軌道交通動態(tài)直流雜散電流檢測及判定

摘 要

介紹了雜散電流的危害及分類，分析了軌道交通動態(tài)直流雜散電流的產(chǎn)生機(jī)理和動態(tài)特性，對常用的雜散電流檢測方法(管地電位法、土壤表面電位梯度法、電流探針測試法、智能雜散電流檢測儀法)和判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對比分析。
摘要：介紹了雜散電流的危害及分類，分析了軌道交通動態(tài)直流雜散電流的產(chǎn)生機(jī)理和動態(tài)特性，對常用的雜散電流檢測方法(管地電位法、土壤表面電位梯度法、電流探針測試法、智能雜散電流檢測儀法)和判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對比分析。
關(guān)鍵詞：直流雜散電流；動態(tài)特性；雜散電流檢測；判定標(biāo)準(zhǔn)
Detection and Judgment of Dynamic Direct Stray Current in Track Traffic
CHEN Zhiguang，QIN Chaokui，MA Fei
Abstract：The harm and classification of stray current are introduced.The generation mechanism and dynamic characteristics of dynamic direct-current stray current in track traffic are analyzed.Several commonly used measurement methods of stray current，including pipe to soil potential method，soil surface potential gradient method，current probe method and intelligent stray current tester，as well as the judgment criteria are compared.
Key words：direct-current stray current；dynamic characteristics；detection of stray current；iudgment criteria
1 概述
   雜散電流又稱迷流，是指在規(guī)定回路之外流動的電流。由雜散電流引起的金屬腐蝕以其腐蝕速度大、強(qiáng)度高，腐蝕集中于局部位置的特點，成為金屬電化學(xué)腐蝕中危害最為嚴(yán)重的一種。根據(jù)來源，雜散電流主要有直流雜散電流、交流雜散電流、地球磁場感應(yīng)雜散電流等；根據(jù)電流幅值和流經(jīng)路徑是否隨時間變化，可分為靜態(tài)雜散電流和動態(tài)雜散電流。對城市埋地燃?xì)夤艿蓝?，影響最普遍、最?yán)重的是城市軌道交通產(chǎn)生的動態(tài)直流雜散電流干擾[1]。
   隨著城市軌道交通(以下簡稱軌交)的快速發(fā)展以及城市天然氣管網(wǎng)的大力建設(shè)，埋地燃?xì)夤艿赖碾s散電流腐蝕問題日益引起關(guān)注[2～4]。國外對雜散電流研究起步較早，形成了較為完備的雜散電流測試及評價標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)對這一問題關(guān)注較晚，經(jīng)過近年研究，逐步形成了一些測試及評價標(biāo)準(zhǔn)，但針對軌交動態(tài)雜散電流的檢測及評價尚未給出明確規(guī)則。本文對軌交雜散電流的產(chǎn)生機(jī)理及其動態(tài)特性進(jìn)行討論，介紹雜散電流的測試方法，對國內(nèi)外雜散電流判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比分析。
2 軌道交通雜散電流
2.1 軌交雜散電流產(chǎn)生機(jī)理
    直流牽引軌道交通系統(tǒng)供電回路與雜散電流的產(chǎn)生見圖1。變電站將交流電變換為直流電，經(jīng)接觸網(wǎng)向列車輸送，電流由鋼軌及與之相連的導(dǎo)線返回變電站。由于鋼軌具有一定的電阻，電流在鋼軌中產(chǎn)生電位差，同時鋼軌對地也存在電位差，使鋼軌中部分電流泄漏進(jìn)入大地形成雜散電流。泄漏到大地的雜散電流流入埋地燃?xì)夤艿?，?jīng)埋地燃?xì)夤艿懒髦磷冸娬矩?fù)極附近通過土壤重新流入鋼軌，在電流流出的部位金屬發(fā)生腐蝕。
 

    鋼軌泄漏電流的大小、管道中雜散電流的大小及方向，可通過鋼軌、大地、管道各自的電位進(jìn)行分析。以無限遠(yuǎn)大地作為基準(zhǔn)，鋼軌和管道電位分布見圖2。機(jī)車所在位置為鋼軌電位正最大值，變電站附近為鋼軌電位負(fù)最大值，鋼軌電位分布影響到大地電位和管道電位分布[5～7]。鋼軌正電位處電流離開軌道進(jìn)入土壤或埋地管道，在靠近變電站位置軌道對地負(fù)電位處，電流從埋地金屬管道流出進(jìn)入土壤，通過大地返回負(fù)極，引起管道的腐蝕破壞。
 

