軌道交通動(dòng)態(tài)直流雜散電流檢測(cè)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(dòng)態(tài)直流雜散電流的產(chǎn)生機(jī)理和動(dòng)態(tài)特性，對(duì)常用的雜散電流檢測(cè)方法(管地電位法、土壤表面電位梯度法、電流探針測(cè)試法、智能雜散電流檢測(cè)儀法)和判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)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(dòng)態(tài)直流雜散電流的產(chǎn)生機(jī)理和動(dòng)態(tài)特性，對(duì)常用的雜散電流檢測(cè)方法(管地電位法、土壤表面電位梯度法、電流探針測(cè)試法、智能雜散電流檢測(cè)儀法)和判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)比分析。
關(guān)鍵詞：直流雜散電流；動(dòng)態(tài)特性；雜散電流檢測(cè)；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(dòng)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(diǎn)，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(chǎng)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(shí)間變化，可分為靜態(tài)雜散電流和動(dòng)態(tài)雜散電流。對(duì)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(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾[1]。
   隨著城市軌道交通(以下簡(jiǎn)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(guó)外對(duì)雜散電流研究起步較早，形成了較為完備的雜散電流測(cè)試及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)對(duì)這一問題關(guān)注較晚，經(jīng)過近年研究，逐步形成了一些測(cè)試及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，但針對(duì)軌交動(dòng)態(tài)雜散電流的檢測(cè)及評(píng)價(jià)尚未給出明確規(guī)則。本文對(duì)軌交雜散電流的產(chǎn)生機(jī)理及其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行討論，介紹雜散電流的測(cè)試方法，對(duì)國(guó)內(nèi)外雜散電流判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)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(shí)鋼軌對(duì)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)夤艿溃?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(duì)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(dòng)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(duì)位置和運(yùn)行狀態(tài)不同而變化。機(jī)車在每?jī)蓚€(gè)站臺(tái)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(duì)地電位(簡(jiǎn)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(shí)，雜散電流流入大地，軌地電位為負(fù)時(shí)，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(duì)地電位(簡(jiǎn)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(shí)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(duì)于動(dòng)態(tài)雜散電流干擾，管道陰極區(qū)和陽極區(qū)分布是動(dòng)態(tài)變化的，管道某點(diǎn)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(duì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，變化如圖4，測(cè)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(cè)試點(diǎn)，管地電位相對(duì)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(cè)及判定
3.1 雜散電流測(cè)試方法[9～11]
   雜散電流受多種因素的影響，直接對(duì)其進(jìn)行測(cè)定比較困難，目前常用的測(cè)試技術(shù)包括管地電位測(cè)試、土壤電位梯度測(cè)試、電流探針測(cè)試法、智能雜散電流檢測(cè)儀檢測(cè)等。
3.1.1管地電位測(cè)試
   土壤和管道中有電流流過時(shí)總會(huì)引起電位的變化，通過管地電位偏移可以對(duì)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(duì)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(cè)試接線見圖5。對(duì)于管地電位波動(dòng)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(cè)法。
 

   管地電位測(cè)試能夠直接反映雜散電流的影響，便攜式參比電極操作簡(jiǎn)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(chǎng)干擾較多，管地電位測(cè)試可能會(huì)產(chǎn)生偏差。對(duì)于動(dòng)態(tài)雜散電流干擾，管地電位測(cè)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(cè)試過程中IR降的消除也是一個(gè)問題。
3.1.2土壤電位梯度測(cè)試
   土壤電位梯度指土壤中電流流動(dòng)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(cè)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(duì)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(shí)可適當(dāng)縮短。電壓表所測(cè)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(diǎn)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(cè)試法在管道防腐層檢測(cè)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(shí)可確定土壤中電流流動(dòng)方向和大小。土壤電位梯度測(cè)試受地形條件限制，在城市中測(cè)量時(shí)由于建筑物密集，兩參比電極間布線受到制約；在測(cè)量過程中易受陰極保護(hù)電流電場(chǎng)影響。
3.1.3電流探針測(cè)試法
    管內(nèi)電流測(cè)量在埋地管道檢漏、防腐層破損檢驗(yàn)等方面有良好的應(yīng)用，但由于受測(cè)試精度、陰極保護(hù)電流等影響，國(guó)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(jiǎn)稱EN 50162標(biāo)準(zhǔn))推薦一種電流探針測(cè)試法對(duì)有陰極保護(hù)結(jié)構(gòu)所受雜散電流干擾進(jìn)行判定，測(cè)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(gè)漏點(diǎn)。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(duì)電流測(cè)試的影響，探針與管道應(yīng)盡量接近，通過測(cè)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(cè)試同時(shí)可進(jìn)行管地電位測(cè)量(地表參比法管地電位測(cè)試)，對(duì)管道陰極保護(hù)效果進(jìn)行評(píng)估。

