深圳地铁龙岗线杂散电流腐蚀防护措施浅谈

所属栏目:交通运输论文 发布日期:2010-08-28 13:59 热度:

  摘要:地铁钢轨、土建结构钢筋、设备金属外壳及其它地下金属管线长期遭受杂散电流的电化学腐蚀,会减少埋地管线使用寿命,降低地铁主体结构的耐久性和强度,有时甚至会造成灾难性的事故。本文讨论了地铁杂散电流的危害,并给出了在深圳地铁龙岗线采取的减少杂散电流腐蚀的具体防护措施。
  关键词:地铁,杂散电流,防护,监测
  1、概述
  深圳市轨道交通二期龙岗线起自罗湖区红岭站,终点止于龙岗区双龙站,全长约41.7公里。龙岗线地下车站采用明挖法施工,区间隧道采用明挖法、矿山法及盾构法等施工方法;全线正线均采用整体道床,车辆段内车场线采用碎石道床,库线采用整体道床;牵引供电系统采用DC1500V接触轨供电、以走行轨为回流通路的直流牵引供电系统。
  由于运营环境、经济及其它方面因素的限制,走行轨不可能完全绝缘于道床结构,因此钢轨不可避免地向道床、车站、隧道和高架桥结构泄漏电流,即形成杂散电流。杂散电流会对钢轨、土建结构钢筋、设备金属外壳及其它地下金属管线产生电腐蚀,影响土建结构和其它金属管线的使用寿命。例如从20世纪70年代开始运行的北京地铁一期工程的主体机构中的钢筋已发现有严重的杂散电流腐蚀;北京、天津地铁都有水管被侵蚀穿孔的情况;香港也曾因杂散电流腐蚀煤气管道引起煤气泄漏;在一些地铁运行历史较长的发达国家,杂散电流腐蚀同样严重,如英国曾发生过因为杂散电流腐蚀而发生的钢筋混泥土塌方事故。因此在地铁工程中应采取完善的杂散电流腐蚀防护措施,以保证地铁长期、安全地运行。
  2、杂散电流腐蚀防护措施
  杂散电流腐蚀防护是个综合性工程项目,杂散电流腐蚀防护按照“以堵为主,以排为辅,堵排结合,加强监测”的原则实施。堵就是采取隔离、控制所有可能的杂散电流泄露途径,减少杂散电流进入地铁的主体结构钢筋、金属管线及设备的相关措施;排就是通过杂散电流的收集及排流系统,提供杂散电流返回牵引变电所的通路,以限制杂散电流继续向地铁系统以外泄漏,减少杂散电流对金属管线及金属构件的腐蚀;测就是设置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。
  2.1一般防护措施
  2.1.1限制杂散电流产生根源的措施
  2.1.1.1保证畅通的回流通路
  (1)将牵引变电所负回流线与钢轨可靠焊接,保证回流通路畅通。回流电缆根数不少于2根,且应具有足够的导电截面,保证当每一根电缆故障时,区域电缆也能满足导电截面要求。
  (2)在车站两端、区间每隔约400m设置上、下行轨道均流线,回流电缆处不再另设置均流电缆。
  2.1.1.2降低钢轨泄露电阻
  (1)钢轨采用绝缘法安装。在轨道与混凝土轨枕之间、在紧固螺栓和道钉与混凝土轨枕之间以及扣件与混凝土轨枕之间采取绝缘措施,加强轨道对道床的绝缘,以减少钢轨泄露电流。钢轨与道床间泄流电阻应不小于15Ω.km。这可以通过钢轨下加绝缘垫、道岔处加强绝缘、钢轨底部与道床之间间隙不得小于30mm等方法中的一种或几种来实现。
  (2)道岔采用绝缘扣件,保证道岔转辙装置的控制电缆金属外铠与道岔本体之间无直接接触。
  (3)保持地铁车站及隧道内清洁干燥,在车站、隧道内设置畅通的排水措施,尽量避免长期积水。
  2.1.2排流措施
  设置杂散电流收集网,将金属结构中的杂散电流人为地使之直接回流到钢轨或变电所负极。
  2.1.2.1主收集网的设置
  在地下及地面区段,将整体道床内的纵向结构钢筋按一定要求焊接,作为杂散电流主收集网。在高架桥梁区段,将高架桥梁顶层纵向结构钢筋按一定要求焊接,作为高架桥梁区段杂散电流主收集网。主收集网必须满足一定的截面要求,被选做收集网的结构钢筋应均匀分布,以增加杂散电流收集效果,每段纵向钢筋如有搭接,必须进行搭接焊,焊接长度不小于30mm,沿纵向每隔5m用一根横向钢筋与所有的收集网纵向钢筋焊接。
  在每段整体道床或高架桥梁结构段的两端(即靠近伸缩缝处),用5×50mm2的铜排与所有的收集网纵向钢筋焊接后,在每段整体道床或高架桥梁结构段的左右两侧分别引出铜排连接端子,并在上面打φ12的孔,用于电气连接及测量。
  2.1.2.2辅助收集网的设置
  对于明挖法或矿山法施工的隧道,将隧道结构钢筋按一定要求焊接,作为杂散电流辅助收集网。每个隧道结构段(隧道两个沉降缝之间的隧道结构段称为一个隧道结构段)内的纵向钢筋的搭接处采用焊接(焊接长度不少于钢筋直径的5倍),每隔5m(以及隧道结构段两端)选一横向钢筋与交叉的所有纵向钢筋焊接,另在隧道底板上层左、右线方向各选择一根纵向钢筋(即排流条)与结构段内所有上层横向钢筋焊接。
  在每个隧道结构段的两端焊接引出铜排连接及测量端子,并在上面打φ12孔,用于电气连接及测量。
  2.1.2.3排流柜及排流端子的设置
  在正线牵引变电所内设置排流柜,排流柜在地铁运营初期并不投入运行,而是在地铁运营过程中,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。
  在正线牵引变电所附近设置道床与高架桥梁或隧道结构钢筋的排流端子,将杂散电流收集网同牵引变电所内排流柜连接,排流端子可以利用靠近牵引变电所的伸缩缝连接端子。
  2.1.3杂散电流防护示意图
  2.1.3.1地下区段杂散电流防护示意图
