轨道交通动态直流杂散电流检测及判定

摘 要

介绍了杂散电流的危害及分类，分析了轨道交通动态直流杂散电流的产生机理和动态特性，对常用的杂散电流检测方法(管地电位法、土壤表面电位梯度法、电流探针测试法、智能杂散电流检测仪法)和判定标准进行了对比分析。
摘要：介绍了杂散电流的危害及分类，分析了轨道交通动态直流杂散电流的产生机理和动态特性，对常用的杂散电流检测方法(管地电位法、土壤表面电位梯度法、电流探针测试法、智能杂散电流检测仪法)和判定标准进行了对比分析。
关键词：直流杂散电流；动态特性；杂散电流检测；判定标准
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
   杂散电流又称迷流，是指在规定回路之外流动的电流。由杂散电流引起的金属腐蚀以其腐蚀速度大、强度高，腐蚀集中于局部位置的特点，成为金属电化学腐蚀中危害最为严重的一种。根据来源，杂散电流主要有直流杂散电流、交流杂散电流、地球磁场感应杂散电流等；根据电流幅值和流经路径是否随时间变化，可分为静态杂散电流和动态杂散电流。对城市埋地燃气管道而言，影响最普遍、最严重的是城市轨道交通产生的动态直流杂散电流干扰[1]。
   随着城市轨道交通(以下简称轨交)的快速发展以及城市天然气管网的大力建设，埋地燃气管道的杂散电流腐蚀问题日益引起关注[2～4]。国外对杂散电流研究起步较早，形成了较为完备的杂散电流测试及评价标准。国内对这一问题关注较晚，经过近年研究，逐步形成了一些测试及评价标准，但针对轨交动态杂散电流的检测及评价尚未给出明确规则。本文对轨交杂散电流的产生机理及其动态特性进行讨论，介绍杂散电流的测试方法，对国内外杂散电流判定标准进行对比分析。
2 轨道交通杂散电流
2.1 轨交杂散电流产生机理
    直流牵引轨道交通系统供电回路与杂散电流的产生见图1。变电站将交流电变换为直流电，经接触网向列车输送，电流由钢轨及与之相连的导线返回变电站。由于钢轨具有一定的电阻，电流在钢轨中产生电位差，同时钢轨对地也存在电位差，使钢轨中部分电流泄漏进入大地形成杂散电流。泄漏到大地的杂散电流流入埋地燃气管道，经埋地燃气管道流至变电站负极附近通过土壤重新流入钢轨，在电流流出的部位金属发生腐蚀。
 

    钢轨泄漏电流的大小、管道中杂散电流的大小及方向，可通过钢轨、大地、管道各自的电位进行分析。以无限远大地作为基准，钢轨和管道电位分布见图2。机车所在位置为钢轨电位正最大值，变电站附近为钢轨电位负最大值，钢轨电位分布影响到大地电位和管道电位分布[5～7]。钢轨正电位处电流离开轨道进入土壤或埋地管道，在靠近变电站位置轨道对地负电位处，电流从埋地金属管道流出进入土壤，通过大地返回负极，引起管道的腐蚀破坏。
 

2.2 轨交杂散电流动态特性
    杂散电流的变化与杂散电流源的变化具有一致性，轨交杂散电流的大小随轨交系统的用途、机车的相对位置和运行状态不同而变化。机车在每两个站台之间都要经历加速、匀速、减速的过程，不同运行状态下机车电流不同。随机车电流及机车位置的变化，轨道电流和轨道对地电位(简称轨地电位)也处于变化中，图3为两变电站之间轨地电位随机车位置变化曲线。轨地电位为正时，杂散电流流入大地，轨地电位为负时，杂散电流返回钢轨。钢轨泄漏电流位置的变化使得埋地管道对地电位(简称管地电位)处于不断变化之中，管道发生杂散电流腐蚀的位置和强度也在不断变化[8]。
 

    以管道未受干扰时的自然电位为基准，杂散电流流入区，管地电位负向偏移，管道处于阴极区受到保护；杂散电流流出区，管地电位正向偏移，管道为阳极区发生腐蚀，必须采取防护措施。对于动态杂散电流干扰，管道阴极区和阳极区分布是动态变化的，管道某点可能处于杂散电流流入、流出交替变化中，为管道杂散电流腐蚀判定及防护带来一定的困难。对上海市某轨道交通旁的埋地燃气管道管地电位进行实时监测，变化如图4，测试过程中将牺牲阳极断开，以轨交停运后管地电位平均值作为自然电位。在轨交运行期间多列机车通过测试点，管地电位相对自然电位正负交替变化，电位正向和负向偏移均比较明显。
 
