分布式杂散电流监测防护系统设计

江丽，徐路平

（湖南高速铁路职业技术学院机电系，湖南衡阳，421002）

分布式杂散电流监测防护系统设计

江丽，徐路平

（湖南高速铁路职业技术学院机电系，湖南衡阳，421002）

设计基于城市轨道交通供电系统的组成、探讨杂散电流的成因、分析其腐蚀危害机理；设计出一个单相导通装置及放电间隙控制杂散电流的影响范围，实现排流二极管支路的设计，并实现单片机控制系统完成对杂散电流的防护与监控，实现了分布式杂散电流监测系统的设计，找到新型解决途径避免或减少其危害，保障城市轨道交通的安全及正常运营。

分布式杂散电流；智能监测系统

0 引言

目前我国轨道交通的牵引方式多采用直流供电牵引,电压多为直流750V和1500V。在直流供电牵引系统中,列车所需电流都来源于牵引变电所,通过接触网(架空线或接触轨)向电客车送电,然后经刚轨回流至牵引变电所的负极回流母线。由于钢轨的绝缘材料埋在地下,不可能做到完全绝缘,其绝缘水平随时间的延长将会逐渐下降,不可避免地将造成部分电流不从钢轨回流,而是通过沿线的道床钢筋、隧道、等混凝土内部钢筋或土壤回流到牵引变电所，甚至不回流而散入大地这一部分电流就是杂散电流[1]。也叫迷流。

图1 轨道交通牵引示意图

如图1所示I 1 和 I 2 为变电所供电电流，分别为一个供电区间两个牵引变电所向机车提供的电流， I 3 和 I 4 为回流电流，分别为通过走行轨向两个牵引变电所回流的电流，I21 和I 22 分别为泄露到地下的杂散电流。

1 杂散电流的成因及影响

杂散电流产生的原因很多也很复杂，并且容易受到外界环境因素的影响，但主要可以归纳为以下两点。

（1）电位梯度。如果电场分布不均匀，存在电位梯度，那么金属内部的自由电子会在电场力的作用下就会发生定向移动，电荷的定向移动就形成了电流。另外由于存在着电位梯度，电场会迫使部分电流从铁轨中流出并流入土壤和埋地金属管线中，然后再使电流从埋地金属物中流出，流向大地再返回到牵引变电所的负极，形成对埋地管线的杂散电流腐蚀。

（2）电流泄露。电流泄露是杂散电流形成的一个主要原因，电流泄露主要是因为绝缘不良或接触不好等原因造成的。电流泄露到埋地管道中时，由于电流的流动迫使金属内部的自由电子发生定向移动，使金属离子与电子分离，使得埋地金属管线遭受腐蚀。

杂散电流会引起地铁设施、 地铁附近的钢筋混凝土结构物以及埋地管线发生腐蚀，造成严重后果。

1)钢轨及其附件

在列车下部，列车处于阳极区，容易发生电蚀。资料表明，钢轨的杂散电流腐蚀在隧道内道岔处更为严重，在有些地方 2—3年钢轨就出现严重腐蚀。道钉也有杂散电流腐蚀现象，而且多发生在钉入部位，从地上难以发现。

2)钢筋混凝土金属结构物

3)埋地管线腐蚀

石油管线、蒸汽管线等，在系统外则可能有煤气管线、石油管线、自来水管线等公用事业管线以及各种电缆管线等。 据调查这些管线不同程度地存在杂散电流腐蚀问题。在设计和建设地铁时，不考虑此问题会产生极严重的后果[2]。

4)异常腐蚀

在把线路引入修理库、交检库及运转库等建筑物时，如果绝缘施工不良，就会使钢轨与建筑物在电气上联通，从而使泄漏电流增大，产生较强的杂散电流腐蚀。

5) 造成人身触电

地铁轨道为长轨，是由多节轨道焊接而成，因此轨道接缝电阻值较大，而使轨道与结构钢之间的电位差增加，如果轨道接缝处开焊，轨道接缝电阻更大，这使轨道与结构钢之间的电位差更高。在站台上，地铁乘客手脚之间的电位差为ΔV，当这个电位差达到一定值时，人就有触电死亡的危险。

6) 影响通信

杂散电流除腐蚀地下管线外，还会在接地的通信设备机架上形成高电位，危及设备和人员的安全， 杂散电流使通信导线与附近大地形成电位差。 受电弓产生的电猝发与浪涌成为城市杂波的重要组成部分，对附近的信息设备和精密仪器造成干扰，接触导线还是车辆内高次谐波的发射天线，幅射污染了近距离的电磁环境[3]。

2 杂散电流的腐蚀原理

电化学腐蚀——金属在电解质溶液中发生电化学作用所引起的破坏。

图2 杂散电流走势图

电化学腐蚀发生的条件：

（1）必须有阴极和阳极。

（2）阴极和阳极之间必须有电位差。

（3）阴极和阳极之间必须有金属的电流通道。

（4）阴极和阳极必须浸在电解质中，该电解质中有流动的自由离子。

当杂散电流从走行轨泄露出去再通过道床、大地流入埋地金属管线中，其中走行轨的A区是阳极，管道的B区为阴极；当杂散电路从管道中流出并通过大地、道床流入走行轨中时，管道的C区为阳极，走行轨的D区为阴极。由此可知，杂散电流所经过的通路实质上就是构成了两个串联的腐蚀电池。如图2所示。