                                   t1.jpg
                                                                                    图1地下区段杂散电流防护示意图
  2.1.3.2高架区段杂散电流防护示意图
                     t2.jpg
                                                                                                图2高架区段杂散电流防护示意图
  2.2特殊区段杂散电流腐蚀防护措施
  2.2.1盾构区段杂散电流腐蚀防护措施
  充分利用盾构管片的结构及安装特点,采用隔离法进行防护。由于盾构隧道是由纵向1.2~1.5m长的管片构成,管片间存在用于防水的橡胶垫圈,且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,客观上隔断了管片间的电气连接,使得每片管片内钢筋所收集的杂散电流数量非常小,从而实现管片内部结构钢筋的钝化腐蚀状态,达到防护目的。
  对于与盾构区间相邻的车站或采用其他方法施工的区间,设置与结构钢筋可靠连接的连接端子,用电缆将其互相连接,使该供电分区范围内的杂散电流辅助收集网电气连续。
  2.2.2车辆段杂散电流腐蚀防护措施
  车辆段的情况比较复杂,需要区分不同情况,采取不同的办法:
  (1)根据接触轨分段情况设牵引回流回路,通过恰当设置回流点和均流电缆,形成畅通的回流通路,减少杂散电流的泄漏。
  (2)车辆段出入段线与正线之间、车辆段各种电化库内线路与库外线路之间设置绝缘轨缝,并根据实际情况设置单向导通装置。
  (3)车辆段内电化股道和非电化股道之间、电化股道尽头线与车档设备之间设置绝缘轨缝。
  2.3相关设备及管线的杂散电流腐蚀防护措施
  2.3.1牵引变电所内的直流开关柜、整流器柜、负极柜等设备均采用绝缘法安装,并设置框架泄漏保护装置。
  2.3.2地铁内相关设备、管线采取一定的防护措施,保证设备及管线安装时不与钢轨或结构钢筋有电气连接。
  2.3.3屏蔽门/安全门及站台绝缘层的处理:沿车站站台设2m宽绝缘膜,其绝缘等级为AC1000V-1min,屏蔽门/安全门安装在绝缘层之上,屏蔽门/安全门金属框架通过电力电缆与钢轨相连接。通过以上措施,确保屏蔽门/安全门与结构钢筋无电气连接。
  3、杂散电流监测系统
  为了适时了解地铁牵引回流泄漏的情况和地下金属结构受杂散电流腐蚀的程度,必须进行专门的测量工作。地铁结构与设备受杂散电流腐蚀的危险性指标,应由结构表面向四周电解质漏泄的电流密度和由此引起的电位极化偏移来确定。由于电流密度难以直接测量,所以一般是通过测量腐蚀危险性的间接指标即由杂散电流引起的结构的极化电位偏移值来判定设备受杂散电流腐蚀的情况。监测系统可以监测高架桥梁、隧道、整体道床结构钢筋对周围混凝土介质的极化电位,并通过变电所综合自动化系统和电力监控系统将信息传送至控制中心电力调度系统进行分析和存储,使运营人员可在办公室内直接查询各种统计信息,并可打印各种管理报表。运营人员可根据分析结果,及时对相关区段进行相应的维护管理。
  杂散电流监测系统由参考电极、整体道床收集网测试端子、高架桥梁辅助收集网测试端子、隧道辅助收集网测试端子、传感器、数据转接器、通信电缆及上位机监测系统组成。在每个测试点,将钢轨、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、下行传感器通过通信电缆分别连接到位于各车站的数据转接器。传感器采集的数据经数据转接器接入变电所综合自动化系统,经电力监控系统的数据传输通道传至控制中心,经控制中心转发至供电车间的供电复示系统。变电所综合自动化系统在各车站均设有杂散电流监测系统的通信接口。杂散电流监测系统构成如下图所示:
                                 t3.jpg
                                                                                       图3杂散电流监测系统构成图
  4、结束语
  随着我国城市轨道交通的快速发展,杂散电流的防护越来越受到人们的重视,深圳地铁龙岗线秉承地铁一期工程“以堵为主,以排为辅,堵排结合,加强监测”的原则,实施了有效的杂散电流防护措施。需要指出的是,地铁杂散电流防护是个系统工程,需要多个专业在设计、施工和运营各阶段共同配合,一方面需要加强各自专业的防护措施,另一方面我们还需要探索更加积极的预防方案。
  
  参考文献
  [1]地铁杂散电流腐蚀防护技术规程
  [2]朱孝信地铁的杂散电流腐蚀与防护材料开发与应用1997,12:40~47
  [3]王勇深圳地铁的杂散电流防护措施分析铁道机车车辆2001,5:32~34
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  [5]李守本,姚萍,王洪仁,张克宇上海轨道交通明珠线杂散电流防护与监测系统材料开发与应用2001,16:23~26
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