3.1.4智能雜散電流檢測(cè)儀檢測(cè)
    智能雜散電流檢測(cè)儀(Stray Current Mapper，SCM)是管道雜散電流檢測(cè)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(hào)發(fā)送器、SCM智能感應(yīng)器控制軟件構(gòu)成，可對(duì)雜散電流進(jìn)行識(shí)別和檢測(cè)。智能信號(hào)發(fā)送器發(fā)送獨(dú)特的電流信號(hào)，用SCM智能感應(yīng)器測(cè)量所選管道中流動(dòng)的干擾電流，確定干擾電流流入目標(biāo)管道的流入點(diǎn)、方向、流出點(diǎn)。SCM可以沿著管道檢測(cè)任何雜散電流的大小和方向，但設(shè)備價(jià)格昂貴，在數(shù)據(jù)采集頻率及管地電位監(jiān)測(cè)的精度上也有待提高，未在國(guó)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(yàn)》規(guī)定，埋地鋼質(zhì)管道的直流干擾，可用管道任意點(diǎn)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(cè)量和評(píng)價(jià)。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(shí)，確認(rèn)存在直流干擾；當(dāng)管道任意點(diǎn)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(shí)，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(cè)定時(shí)間段一般為40～60min，對(duì)運(yùn)行頻繁的直流電氣化鐵路可取30min，讀數(shù)時(shí)間間隔一般為10～30s，電位交變激烈時(shí)，不得大于10s。
    EN 50162標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(duì)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(duì)有陰極保護(hù)結(jié)構(gòu)，建議采用電流探針測(cè)試法進(jìn)行測(cè)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(duì)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析可知，目前雜散電流測(cè)試并未對(duì)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(duì)自然電位偏移或土壤電位梯度在一定時(shí)間段內(nèi)的平均值進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于由軌道交通引起的動(dòng)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(duì)于自然電位的偏移也正負(fù)交替變化，頻繁瞬時(shí)的較大偏移與較小幅值的正偏累積同樣可能對(duì)管道造成腐蝕，僅僅以一定時(shí)間的平均值變化并不能反映動(dòng)態(tài)雜散電流干擾的真實(shí)狀態(tài)，國(guó)標(biāo)規(guī)定算法對(duì)評(píng)價(jià)動(dòng)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(dòng)的情況下很難評(píng)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(shí)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(shí)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(cè)試法
    電流探針測(cè)試法是EN 50162標(biāo)準(zhǔn)中推薦的一種雜散電流測(cè)試方法，對(duì)受陰極保護(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)雜散電流干擾測(cè)試具有較好的應(yīng)用。其評(píng)價(jià)方法及標(biāo)準(zhǔn)如下：使用電流探針測(cè)試法測(cè)試管道與土壤之間的自然電流(不受影響時(shí)段電流值)作為基準(zhǔn)電流，并記錄相應(yīng)的時(shí)間段，對(duì)探針電流進(jìn)行24h連續(xù)測(cè)量，參照表2數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)雜散電流干擾危害程度。電流探針測(cè)試法考慮了探針電流相對(duì)于基準(zhǔn)電流的比例及對(duì)應(yīng)電流作用時(shí)間來綜合評(píng)價(jià)雜散電流的干擾，表2中第1列為探針電流相對(duì)于基準(zhǔn)電流的比例，第2列為滿足對(duì)應(yīng)電流比例時(shí)的測(cè)試時(shí)間與總測(cè)試時(shí)間的比例，第3列為滿足對(duì)應(yīng)電流比例的總持續(xù)時(shí)間。在整個(gè)測(cè)試時(shí)間段內(nèi)，如果探針電流低于基準(zhǔn)電流某一比例的時(shí)間超過了標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最大可接受時(shí)間比例，或者低于基準(zhǔn)電流某一比例的累積時(shí)間超過了最大可接受持續(xù)時(shí)間，則可判定所測(cè)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(duì)基準(zhǔn)電流比例/%
最大可接受時(shí)間比例/%
最大可接受持續(xù)時(shí)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(cè)試法及其評(píng)價(jià)準(zhǔn)則是基于10年以上的工作經(jīng)驗(yàn)而制訂的，可用于陰極保護(hù)管道雜散電流測(cè)試，但電流測(cè)試中易受到陰極保護(hù)電流等影響，儀器測(cè)試精度也有待提高，目前在國(guó)內(nèi)還沒有應(yīng)用實(shí)例。
3.2.3不對(duì)稱系數(shù)法[12]
   波蘭學(xué)者K.Zakowski、W.Sokólski對(duì)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(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了以管地電位偏移自然電位概率為計(jì)算基準(zhǔn)的不對(duì)稱系數(shù)評(píng)價(jià)雜散電流影響的大小。不對(duì)稱系數(shù)β計(jì)算見式(1)。
 
式中β——不對(duì)稱系數(shù)，所測(cè)燃?xì)夤艿拦艿仉娢徽蚱x自然電位的概率
    tA——測(cè)試過程中管地電位正向偏移自然電位時(shí)間，s
    t——管地電位測(cè)試總時(shí)間，s
    Na——管地電位正向偏移自然電位采樣數(shù)
    Nt——測(cè)試時(shí)間段內(nèi)采樣總數(shù)
   根據(jù)不對(duì)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(duì)稱系數(shù)及腐蝕概率
分區(qū)
不對(duì)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)