3 国内现有的杂散电流监测方案

3.1 利用排流柜监测

排流柜安装在牵引变电所内，所采集的数据是回流点处的数据。缺点：功能单一：只能反映回流点的杂散电流情况，不能反映全线路的杂散电流分布情况及危害程度。

3.2 分散式杂散电流监测

天津地铁一号线、南京地铁一号线均采用了分散式杂散电流监测模式，该系统由参考电极、信号盒、信号测量电缆、测试箱、综合测试装置和微机管理系统组成。 缺点：监测点测量导线的截面积不应小于2.5mm2，长度不宜超过10m。因此，利用该方法监测，轨道交通沿线必须敷设大量的电缆，这样不仅荷载增加 (对高架区段 )，而且有碍美观，造成不必要的浪费[4]。

3.3 集中式杂散电流监测

图3 分布式杂散电流监测图

广州地铁、武汉轻轨、深圳地铁、上海明珠线北延伸等均采用了集中式杂散电流监测模式，该系统由参考电极、传感器、信号转接器、监测装置、微机管理系统组成。特点：集中式杂散电流监测系统智能化程度较高，所测数据精确度也较高。但扩展性差，监测范围受通信距离的限制最远只能达到20公里，不能满足现代地铁建设里程的要求，并且在地铁线延长时，无法进行系统的扩展。

3.4 分布式杂散电流监测

上海轨道交通9号线、北京地铁1、2号线采用了分布式杂散电流监测模式，该系统由传感器、监测装置、微机管理系统组成[5]。原理如图3所示。

按供电分区监测，集中管理。在每个供电分区内设置一个子系统（包括传感器、监测装置和排流柜），车辆段设置一个子系统（包括监测装置和单向导通装置），每个子系统的监测装置与所内的SCADA联网，通过SCADA通信通道，与设置在监控中心的杂散电流监控主机通信。

4 分布式杂散电流监测防护系统的设计

杂散电流防护系统借用SCADA通信传输通道，自成系统，对全线极化电位、接触电压、过渡电阻等杂散电流危险性指标的监控，可实现数据保存、查看、检索、报表、曲线、分析、预测等功能。

极柜的负母排与杂散电流防护收集网之间的杂散电流排流二极管支路是排流柜的主要工作电路。每个二极管支路由二极管、熔断器、分流器和变阻器串联组成，每个回路并联一个RC回路，以抑制过电压[6]。主回路的主体为一硅二极管，另配以保护和检测电路，排流柜的控制由一单片机控制系统来控制，可以采集排流柜的工作电压和工作电流以及主回路的故障状态，通过RS485接口远传到杂散电流自动监测系统的上位机中，在控制室可实时观察排流柜的工作情况[7]。

图5 分布式杂散电流检测系统硬件实现框图

图6 单向排流硬件设计原理图

单向导通装置由二极管回路、隔离开关回路和放电间隙装置等3个电路并联组成，用电缆连接绝缘节两端的钢轨。正常工作时，隔离开关开路，二极管回路工作，使钢轨电流在一个方向导通，而在另一个方向截止，有效防止因部分钢轨绝缘水平较差而增加整个轨道交通杂散电流的数量。当列车在停车场和列检库位置紧急制动时，首先采用再生方式。如果没有其他机车吸收产生的再生电流，绝缘节两端钢轨电压升高到一定值时(1000V)，放电间隙击穿放电(见图6)，回路R-M1-M2-CP-P内有电流流过，钢轨电位降低，可避免人身伤害事故的发生[8]。当回路R-M1-M2-CP-P电流值达到200A时，由于M1和M2线圈的共同动作使旁路开关闭合，R-M1-K-P回路接通，当M1中流过的电流减少到50A以下时，M1电磁力不足以保持旁路开关闭合，旁路开关打开。装置内设有隔离开关在二极管回路故障时，用隔离开关回路直接连通轨道绝缘节两端钢轨，使列车能正常运行[9]。

[1]李学武等，《 城市轨道交通供电》，中国铁道出版社，2009.

[2]李威，《地铁杂散电流的监测与防治》，2003.

[3]唐洁，《浅谈地铁杂散电流的监测与防护系统》，上海电器技术，2007.

[4]郝卫国，《城市轨道交通杂散电流的防护》，城市轨道交通研究，2004.

[5]于小四，《城市轨道交通供电系统安装技术手册》，中国铁道出版社，2012.

[6]秦治国，《地铁杂散电流分布与监测防护系统的研究》，硕博学位论文2011年.

[7]张艳丽，《地铁杂散电流腐蚀机理以及防护措施研究》，电气化铁道，2009.

[8]潘运涛，《杂散电流的计算机检测系统设计 》，硕博学位论文，2008年.

[9]朱孝信，《地铁的杂散电流腐蚀与防治》材料开发与应用，1997年.

Design of distributed stray current monitoring and protection system

Jiang Li,Xu Luping
(Department of mechanical and electrical engineering Career Technical College , Hengyang Hunan,421002)

The design of power supply system of city rail transit based on the genesis of the stray current, the analysis of corrosion damage mechanism; design a single-phase conduction effect device and discharge gap control of stray current, realize the design of drainage diodes, and the microcontroller control system to complete the protection and monitoring of the stray current. The design of distributed monitoring system of stray current, find new ways to avoid or reduce the harm, to ensure the safety and normal operation of city rail transportation.

stray current distributed;intelligent monitoring system