杂散电流及预防

杂散电流及预防（通用6篇）

杂散电流及预防 篇1

地铁运营不受地面交通工具的影响, 是快速疏散城市交通拥堵的最有效的途径。地铁的正常运行依赖直流电力来牵引, 以第三轨或者接触网作为牵引电路的正极, 以走行轨道作为负极形成电流回路, 从而完成地铁列车的来回运行。但是, 地铁轨道极易产生杂散电流腐蚀, 腐蚀钢轨和周围地下金属管线设施, 影响列车通电钢轨的使用寿命, 造成地铁运行中的潜在危险。对此, 精确的监测钢轨上的杂散电流, 减少杂散电流腐蚀, 避免列车运行时的危险, 从而保证乘客的人身安全, 在地铁时代的交通发展中是至关重要的工作。

1 地铁杂散电流数学模型以及腐蚀机理分析

建立地铁杂散电流数学模型指的是构建关于地铁杂散电流场的神经网络模型和电路元件模型, 或者构建电场半球电极模型, 以杂散电流的有关数据研究钢轨的电化学腐蚀破坏情况。这三种数字模型都是在不计导电轨电阻及其分布规律的基础上来解释杂散电流的分特性和产生机理, 不适用于准确模拟结构复杂的杂散电流场[1]。

出于金属电阻比较小的原因, 钢轨极易产生杂散电流, 使电流通过导电介质反复回流到金属中。杂散电流的来源是机车接触轨的供电回路, 因为轨道中的回流线轨具有比较大的电阻抗, 牵引电流产生轨压降, 同时, 回流轨具有地面电位差, 使回流线电流泄漏, 泄漏电流通过道床、土壤介质和地下管线设施等导电介质传递再次回到钢轨上。杂散电流在土层中通过金属管线传导流动, 使周围的土壤形成通电回路将其传导出土层, 造成电化腐蚀, 同时, 使电流导出位置的导体极化变成正电位, 加快腐蚀速度[2]。

2 监测系统构成分析

杂散电流腐蚀危害的监测数在现监测系统中最先进, 通过数据通信控制器、智能传感器和上位机监控系统数字化监测杂散电流腐蚀给钢轨造成的危害, 以便针对性地采取各种有效措施控制和修复钢轨上的损害。该系统运用智能传感器采集钢轨电压和各种电位的参数, 将监测到的数据上传给数据通信控制器, 经过传感器取样和处理, 再将传输给上位机监控系统, 分析样本数据形成监测点的曲线, 通过通信控制器下达、执行各种指令, 实现远程监控杂散电流。

3 杂散电流防护措施分析

基于监测系统的杂散电流防护设计有3种:堵截法, 控制漏电源头, 减弱产生的杂散电流;排流保护法, 采取有效措施排流、分流产生的杂散电流, 减少电化学腐蚀危害;监测法, 监测过高的杂散电流, 采取有效的措施减轻腐蚀危害[3]。

以下就堵截法对防护杂散电流的措施进行具体分析。堵截法主要是采取措施降低回流电路的电阻, 减弱杂散电流的产生强度, 以减小杂散电流的容量进而减弱电化腐蚀的破坏。

1) 减小回流回路的电阻。钢轨相当大的内电阻与对地绝缘电阻具有较大差异, 使流过的电流出现相当大的电位差, 进而产生巨大的杂散电流。由此可见, 减小钢轨压降是有效控制杂散电流产生量的重要举措。可以通过使用运行保护性电气、减小钢轨同路电阻、采用双边变电所供电和运用均流电线的方法, 从产生源和传导路径上来减小钢轨压降, 实现堵截或者减小杂散电流的产生。

a.钢轨与钢轨之间、地铁与钢轨之间都是直接相接, 致使漏电形成良好的导电回路, 采用畅通的电气连接钢轨, 减小回流路径的导电介质的阻值和阻值大小差异, 以减弱介质的杂散电流的形成强度;b.走行轨是牵引地铁列车的负电极, 具有大量的牵引回流, 其阻抗越小向外形成的杂散电流越小, 在其建设技术上以短轨焊成长轨的方法减少接头, 减小走行轨阻抗, 进而减小回流电阻;c.供电距离的长短直接影响杂散电流产生量的多少, 供电距离越短杂散电流产生量越少, 因而, 适宜采取双边变电站供电的方法缩短供电距离, 有效减少产生杂散电流的大小;d.采用均流电缆连接走行轨的左右线钢轨, 把回路电阻降低至原来电阻的l/4。