2.2 軌交雜散電流動態(tài)特性
    雜散電流的變化與雜散電流源的變化具有一致性，軌交雜散電流的大小隨軌交系統(tǒng)的用途、機(jī)車的相對位置和運(yùn)行狀態(tài)不同而變化。機(jī)車在每兩個站臺之間都要經(jīng)歷加速、勻速、減速的過程，不同運(yùn)行狀態(tài)下機(jī)車電流不同。隨機(jī)車電流及機(jī)車位置的變化，軌道電流和軌道對地電位(簡稱軌地電位)也處于變化中，圖3為兩變電站之間軌地電位隨機(jī)車位置變化曲線。軌地電位為正時，雜散電流流入大地，軌地電位為負(fù)時，雜散電流返回鋼軌。鋼軌泄漏電流位置的變化使得埋地管道對地電位(簡稱管地電位)處于不斷變化之中，管道發(fā)生雜散電流腐蝕的位置和強(qiáng)度也在不斷變化[8]。
 

    以管道未受干擾時的自然電位為基準(zhǔn)，雜散電流流入?yún)^(qū)，管地電位負(fù)向偏移，管道處于陰極區(qū)受到保護(hù)；雜散電流流出區(qū)，管地電位正向偏移，管道為陽極區(qū)發(fā)生腐蝕，必須采取防護(hù)措施。對于動態(tài)雜散電流干擾，管道陰極區(qū)和陽極區(qū)分布是動態(tài)變化的，管道某點可能處于雜散電流流入、流出交替變化中，為管道雜散電流腐蝕判定及防護(hù)帶來一定的困難。對上海市某軌道交通旁的埋地燃?xì)夤艿拦艿仉娢贿M(jìn)行實時監(jiān)測，變化如圖4，測試過程中將犧牲陽極斷開，以軌交停運(yùn)后管地電位平均值作為自然電位。在軌交運(yùn)行期間多列機(jī)車通過測試點，管地電位相對自然電位正負(fù)交替變化，電位正向和負(fù)向偏移均比較明顯。
 
3 雜散電流檢測及判定
3.1 雜散電流測試方法[9～11]
   雜散電流受多種因素的影響，直接對其進(jìn)行測定比較困難，目前常用的測試技術(shù)包括管地電位測試、土壤電位梯度測試、電流探針測試法、智能雜散電流檢測儀檢測等。
3.1.1管地電位測試
   土壤和管道中有電流流過時總會引起電位的變化，通過管地電位偏移可以對雜散電流影響進(jìn)行判定。管地電位指埋地燃?xì)夤艿琅c對應(yīng)參比電極之間的電位差。根據(jù)參比電極位置不同有直接參比法、地表參比法、近參比法、遠(yuǎn)參比法等。地表參比法管地電位測試接線見圖5。對于管地電位波動頻繁地區(qū)，可采用電子記錄儀表代替?zhèn)鹘y(tǒng)電壓表，引申為管地電位連續(xù)監(jiān)測法。
 

   管地電位測試能夠直接反映雜散電流的影響，便攜式參比電極操作簡單方便，是當(dāng)前應(yīng)用的主要方法。但在城市中建筑物密集，軌交供電系統(tǒng)、高壓電網(wǎng)、陰極保護(hù)系統(tǒng)等現(xiàn)場干擾較多，管地電位測試可能會產(chǎn)生偏差。對于動態(tài)雜散電流干擾，管地電位測試不能確定雜散電流的具體方向及管道干擾腐蝕的精確位置。此外，管地電位測試過程中IR降的消除也是一個問題。
3.1.2土壤電位梯度測試
   土壤電位梯度指土壤中電流流動形成的電位差，可通過沿管道方向和垂直管道方向兩組參比電極電位差矢量和求得，測試接線見圖6。4只銅/飽和硫酸銅(Cu/CuS04)參比電極a、b、c、d；ac與bd垂直對稱布置且距離相等，其中ac與管道平行且電極間距宜為100m，當(dāng)受到環(huán)境限制時可適當(dāng)縮短。電壓表所測得的Vac和Vbd除以電極間距，則得到與管道平行和與管道垂直方向的土壤電位梯度，其矢量和即為該點的土壤電位梯度。土壤電位梯度的大小可判定雜散電流大小，電位梯度方向與雜散電流方向相同。
 