3 杂散电流检测及判定
3.1 杂散电流测试方法[9～11]
   杂散电流受多种因素的影响，直接对其进行测定比较困难，目前常用的测试技术包括管地电位测试、土壤电位梯度测试、电流探针测试法、智能杂散电流检测仪检测等。
3.1.1管地电位测试
   土壤和管道中有电流流过时总会引起电位的变化，通过管地电位偏移可以对杂散电流影响进行判定。管地电位指埋地燃气管道与对应参比电极之间的电位差。根据参比电极位置不同有直接参比法、地表参比法、近参比法、远参比法等。地表参比法管地电位测试接线见图5。对于管地电位波动频繁地区，可采用电子记录仪表代替传统电压表，引申为管地电位连续监测法。
 

   管地电位测试能够直接反映杂散电流的影响，便携式参比电极操作简单方便，是当前应用的主要方法。但在城市中建筑物密集，轨交供电系统、高压电网、阴极保护系统等现场干扰较多，管地电位测试可能会产生偏差。对于动态杂散电流干扰，管地电位测试不能确定杂散电流的具体方向及管道干扰腐蚀的精确位置。此外，管地电位测试过程中IR降的消除也是一个问题。
3.1.2土壤电位梯度测试
   土壤电位梯度指土壤中电流流动形成的电位差，可通过沿管道方向和垂直管道方向两组参比电极电位差矢量和求得，测试接线见图6。4只铜/饱和硫酸铜(Cu/CuS04)参比电极a、b、c、d；ac与bd垂直对称布置且距离相等，其中ac与管道平行且电极间距宜为100m，当受到环境限制时可适当缩短。电压表所测得的Vac和Vbd除以电极间距，则得到与管道平行和与管道垂直方向的土壤电位梯度，其矢量和即为该点的土壤电位梯度。土壤电位梯度的大小可判定杂散电流大小，电位梯度方向与杂散电流方向相同。
 

    电位梯度测试法在管道防腐层检测领域已有成熟的应用，通过电位梯度可判定管道防腐层破损大小；同时可确定土壤中电流流动方向和大小。土壤电位梯度测试受地形条件限制，在城市中测量时由于建筑物密集，两参比电极间布线受到制约；在测量过程中易受阴极保护电流电场影响。
3.1.3电流探针测试法
    管内电流测量在埋地管道检漏、防腐层破损检验等方面有良好的应用，但由于受测试精度、阴极保护电流等影响，国内还没有依据管内电流变化进行杂散电流干扰判定的相关标准。欧洲标准EN 50162—2004《直流系统中杂散电流引起腐蚀的防护》(《Protection Against Corrosion by Stray Current from Direct Current Systems》)(以下简称EN 50162标准)推荐一种电流探针测试法对有阴极保护结构所受杂散电流干扰进行判定，测量原理见图7。探针表面具有良好绝缘防护，仅头部有裸露金属表面，裸露表面相当于绝缘金属表面的一个漏点。将探针插入土壤并使探针头部与管道中心线位于同一深度，用电流表记录管道和探针之间电流的方向和大小，考虑到导线电阻对电流测试的影响，探针与管道应尽量接近，通过测量探针与管道之间电流的变化来反映杂散电流的干扰。在电流测试同时可进行管地电位测量(地表参比法管地电位测试)，对管道阴极保护效果进行评估。

