毕业论文-兰州轨道交通1号线杂散电流分析.docx

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1、摘要本文以在建的兰州轨道交通1号线为对象，研究电气化铁路杂散电流，分析其形成原因，以及对有关设备及人员的干扰和危害，为杂散电流腐蚀防护设计提供理论依据。目前，城市轨道交通供电系统多数采用走行轨回流的直流牵引供电方式，运行过程中产生的杂散电流会对地下金属结构产生严重腐蚀，影响城市轨道交通安全运营。为了保障城市轨道交通和管道的安全，必然要加强杂散电流的检测和防护。本文引用了大量文献，综述了杂散电流腐蚀的分类、特点以及杂散电流腐蚀产生的危害性和隐蔽性及其机理，并进行了理论分析，同时综述了杂散电流的检测方法和检测设备，并提出了几种合理的防护措施。加强对杂散电流腐蚀危害及防治方法的研究，对保证城市轨道基

2、础结构、周边的管线及建筑设施的安全运行，延长它们的使用寿命具有重要的现实意义。关键词：杂散电流；轨道交通；监测；腐蚀防护第1章绪论11.1 论文的选题背景11.2 杂散电流的研究现状11.3 主要设计内容1第2章杂散电流介绍32.1 杂散电流简介32.2 杂散电流的分类32.2.1 直流型32.2.2 交流型32.3 杂散电流的来源32.4 杂散电流形成过程42.5 杂散电流腐蚀机理42.6 杂散电流的危害52.6.1 对走行轨及其附件的腐蚀52.6.2 对钢筋混凝土结构的破坏62.6.3 对埋地管线的腐蚀62.6.4 对人身安全的威胁62.6.5 影响电气设备的正常工作62.6.6 对通信产

3、生的影响62.6.7 异常腐蚀72.7 杂散电流的干扰判断72.7.1 直流杂散电流干扰判断72.7.2 交流杂散电流干扰判断8第3章兰州轨道交通1号线杂散电流分析93.1 1号线工程概况93.2 模型分析93.3 实验装置及测试过程93.3.1 实验装置93.3.2 测试过程103.4 结果分析103.4.1 牵引电流对杂散电流的影响103.4.2 钢轨纵向电阻对杂散电流的影响133.4.3 杂散电流沿土壤深入的变化163.4.4 机车与牵引变电所距离对杂散电流影响16第4章杂散电流的防护与监测184.1 杂散电流腐蚀防护措施184.1.1 “堵”源控法184.1.2 “排”排流法184.1

4、.3 其他杂散电流腐蚀防护方法194.2 杂散电流腐蚀防护的监测手段194.2.1 自然本体电位Uo的测量194.2.2 半小时轨道电位最大值测量20结论21致谢22参考文献23附录24第1章绪论1.1 论文的选题背景随着国民经济的持续发展，我国各个城市为了缓和日趋严重的城市交通压力，纷纷加快了城市轨道交通的建设。同时为了保持城市的美观，供水、燃气管道以及供电和通信电缆大多数采用地下埋设或隐蔽敷设。目前，国内城市轨道交通供电系统多数采用走行轨（第三轨）回流的直流牵引供电方式，由于第三轨与大地不能做到完全绝缘，导致部分电流流入大地进而流入与地铁紧邻的钢质管道上，造成直流杂散电流腐蚀，影响城市轨道

5、交通安全运营。所以，城轨杂散电流对这些管道和电缆的腐蚀危害以及对应的防治方法则成为一个倍受关注的问题。而且分析杂散电流的分布规律，并且设计出合理有效的防护杂散电流的方案，可以减少在地铁建设中的投资、降低地铁的运营成本。加强对杂散电流腐蚀危害及防治方法的研究，对保证城市轨道基础结构、周边的管线及建筑设施的安全运行，延长它们的使用寿命具有重要的现实意义，同时本文还可以为兰州轨道交通I号线杂散电流的腐蚀防护设计提供理论依据。1.2 杂散电流的研究现状一、现在的杂散电流分析以直流为主，交流为辅。经过几十年的实践，没有发现交流牵引系统的地中电流存在明显的腐蚀作用（交流电引起的腐蚀大约为直流电的1%或更小