    電位梯度測試法在管道防腐層檢測領(lǐng)域已有成熟的應(yīng)用，通過電位梯度可判定管道防腐層破損大??；同時可確定土壤中電流流動方向和大小。土壤電位梯度測試受地形條件限制，在城市中測量時由于建筑物密集，兩參比電極間布線受到制約；在測量過程中易受陰極保護(hù)電流電場影響。
3.1.3電流探針測試法
    管內(nèi)電流測量在埋地管道檢漏、防腐層破損檢驗等方面有良好的應(yīng)用，但由于受測試精度、陰極保護(hù)電流等影響，國內(nèi)還沒有依據(jù)管內(nèi)電流變化進(jìn)行雜散電流干擾判定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50162—2004《直流系統(tǒng)中雜散電流引起腐蝕的防護(hù)》(《Protection Against Corrosion by Stray Current from Direct Current Systems》)(以下簡稱EN 50162標(biāo)準(zhǔn))推薦一種電流探針測試法對有陰極保護(hù)結(jié)構(gòu)所受雜散電流干擾進(jìn)行判定，測量原理見圖7。探針表面具有良好絕緣防護(hù)，僅頭部有裸露金屬表面，裸露表面相當(dāng)于絕緣金屬表面的一個漏點。將探針插入土壤并使探針頭部與管道中心線位于同一深度，用電流表記錄管道和探針之間電流的方向和大小，考慮到導(dǎo)線電阻對電流測試的影響，探針與管道應(yīng)盡量接近，通過測量探針與管道之間電流的變化來反映雜散電流的干擾。在電流測試同時可進(jìn)行管地電位測量(地表參比法管地電位測試)，對管道陰極保護(hù)效果進(jìn)行評估。

