走形轨纵向电阻增加，走形轨纵向电位成比例增加，走形轨对地电位增加，杂散电流也增加。(8) 埋地金属结构的纵向电阻对走形轨电位和杂散电流的影响较小。3 地铁杂散电流腐蚀防护措施和监测手段3.1 杂散电流腐蚀防护措施杂散电流的防护设计应采取“以堵为主，以排为辅，堵排结合，加强监测”的原则。3.1.1 “堵”源控法源控法就是隔离、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、设备及其相关的设施。根据实验经验，单边供电情况下杂散电流的公式如下：(3.1)杂散电流值与列车到牵引变电所距离的平方成正比；与回流走形轨纵向电阻成正比；与牵引电流成正比；与走形轨的对地过渡电阻成反比
29、。目前地铁采用了很多有效方法，很多新方法也在不断被提出并应用于实践。(1) 在可能的情况下，设计时可适当缩短变电所的位置。(2) 减小机车取流量，牵引网采用双边供，提高直流牵引电压。(3) 加强走形轨对地绝，增大轨道对主体结构的过渡电阻。(4) 保持牵引回流通路顺畅，安装均流电缆，设法降低走形轨的电阻值。(5) 采用隔离法，减少杂散电流的蔓延7。例如在过江隧道的轨道两端绝缘结处设立单向导通装置如图3.1所示，与其他线路单向隔离，使回流电流只能从过江隧道里面向外面流，而外面的回流电流不能流进过江隧道内，同时为确保回流的畅通，用电缆将过江隧道两侧的轨道连接起来，从而减少过江隧道的杂散电流。图3.1
30、 过江隧道绝缘结和单向导通装置3.1.2 “排”排流法排流法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，防止杂散电流继续向本系统外泄漏，以减少腐蚀。这种方法可分为以下三种，如图3.2所示。(a) 直接排流法 (b) 极性排流法 (c) 强制排流法图3.2 杂散电流排流保护法直接排流法是将被保护的结构件与回流轨直接用导线连接，如图3.2(a)所示。这种方法虽然简单，但只能在没有逆向电流时才能使用。极性排流法是在直流排流的连接线上加装半导体整流器，只允许电流单方向流向钢轨，逆向不能流通，如图3.2(b)所示。当被保护的结构件处于杂散电流交替干扰区时，采用直接或选择排
31、流法都不能将干扰电流排回走行轨时就需要采用强制排流法，如图3.2(c)所示。外加一直流电源促进排流，并阻止逆向电流。这种排流措施具有较强的抗交变电流腐蚀的能力，但需要额外的整流电源，因此投资和运营费用较高，而且还可能使被保护的金属导体产生过负电位区，进而使走行轨发生电化学腐蚀。因此对地铁区间杂散电流的防护而言，极性排流法由于成本低工作可靠，在地铁系统中应用最为广泛有效。虽然极性排流法在防止杂散电流腐蚀上起到了很好的效果，但是在排流的同时也会带来一些负面影响。被保护的阳极区与钢轨（负馈线）连接之后，实质上减小了原杂散电流路径的电阻，因而使杂散电流增大，这无疑会使临近未采取保护措施的地下金属埋设物
32、受到更强的腐蚀。(1) 排流网的设置地铁排流网由混凝土整体道床内的杂散电流收集钢筋网和主体结构钢筋网组成，如附录A所示。(2) 排流柜的设置排流柜的一端通过电缆与牵引变电所负极柜相连接，另一端与排流网的排流端子相连接，以便在轨道绝缘降低致使杂散电流增大时，及时投入排流装置使排流网中杂散电流有畅通的电气回路。目前地铁采用的智能排流柜工作原理如图3.3所示，直流接触器CZ用于控制排流支路是否投入使用，R、C用于抑制主回路通断时产生的尖峰脉冲，硅二极管D1用于防止逆向排流，快速熔断器Fu用于在出现短路等故障时保护排流柜电路免受损害。电流传感器M用于检测排流回路中排流电流量的大小，并通过排流柜控制器控
33、制IGBT通断的占空比，以实现排流大小的控制。当IGBT关断时，排流回路中串入R1和R2，排流电流较小。当IGBT开通时，仅串入很小的电阻R2，排流电流较大。R2用于限制排流的瞬时电流，以保护IGBT。排流大小可通过排流柜控制器进行设定，当控制器检测排流电流小于设定值时，IGBT连续开通；当检测排流电流大于设定值时，IGBT连续关闭。正常情况下，IGBT的导通占空比将排流电流量控至于规定的数值范围内。图3.3 智能排流柜原理图3.1.3 其他杂散电流腐蚀防护方法(1) 阴极保护法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。由于阴极保护需要外加一独
34、立直流电源，其本身也是一腐蚀源，因此在工程设计中应慎用。(2) 阳极保护法将被保护结构件的电位提高到钝态电位，从而阻止杂散电流腐蚀。由于地下结构设施复杂，在实际实施中却很难将被保护的设施提高到钝化电位。3.2 杂散电流腐蚀防护的监测手段设计完备的杂散电流监测系统，监视和测量杂散电流的大小，为运营维护提供依据。3.2.1 杂散电流腐蚀监测原理杂散电流难以直接测量，通常利用结构钢极化电压的测量来判断结构钢筋是否受到杂散电流的腐蚀作用，极化电压的正向偏移平均值不应超过0.5V。在地铁沿线某一点测量点轨道地位和埋地金属结构对地电位如图3.4所示，在整体道床上埋入1个长期有效参考电极，用于测量排流网与整