6、。）,而且对其调查研究也不完善。二、现行的杂散电流的防护措施各有各的缺点，仍需改进。三、对于杂散电流在大地中的衰减方式，衰减测量以及与腐蚀关系仍然了解不深。四、目前国外的地铁管理部门及高等院校内均设置了专门的机构来研究杂散电流并取得了丰富成果。我国的地铁建设起步较晚，因而对于杂散电流的相关研究开展比较晚，目前国内只有少数几家研究机构，如中国矿业大学等。目前国际上杂散电流防护通常采用VDEOII5国际标准、欧洲标准EN50122-2、EN50162和德国（VDV）501/2标准。而我国唯一杂散电流标准是1992年颁布的地铁杂散电流腐蚀防护技术规程。五、由于土壤、混凝土等的性质都不相同，现在杂散电

7、流排流的研究和设计正在兼容性，扩展性，易操作性上进行新的探索。1.3 主要设计内容本文以在建的兰州轨道交通1号线（以下简称1号线）为研究对象，沿线进行土壤采样，自行设计了杂散电流实验室模拟装置，得到了兰州地区土质条件不同影响因素与杂散电流的关系，分析了杂散电流对1号线的影响。第2章杂散电流介绍2.1 杂散电流简介杂散电流，又称迷流（StrayCUITent）,主要指不按照规定途径移动的电流，它存在于土壤中，与需要保护的设备系统没有关联。这种在土壤中的杂散电流会通过管道某一部位进入管道，并在管道中移动一段距离后在从管道中离开回到土壤中，这些电流离开管道的地方就会发生腐蚀，也因此被称为杂散电流腐蚀

8、。杂散电流的输出点有很多，包括有外加电流阴极保护系统，DC电车系统，DC开矿以及焊接系统，高压DC、AC传输线路。在杂散电流进入管道的部分，管道为阴极而得到保护，但是过大的电流进入时，这部分管道就会发生过保护。同时杂散电流离开管道的地方就会因为失去电子而腐蚀。电气化铁路、交、直流高压输电系统等都能产生杂散电流。它对金属的损耗属于电化学腐蚀范畴。金属失去电子被氧化，介质中的其它离子得到电子被还原。2.2 杂散电流的分类2.2.1 直流型是主要来源于直流电气化铁路、直流电解系统、直流电焊系统、高压直流输电线路、其他管道外加的阴极保护系统的杂散电流。2.2.2 交流型是主要来源于交流电气化铁路，高压

9、交流输电线路的杂散电流。2.3 杂散电流的来源杂散电流是因外界条件影响而产生的电流。其主要来源一般为：1 .电气牵引网路流经金属物（指铺轨以外的金属物）或大地返回直流变电所的电流；2 .动力和照明交流电路的漏电；3 .大地自然电流；4 .雷电和电磁辐射的感应电流等。5 .由于电气化铁路、矿山、工厂、港口各种用电设备接地与漏电，在土壤当中也会形成杂散电流的循环。2.4 杂散电流形成过程以单边供电为例，如图2.1所示。目前，城市轨道交通一般采用直流牵引供电，机车所需的牵引电流由牵引变电所的正极出发，通过架空接触网（轨）、受电弓向电力机车供电，然后经过走行轨（即回流轨）回流到牵引变电所的腹肌，产生回

10、流电流。但因为钢轨不可能完全绝缘，所以牵引电流并不能全部由钢轨回流到变电所，而是有一部分电流由走行轨流入大地。这部分电流便形成了杂散电流，图2.1中，人为牵引电流，A为杂散电流；1为牵引变电所与机车之间的距离2.5 图2.1杂散电流形成原理图2.6 杂散电流腐蚀机理杂散电流的腐蚀机理如图2.2所示。图中符号含义同图2.1。图2.2杂散电流腐蚀原理图走行轨与埋地金属管线都属于电子导体，而土壤则属于离子导体，电子从A和D两个位置分别流出时，金属导体与地面的交界面为阳极；电流在C和F两个位置分别流入时，地面与金属导体的交界面为阴极，即A、B、C和D、E、F是两个串联的原电池原电池1：A（阳极）一B（

11、土壤）-C（阴极）原电池2：D（阳极）一E（土壤）-F（阴极）根据土壤中有无氧气，腐蚀原电池的电极反应分为析氢腐蚀（如式3.1所示）和吸氧腐蚀。（如式3.2所示）在充气的电解质中，在阴极发生如下反应：4H20+4e-40H-（3.1）在缺氧或酸性环境中，将发生如下反应，有氢气析出：2H2O+O2+4e-4。H-（3.2）这两种腐蚀反应通常生成Fe（OH）2并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继续被介质中流的。2氧化成棕色的Fe2O3（红锈的主要成分），而Fe（OH）3可进一步生成Fe3O4（铁锈的主要成分）2.7 杂散电流的危害2.7.1 对