3.1.4智能雜散電流檢測儀檢測
    智能雜散電流檢測儀(Stray Current Mapper，SCM)是管道雜散電流檢測的專用設(shè)備，系統(tǒng)由SCM智能感應(yīng)器、SP智能探針、SI智能信號發(fā)送器、SCM智能感應(yīng)器控制軟件構(gòu)成，可對雜散電流進(jìn)行識別和檢測。智能信號發(fā)送器發(fā)送獨特的電流信號，用SCM智能感應(yīng)器測量所選管道中流動的干擾電流，確定干擾電流流入目標(biāo)管道的流入點、方向、流出點。SCM可以沿著管道檢測任何雜散電流的大小和方向，但設(shè)備價格昂貴，在數(shù)據(jù)采集頻率及管地電位監(jiān)測的精度上也有待提高，未在國內(nèi)得到推廣。
3.2 雜散電流判定
3.2.1管地電位及電位梯度法
    GB/T 19285—2003《埋地鋼制管道腐蝕防護(hù)工程檢驗》規(guī)定，埋地鋼質(zhì)管道的直流干擾，可用管道任意點的管地電位較自然電位的偏移或管道附近土壤表面電位梯度來進(jìn)行測量和評價。當(dāng)管地電位偏移≥20mV或管道附近土壤表面電位梯度＞0.5mV/m時，確認(rèn)存在直流干擾；當(dāng)管道任意點的管地電位較自然電位正向偏移≥100mV或管道附近土壤表面電位梯度＞2.5mV/m時，管道應(yīng)采取直流排流保護(hù)或其他防護(hù)措施。該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定測定時間段一般為40～60min，對運(yùn)行頻繁的直流電氣化鐵路可取30min，讀數(shù)時間間隔一般為10～30s，電位交變激烈時，不得大于10s。
    EN 50162標(biāo)準(zhǔn)對雜散電流判定給出了較為詳細(xì)的規(guī)定，以管地電位較自然電位的正向偏移為基準(zhǔn)，對無陰極保護(hù)結(jié)構(gòu)，考慮了土壤電阻率及IR降的影響，可接受的管地電位最大正偏值見表1；對有陰極保護(hù)結(jié)構(gòu)，建議采用電流探針測試法進(jìn)行測試。
表1 無陰極保護(hù)埋地或浸沒金屬結(jié)構(gòu)的可接受電位正偏值
金屬類型
電解質(zhì)電阻率ρ/(Ω·m)
管地電位最大正偏值(包括IR降)/mV
管地電位最大正偏值(不包括IR降)/mV
鋼、鑄鐵
≥200
300
20
15～200
1.5ρ
20
＜15
20
20
鉛
—
ρ
—
混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼
—
200
—
    對國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析可知，目前雜散電流測試并未對系統(tǒng)采集頻率提出較高要求，滿足讀數(shù)間隔10～20s即可，雜散電流判定以管地電位對自然電位偏移或土壤電位梯度在一定時間段內(nèi)的平均值進(jìn)行計算。對于由軌道交通引起的動態(tài)雜散電流干擾，管道電流流入?yún)^(qū)、流出區(qū)處于交替變化之中，管地電位相對于自然電位的偏移也正負(fù)交替變化，頻繁瞬時的較大偏移與較小幅值的正偏累積同樣可能對管道造成腐蝕，僅僅以一定時間的平均值變化并不能反映動態(tài)雜散電流干擾的真實狀態(tài)，國標(biāo)規(guī)定算法對評價動態(tài)雜散電流干擾具有一定的局限性。EN 50162標(biāo)準(zhǔn)中也提到，在電位頻繁波動的情況下很難評估雜散電流干擾是否符合表1的標(biāo)準(zhǔn)，需要綜合考慮電位偏移的幅值及其持續(xù)時間，即雜散電流的判定應(yīng)基于管地電位正向偏移的大小以及偏移的持續(xù)時間和頻率，但該標(biāo)準(zhǔn)也未給出詳細(xì)判定依據(jù)。
3.2.2電流探針測試法
    電流探針測試法是EN 50162標(biāo)準(zhǔn)中推薦的一種雜散電流測試方法，對受陰極保護(hù)結(jié)構(gòu)動態(tài)雜散電流干擾測試具有較好的應(yīng)用。其評價方法及標(biāo)準(zhǔn)如下：使用電流探針測試法測試管道與土壤之間的自然電流(不受影響時段電流值)作為基準(zhǔn)電流，并記錄相應(yīng)的時間段，對探針電流進(jìn)行24h連續(xù)測量，參照表2數(shù)據(jù)評價雜散電流干擾危害程度。電流探針測試法考慮了探針電流相對于基準(zhǔn)電流的比例及對應(yīng)電流作用時間來綜合評價雜散電流的干擾，表2中第1列為探針電流相對于基準(zhǔn)電流的比例，第2列為滿足對應(yīng)電流比例時的測試時間與總測試時間的比例，第3列為滿足對應(yīng)電流比例的總持續(xù)時間。在整個測試時間段內(nèi)，如果探針電流低于基準(zhǔn)電流某一比例的時間超過了標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最大可接受時間比例，或者低于基準(zhǔn)電流某一比例的累積時間超過了最大可接受持續(xù)時間，則可判定所測管道受到雜散電流影響。
表2 電流探針法雜散電流判定標(biāo)準(zhǔn)
探針電流相對基準(zhǔn)電流比例/%
最大可接受時間比例/%
最大可接受持續(xù)時間/s
＞70
—
—
＜70
40.0
1440.0
＜60
20.0
720.0
＜50
10.0
360.0
＜40
5.0
180.0
＜30
2.0
72.0
＜20
1.0
36.0
＜10
0.5
18.O
＜0
0.1
3.6
   雜散電流探針測試法及其評價準(zhǔn)則是基于10年以上的工作經(jīng)驗而制訂的，可用于陰極保護(hù)管道雜散電流測試，但電流測試中易受到陰極保護(hù)電流等影響，儀器測試精度也有待提高，目前在國內(nèi)還沒有應(yīng)用實例。
3.2.3不對稱系數(shù)法[12]
   波蘭學(xué)者K.Zakowski、W.Sokólski對軌交系統(tǒng)泄漏雜散電流的24h變化規(guī)律進(jìn)行研究，在大量實驗的基礎(chǔ)上提出了以管地電位偏移自然電位概率為計算基準(zhǔn)的不對稱系數(shù)評價雜散電流影響的大小。不對稱系數(shù)β計算見式(1)。
 
式中β——不對稱系數(shù)，所測燃?xì)夤艿拦艿仉娢徽蚱x自然電位的概率
    tA——測試過程中管地電位正向偏移自然電位時間，s
    t——管地電位測試總時間，s
    Na——管地電位正向偏移自然電位采樣數(shù)
    Nt——測試時間段內(nèi)采樣總數(shù)
   根據(jù)不對稱系數(shù)可將管道分為優(yōu)先陽極區(qū)、優(yōu)先陰極區(qū)和極性變化區(qū)，不同分區(qū)管道腐蝕概率不同，見表3。
表3 不對稱系數(shù)及腐蝕概率
分區(qū)
不對稱系數(shù)口
腐蝕概率
優(yōu)先陽極區(qū)
＞0.7
嚴(yán)重
極性變化區(qū)
0.3～0.7
中等
優(yōu)先陰極區(qū)
＜0.3
不發(fā)生
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(本文作者：陳志光 秦朝葵 馬飛 同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 上海 201804)