3.1.4智能杂散电流检测仪检测
    智能杂散电流检测仪(Stray Current Mapper，SCM)是管道杂散电流检测的专用设备，系统由SCM智能感应器、SP智能探针、SI智能信号发送器、SCM智能感应器控制软件构成，可对杂散电流进行识别和检测。智能信号发送器发送独特的电流信号，用SCM智能感应器测量所选管道中流动的干扰电流，确定干扰电流流入目标管道的流入点、方向、流出点。SCM可以沿着管道检测任何杂散电流的大小和方向，但设备价格昂贵，在数据采集频率及管地电位监测的精度上也有待提高，未在国内得到推广。
3.2 杂散电流判定
3.2.1管地电位及电位梯度法
    GB/T 19285—2003《埋地钢制管道腐蚀防护工程检验》规定，埋地钢质管道的直流干扰，可用管道任意点的管地电位较自然电位的偏移或管道附近土壤表面电位梯度来进行测量和评价。当管地电位偏移≥20mV或管道附近土壤表面电位梯度＞0.5mV/m时，确认存在直流干扰；当管道任意点的管地电位较自然电位正向偏移≥100mV或管道附近土壤表面电位梯度＞2.5mV/m时，管道应采取直流排流保护或其他防护措施。该标准中规定测定时间段一般为40～60min，对运行频繁的直流电气化铁路可取30min，读数时间间隔一般为10～30s，电位交变激烈时，不得大于10s。
    EN 50162标准对杂散电流判定给出了较为详细的规定，以管地电位较自然电位的正向偏移为基准，对无阴极保护结构，考虑了土壤电阻率及IR降的影响，可接受的管地电位最大正偏值见表1；对有阴极保护结构，建议采用电流探针测试法进行测试。
表1 无阴极保护埋地或浸没金属结构的可接受电位正偏值
金属类型
电解质电阻率ρ/(Ω·m)
管地电位最大正偏值(包括IR降)/mV
管地电位最大正偏值(不包括IR降)/mV
钢、铸铁
≥200
300
20
15～200
1.5ρ
20
＜15
20
20
铅
—
ρ
—
混凝土结构中的钢
—
200
—
    对国内外标准进行分析可知，目前杂散电流测试并未对系统采集频率提出较高要求，满足读数间隔10～20s即可，杂散电流判定以管地电位对自然电位偏移或土壤电位梯度在一定时间段内的平均值进行计算。对于由轨道交通引起的动态杂散电流干扰，管道电流流入区、流出区处于交替变化之中，管地电位相对于自然电位的偏移也正负交替变化，频繁瞬时的较大偏移与较小幅值的正偏累积同样可能对管道造成腐蚀，仅仅以一定时间的平均值变化并不能反映动态杂散电流干扰的真实状态，国标规定算法对评价动态杂散电流干扰具有一定的局限性。EN 50162标准中也提到，在电位频繁波动的情况下很难评估杂散电流干扰是否符合表1的标准，需要综合考虑电位偏移的幅值及其持续时间，即杂散电流的判定应基于管地电位正向偏移的大小以及偏移的持续时间和频率，但该标准也未给出详细判定依据。
3.2.2电流探针测试法
    电流探针测试法是EN 50162标准中推荐的一种杂散电流测试方法，对受阴极保护结构动态杂散电流干扰测试具有较好的应用。其评价方法及标准如下：使用电流探针测试法测试管道与土壤之间的自然电流(不受影响时段电流值)作为基准电流，并记录相应的时间段，对探针电流进行24h连续测量，参照表2数据评价杂散电流干扰危害程度。电流探针测试法考虑了探针电流相对于基准电流的比例及对应电流作用时间来综合评价杂散电流的干扰，表2中第1列为探针电流相对于基准电流的比例，第2列为满足对应电流比例时的测试时间与总测试时间的比例，第3列为满足对应电流比例的总持续时间。在整个测试时间段内，如果探针电流低于基准电流某一比例的时间超过了标准中规定的最大可接受时间比例，或者低于基准电流某一比例的累积时间超过了最大可接受持续时间，则可判定所测管道受到杂散电流影响。
表2 电流探针法杂散电流判定标准
探针电流相对基准电流比例/%
最大可接受时间比例/%
最大可接受持续时间/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
   杂散电流探针测试法及其评价准则是基于10年以上的工作经验而制订的，可用于阴极保护管道杂散电流测试，但电流测试中易受到阴极保护电流等影响，仪器测试精度也有待提高，目前在国内还没有应用实例。
3.2.3不对称系数法[12]
   波兰学者K.Zakowski、W.Sokólski对轨交系统泄漏杂散电流的24h变化规律进行研究，在大量实验的基础上提出了以管地电位偏移自然电位概率为计算基准的不对称系数评价杂散电流影响的大小。不对称系数β计算见式(1)。
 
式中β——不对称系数，所测燃气管道管地电位正向偏离自然电位的概率
    tA——测试过程中管地电位正向偏移自然电位时间，s
    t——管地电位测试总时间，s
    Na——管地电位正向偏移自然电位采样数
    Nt——测试时间段内采样总数
   根据不对称系数可将管道分为优先阳极区、优先阴极区和极性变化区，不同分区管道腐蚀概率不同，见表3。
表3 不对称系数及腐蚀概率
分区
不对称系数口
腐蚀概率
优先阳极区
＞0.7
严重
极性变化区
0.3～0.7
中等
优先阴极区
＜0.3
不发生
参考文献：
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(本文作者：陈志光 秦朝葵 马飞 同济大学 机械工程学院 上海 201804)