2) 增加杂散导电路径电阻的措施:a.增加轨道上木质轨枕和枕木对地的过渡电阻。木质轨枕、枕木的端面、道钉需要进行绝缘处理, 或者在轨枕和枕木的边缘设置质量良好的绝缘层, 或者采用支点支承走行钢轨, 或者采用不接地和二极管接地的方法建设地铁系统, 保证钢轨与接地回路有良好的绝缘体。b.进行车辆段检修时, 使用绝缘接头隔离所有列车线路走行轨与停车库线路走行轨。c.绝缘结设置在轨道重要地段的两边, 并把单向导通装置设置在绝缘结上, 抑制杂散电流导出进行绝缘处理的重要区段, 尽可能减少其对重要地段钢轨的腐蚀。

3) 由于钢轨和周围的地下金属管线存在巨大的电阻差, 才会形成大量的杂散电流, 为了减少杂散电流, 可以通过增加地下管线的值来减小电阻差值。方法有:a.应采用防水绝缘护套的双塑绝缘垫层;以绝缘方式敷设各种地铁电缆、隧洞电缆和地下金属管线;b.地铁钢轨沿线的通电电缆、通讯电缆、控制测量电缆以及通向隧道外的金属管线, 在敷设过程中必须安装绝缘接头、绝缘法兰。

4 结语

城市地铁对城市现代化的建设具有不可取代的重要作用。但轨道的杂散电流电化学腐蚀一直妨害地铁交通正常运行, 对此, 必须运用先进的监测系统和有效的措施防治杂散电流腐蚀, 保护轨道, 避免地铁运行的事故。同时, 要致力于杂散电流腐蚀机理的研究、监测系统开发以及防治措施的创新, 促成整治地铁杂散电流腐蚀危害新突破。

摘要：地铁在运行中存在泄漏杂散电流的现象, 因此地铁轨道极易遭受严重腐蚀, 使钢轨开裂、产生空洞, 形成严重安全隐患, 引发地铁交通事故。所以, 做好地铁杂散电流腐蚀的监测和防治工作对地铁的正常运行至关重要。

关键词：地铁杂散电流,腐蚀机理,监测系统,防护措施

参考文献

[1]胡云进, 钟振, 方镜平.地铁杂散电流场的有限元模拟[J].中国铁道科学, 2011.

[2]蒋雪峰, 邱忠才, 孟军, 靳红云.对地铁中杂散电流泄漏造成腐蚀问题的探索[J].中国科技信息, 2009.

[3]张艳丽.地铁杂散电流腐蚀机理以及防护措施研究[J].城市轨道交通, 2009.

杂散电流及预防 篇2

城市轨道交通杂散电流能够腐蚀轨道及其附近建筑物钢筋结构,造成严重安全隐患。目前逐渐增多的地铁线路都采用各种各样的监测方式,进行杂散电流的监测和防护,有效地减少地铁杂散电流,降低并消除其不利影响。相比于传统杂散电流监测系统,分布式轨道交通杂散电流监测系统在各方面更符合城市轨道交通的要求。

1 杂散电流形成与危害

城市轨道交通供电系统采用直流高压(DC750V/DC1500V)供电,接触网为正极,电流经机车负载从钢轨回流,最后流回电源负极。由于在复杂的轨道交通环境下钢轨不可能完全对地绝缘,因此钢轨不可避免地会向道床及隧道结构、车站泄漏电流,形成杂散电流。杂散电流形成示意图如图1所示。