35、体道床参考电极的电压；在隧道的侧壁也埋入1个有效参考电极，测量结构钢与侧壁参考电极的电压。轨道电位是测量轨道与侧壁结构钢之间的电压。图3.4 埋地金属对地电位和轨道电位测试原理图(1) 自然本体电位的测量在没有杂散电流扰动的情况下，测量的地铁埋地金属对地电位分布呈现一稳定值，此稳定电位我们称之为自然本体电位。地铁一天内有几个小时的完全停止运营，在列车停止运行2h后，可以进行自然本体电位的自动测量。当存在杂散电流扰动的情况下，测量电位出现偏离，所测电位为，其偏移值为。(2) 半小时轨道电位最大值测量轨道电位严格意义上来讲应是以无限远的大地为基准，而走形轨电位测量以无限远的大地是很难实现的，在测量
36、中测量走形轨对埋地金属结构的电压来代表轨道电位。由于轨道电位的瞬时值变化很大，实际测量过程中，其监测和计算的参数为测量时间内的最大值，即半小时轨道电位的最大值。(3) 极化电压的正向偏移平均值埋地金属结构受杂散电流干扰的影响，其对地电位就是相对于参考电极的电压会偏离自然本体电。在杂散电流流入金属结构的部位，金属结构呈现阴极，此部位的电位会向负向偏离，该部位的金属不受杂散电流腐蚀。在杂散电流流出金属结构的部位，金属结构呈现阳极性，此部位的电位会向正向偏离。因为腐蚀是一个长期作用的结果，而瞬间杂散电流的变化是杂乱无序的，仅测量瞬间金属结构对参比电极的电压不能直接反映测量点杂散电流的腐蚀情况，按规程
37、规定测量计算在半小时时间内偏移自然本体电位的正向平均值，其计算公式如下：(3.2)其中，所有正极性电压瞬时值和绝对值小于值的负极性电压各瞬时值之和；为所有正极性电压瞬时值读取次数及绝对值小于值的负极性电压各瞬时值读取次数之和；n为总的测量次数；为自然本体电位，为极化电压的正向偏移平均值。3.2.2 杂散电流监测系统杂散电流监测系统有分散式监测系统和集中式监测系统两种。(1) 分散式杂散电流监测系统分散式杂散电流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、杂散电流综合测试端子箱及杂散电流综合测试装置构成，如图3.5所示，图中“1”为测试端
38、子，“2”为参考电极，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，由统一的测量电缆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测试及数据处理。其中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可利用伸缩缝处的连接端子，不单独引出测试端子。图3.5 分散式杂散电流监测原理框图(2) 集中式杂散电流监测系统集中式杂散电流监测系统由参考电极、测试端子、传感器、数据转接器、测试电缆及杂散电流综合测试装置构成，如图3.6所示，图中“1”为测试端子，“2”为参考电极。在每个
39、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测量电缆，分别连接到车站变电所的控制室或检修室内的数据转接器。车站的数据转接器通过测量电缆接至固定式杂散电流综合测试装置。综合测试装置至传感器的传输距离最远不超过10km，由此来考虑每条线路需设置几个杂散电流综合测试室。图3.6 集中式杂散电流监测原理框图地铁的集中式杂散电流监测系统构成原理如图3.7所示。主要监测整体道床排流网的极化电位、本体电位；隧道侧壁结构钢的极化电位、本体电位；监测点的轨道电位等，整个系统为一分布式计算机监测系统。传感器是一个以单片机为核心的数据采集处理系统，可以实时采集处理测量点排流网和结构钢
40、的自然本体电位，正向平均值，半小时内的轨道电压最大值，并把采集运算得到的参数送入指定的内存存储起来。由于整个地铁线路较长，通信距离比较长，为保证传感器的数据可靠传送到中央控制室的上位机，转接器起到了通信传输的中继作用。监测装置通过转接器向各个传感器要监测数据，上位机与监测装置连接，把所有监测点监测和有关杂散电流的信息参数以数据库的形式存入计算机。上位机上可以实时查询到地铁沿线杂散电流腐蚀的防护情况。图3.7 杂散电流监测系统构成原理图4 工程实例广州地铁五号线呈东西走向，线路西起芳村的滘口，东至广州开发区的黄埔客运港，全线共设24座车站，如图4.1所示。正线线路全长约31.8km，其中29.5