12、走行轨及其附件的腐蚀牵引电流通过走行轨回流到牵引变电所，如图2.2所示，由于走行轨对地不能完全绝缘，所以会有部分电流从走行轨泄漏到大地中去，此时走行轨处于腐蚀电池的阳极，很容易受到腐蚀。资料表明，轨道的杂散电流腐蚀在隧道内及岔道等地方更为明显，有些地方23年就需要重新换轨。走行轨及其附件的腐蚀一般都发生在与其它物体的接触面上，这些腐蚀很难从外面发现，等到发现时就需要更换钢轨等等，因此危害很大。2.7.2 对钢筋混凝土结构的破坏杂散电流会腐蚀钢筋混凝土结构中的钢筋，但并不对混凝土本身产生影响。当杂散电流流入钢筋混凝土结构中时，钢筋为阴极，会发生析氢腐蚀，而产生的氢气无法逸出，所以会形成等静压力，

13、使钢筋与混凝土脱开。当杂散电流流出钢筋时，钢筋为阳极，会发生腐蚀产生Fe（OH）2、Fe2O3xH2O（红锈）、Fe3O4（黑锈）等产物，增加了钢筋本身的体积，使混凝土内部形成很大的压力而促使其开裂。要维修与更换遭受破坏的钢筋混凝土结构是非常困难的。2.7.3 对埋地管线的腐蚀目前埋地管线主要有天然气管道、自来水管、供暖管道、石油管道、电缆等，很容易聚集杂散电流，遭受腐蚀。若管线距离地铁系统或输电线路比较近时，很容易受到杂散电流的影响，几个月便会穿孔，所以在设计与建设过程中应加以重视。2.7.4 对人身安全的威胁当埋地管道与高压交流输电线路接近或交叉时，交流输电线路产生的电流通过磁耦合在管道上

14、产生感应电压，使管道对地电位不为零。若管道电压超过92V（德国标准），可能会对操作和维护人员的人身安全构成威胁。在地铁系统中，当牵引电流回流不畅，并且造成大量的杂散电流流入大地中时，会导致钢轨与结构钢筋之间电压升高，对站台乘客的人身安全造成威胁。2.7.5 影响电气设备的正常工作在杂散电流严重的地段，可能导致阴极保护电位仪报警、工作中断，也可能使某些电气设备发生误动作等，影响电气设备的正常工作。如果轨道与软枕之间绝缘损坏，将会产生很大的杂散电流，可能会烧毁排流柜。2.7.6 对通信产生的影响受电弓（靴）产生的电猝发与浪涌是组成城市杂波的重要组成部分，会对周围的通信设备造成干扰。另外车辆内的接触

15、导线是高次谐波的发射天线，其产生的敷设会污染近距离的电磁环境。2.7.7 异常腐蚀当把线路引入运转库、修理库及交检库等建筑物时，如果绝缘施工不良会使钢轨与建筑物之间发生某种程度的电连接，从而使泄露电流变大，产生异常剧烈的杂散电流腐蚀。2.8 杂散电流的干扰判断2.8.1 直流杂散电流干扰判断1 .外观判断法对埋地管道来说，如果受到直流杂散电流的腐蚀，其外观是：孔蚀倾向大，创面光滑、边缘比较整齐，有时有金属光泽，腐蚀产物似炭黑色粉末，无分层现象，有水存在且腐蚀激烈时，可以明显观察到电解过程。但是在土壤电阻率大于IOOOO的情况下，一般很难发生杂散电流腐蚀。相比而言，自然腐蚀的外观特征是：腐蚀产物为黑色或黄色，锈层比较松弛，孔蚀倾向小，创面不光滑，边缘不整齐，清除腐蚀产物后表面粗糙。2 .电气判断法由于杂散电流难以直接测量，所以对于管道是否受到杂散电流影响，目前通常是按管地电位较自然电位正向偏移值来判断，如果管地电位较自然电位正向偏移值难以测量时，可采用土壤电位梯度来判定杂散电流强弱程度。根据我国石油行业标准埋地钢制管道直流排流保护技术标准（SY/T0017-2006）