城城市市地地铁铁杂杂散散电电流流可可对对周周围围的的通通信信电电缆外外皮皮、、埋埋地地金金属属管管线线以以及及区区间间隧隧道道主主体体结构构和和车车站站中中的的钢钢筋筋发发生生电电化化学学腐腐蚀蚀,,甚甚至烧烧坏坏排排流流设设备备。。因因此此,,为为确确保保城城市市轨轨道道交通通主主体体结结构构及及周周边边设设施施的的安安全全,,有有必必要要对杂杂散散电电流流进进行行监监测测,,并并及及时时采采取取有有效效防防护措措施施,,确确保保地地铁铁交交通通安安全全稳稳定定运运行行。。

2 分布式杂散电流监测系统

与传统杂散电流监测系统相比,分布式杂散电流监测系统有安全性高、资源共享、通信距离不受限制、网络简化等等优点,更加符合城市轨道交通需求。

该监测系统由传感器、参比电极和监测装置等组成,选取供电区间作为独立的一段,每区间段形成一个监测子系统,该系统核心部分是监测装置,不同子系统通过轨道交通综合自动化的变电所通信通道路径,向地铁指挥中心的电力监控主机汇聚,监测全线杂散电流情况,构成了轨道交通分布式杂散电流监测系统。监测系统模型原理如图2所示。

2.1 监测系统的测量内容

(1)结构钢筋的极化电压平均正向偏移值

城市轨道系统泄漏杂散电流是否能够引起隧道结构钢筋的腐蚀破坏,通过杂散电流在结构钢筋上产生的极化电压偏移值确定。地铁防腐蚀规程规定,对地铁主体的结构钢筋,半小时正向偏移的极化电压平均值不能超过500mV,这是轨道交通杂散电流监测时的一个根据。

(2)参比电极本体电位

结构钢筋极化电压不能够直接进行测量,也就需要参比电极提供基准电位进行辅助测量。因为参比电极本体电位随着时间增加而下降,当下降到一定程度时就会对测量精度产生影响,因此很有必要对参比电极本体电位进行监测。参比电极本体电位以及结构钢筋极化电位平均正向偏移值监测方式和等效电路如下图3所示。

其具体测试及转换方法如下:轨道交通系统在停电的情况下,杂散电流影响很小,此时对参比电极间的自然电位(也就是参比电极的本体电位)进行测量,电压为v1。机车在运行的情况下,结构钢筋中流出杂散电流,测量结构钢筋极化电位为v2,这样参比电极与结构钢筋间的电压差就是v1-v2,计算v2得v2=v1-(v1-v2)。则v2就是结构钢筋瞬时极化电位值。再通过软件计算得到结构钢筋的极化电位平均正向偏移值。

(3)钢轨相对结构钢筋的电压值

由于轨道和站台间可能会出现异常高的电压。为了乘客以及工作人员等的安全,免遭结构钢和钢轨间的接触电压伤害,根据标准规定:钢轨和结构钢之间的电压差不能够超过92V。根据钢轨与结构钢筋之间的电压值,能计算出钢轨纵向电阻和轨地过渡电阻,是了解钢轨的运行状态,判断钢轨有无裂缝的重要依据。

2.2 监测系统主要设备

(1)参比电极

城市轨道交通杂散电流不可能直接测量,可以通过测量极化电位间接判断杂散电流的大小,这就用到了比电极。这些一般安装或是埋设于地下结构侧壁和整体道床的参比电极,用来对轨道交通系统杂散电流引起的隧道、整体道床内结构钢筋的电位进行测量,反映杂散电流对结构钢筋的腐蚀破坏情况。

(2)传感器

传感器主要完成结构钢筋极化电压和轨构电压的数据采集,一般安装在轨道的道床、梁体和隧道壁。传感器外部接线及原理图如图4所示。

传感器采集模拟信号后,经数据变换变成数字信号,由通信接口输出。传感器能自动校正参比电极本体电位,并且在参比电极发生故障时,能够自动的发出关于参比电极故障的相关信息。为了更好的适应地质环境,传感器需要被设计成一个能够防电磁干扰、防潮、防火以及防水的整体结构。

(3)监测控制系统

为了监测各传感器接触电压以及极化电位,计算区间的过渡电阻,供电区间变电所安装一台监测装置就,依据杂散电流计算模型,可以知道本区域杂散电流的情况,并指导绝缘的防护。整个线路的监测装置监测的数据通过SCADA系统可以很方便的聚集到监控系统指挥中心,再利用监控指挥中心的强大计算能力、大容量数据存储和大幅面监测页面的特性,能够监测整条线路的杂散电流。