41、9km为地下线路，2km为高架线路，0.21km为路基或路堑线路。车站及区间隧道采用了明挖法、明暗结合、矿山法、沉管法、盾构法等多种施工方法。图4.1 广州地铁五号线线路图广州地铁五号线牵引供电系统采用直流1500V供电，正线的地下区段及高架线路全部采用三轨接触网，车辆段采用柔性架空接触网。由于运营环境、经济和其它方面因素的限制，走行轨不可能完全绝缘于道床结构，因此不可避免地由走形轨向道床、车站和隧道结构泄漏电流，即杂散电流。杂散电流会对土建结构钢筋、钢轨、设备金属外壳和其他地下金属管线产生电腐蚀。由于地铁是百年大计，杂散电流防护专业应根据五号线牵引供电和土建结构特点，与相关的土建、轨道、供电
42、、通信和信号等专业配合，设计可靠的防护方案，同时应经济合理，便于施工。4.1 杂散电流腐蚀防护设计原则及技术条件杂散电流防护设计应按照“以堵为主，以排为辅，堵排结合，加强监测”的原则设计。当杂散电流防护与安全接地发生矛盾时，优先考虑安全接地。杂散电流防护系统应符合地铁杂散电流腐蚀防护技术规程。五号线工程车站的结构形式较多，杂散电流防护与接地系统应根据各车站的具体结构形式，采用合理的设计方案，以满足杂散电流防护标准。在保证杂散电流防护系统成功实施的基础上，尽量减少投资。4.2 牵引回流系统牵引回流系统由钢轨、负回流电缆、上下行均流电缆以及单向导通装置等组成。正线采用60kg/m的钢轨，车辆段除车
43、场线采用50kg/m钢轨外其余均采用60kg/m的钢轨。连接牵引变电所负母线至上下行钢轨的负回流电缆采用400mm2截面铜电缆。各牵引变电所的负回流电缆回数和每回负回流电缆根数如表4.1所示。表4.1 牵引变电所的负回流电缆回数及根数表牵引变电所滘口大坦沙南东风西路广州火车站花园酒店杨箕负回流线回数222222每回负回流线根数777788牵引变电所猎德员村黄洲鱼珠港湾路文园负回流线回数222222每回负回流线根数888888在正线各车站两端上下行钢轨间设置均流电缆，但在有负回流电缆的一端，上下行钢轨间不再设均流电缆；另外，若上下行隧道有区间逃生通道，则利用该通道设置上下行均流电缆；在高架区段，
44、区间均流电缆间隔控制在200300m左右。均流电缆选择2根150mm2截面的DC1500V铜电缆。4.3 杂散电流腐蚀防护方案4.3.1 一般防护方案(1) 限制杂散电流产生根源的措施 通过均流电缆的恰当设置和对回流电缆、回流钢轨提出一定的要求，保证通畅的回流通路。 通过对钢轨采取绝缘法安装及其他附加措施，增大钢轨泄漏电阻，钢轨泄漏电阻应不小于15km。(2) 杂散电流收集网设置方案 将整体道床和浮制板道床按一定要求焊接，作为主要杂散电流收集网。主收集网应满足一定截面要求。计算杂散电流主收集网截面如附录表B2所示，再选择整体道床收集网截面，为了增强珠江隧道的防杂散电流能力，在大坦沙南东风西路区
45、段收集网截面选取为3000mm2，可使过江段隧道结构钢筋的极化电位限制在0.3V以下，隧道结构钢筋处于被绝对保护的状态，达到了保护珠江隧道的目的，其结果如表4.2所示。 将隧道结构钢筋按一定要求焊接，作为隧道辅助杂散电流收集网。表4.2 整体道床收集网截面选择结果表牵引变电所滘口大坦沙南东风西路广州火车站花园酒店杨箕猎德员村黄洲鱼珠港湾路文园截面(mm2) 20003000200030003000300030002000200020002000 将高架桥梁每个结构段的上层钢筋按一定要求焊接，作为高架桥内辅助杂散电流收集网。 在牵引变电所附近设置道床及隧道结构钢筋的排流端子，以便将杂散电流收集网
46、连接至牵引变电所内排流柜。(3) 牵引变电所设置排流柜方案排流柜在地铁运营初期并不投入运行，而是在运营过程中，根据监测系统对杂散电流腐蚀状况的监测结果判断是否投入运行。4.3.2 特殊区段防护方案(1) 盾构区段防护方案盾构区间隧道结构钢筋采用隔离法进行防护。隔离法充分利用了盾构管片的结构及安装特点。由于盾构隧道是由纵向1m多长的管片构成，盾构管片间存在用于防水的橡胶垫圈，且盾构管片内部结构钢筋同管片之间的连接螺栓通过素混凝土隔离，这样客观上隔断了盾构管片的相互连接，使得1m多长的管片内钢筋所收集的杂散电流数量非常小，从而实现盾构管片内部结构钢筋的钝化腐蚀状态，达到防护目的。(2) 过江隧道防护方案 对于过江隧道区段，由于其采用了沉管的施工方法，在管道预制时应对其内部结构钢筋进行焊接，焊接要求详见第4.5.3节。 在过江隧道江底区间，将道床收集网截面适当加大，即对过江区间道床钢筋留有一定的设计裕度。(3) 车辆段杂散电流防护方法 车辆段通过恰当设置回流点和均流电缆来降低钢轨电位以减少杂散电流的泄漏。 车辆段内线路与正线之间、车辆段各种电化库内线路与库外线路之间设置钢轨