3 监测系统监测点设置原则

监测系统监测点位置的设置对监测杂散电流具有很大的意义,据地铁防腐蚀规程要求,需根据提供的本部位测量接地电极来设置监测点,附近金属管线需要存在测量的接线点,且监测点的测量线总长度不应超过10m,截面积不宜小于2.5mm2,绝缘耐压值需达到工频电压2KV以上。某些线路有绝缘轨道电路,此时监测点需设置在离轨道得扼流变压器10m以内的位置。但在没有绝缘的

轨道电路线路,监测点应与轨道分断点配合设置。对于地中敷设方式为直埋的电缆和水管等设备,需利用已存在的可接触的部位作为监测点,对于距离较长的管线结构,监测点需要专门设置。

根据规程中的相关要求,应在如下部位设置监测点:

(1)地下车站内,隧道壁以及车站站台的两侧道床分别设1个监测点。

(2)地下车站内牵引变电所的负回流点位置隧道壁和道床分别设1个监测点。

(3)隧道区间内,距离车站250米的隧道壁和道床分别设l个监测点。

(4)盾构区间的隧道内,需要在道床设1个监测点。

(5)高架车站内,在车站站台附近桥梁的伸缩缝上设1个监测点。

(6)高架站牵引变电所的负回流点、桥梁的伸缩缝上设1个监测点。

(7)高架区间的桥梁上,在距离车站大约250米处桥梁上设l个监测点。

(8)在上/下行线路的结构件非电气连接处要分别设监测点。

(9)在地铁尽头线以及车辆段与线路连接的坡道上分别设监测点。

4 结语

城市轨道交通系统杂散电流对轨道交通主体结构及周边设施危害巨大,必须及时监测杂散电流,将其危害降低到最小。本文分析了分布式轨道交通杂散电流监测系统,对系统的原理,结构做了详细说明。相比于传统杂散电流监测系统,分布式杂散电流监测系统具有更多优点,更加符合城市轨道交通的需求。该监测系统已经在上海地铁部分线路和深圳地铁一号线、四号线得到应用,现场效果良好,对地铁安全稳定运行起到良好的保障作用。

摘要：分析城市轨道交通杂散电流形成原因及危害,详细介绍分布式轨道交通杂散电流监测系统,对系统监测内容、主要设备的功能等进行具体描述,并对杂散电流监测点的设置原则做简单说明,以及时准确监测杂散电流,为轨道交通安全稳定运行提供保障。

关键词：轨道交通,杂散电流,分布式监测系统

参考文献

[1]闫大顺,杜淑琴,张栋梁.分布式轨道交通杂散电流监测模型研究[J].微计算机信息,2008,24(5-1):253

[2]靳富群.城市轨道交通杂散电流分布与监控系统研究[D].郑州大学,2009

[3]蔡李花,许少毅,殷庆华.分布式杂散电流监测系统的研究[J].上海电气技术,2011,4(2):37-39

[4]CJJ 49-92地铁杂散电流防护技术规程[S].北京:中国计划出版社,1993

杂散电流及预防 篇3

随着中国进入油气管道建设的高峰期, 如何保障蔓延中国大地总长数万公里油气管道的安全, 成为越来越突出的问题。对于一名管道基层工作者, 对于威胁管道安全的诸如洪水、泥石流、山体滑坡、地震等自然灾害以及“打孔盗油”、第三方施工、恐怖袭击等人为破坏因素是非常了解和重视的, 相信各管道企业也都针对这些危害因素制定了相应的应急预案。可是, 对于杂散电流对输油管道的危害, 因其缺乏直观性, 据了解, 作为输油站这一层面的人员知之甚少。

如国内某条输油管道, 投用运行不到三年, 就发生一起管道腐蚀穿孔引起的漏油事件, 由于发现及时, 抢修措施得当, 油品回收比较理想, 造成的后果不算严重。经事故原因排查, 发现管线与联通发射塔相距只有7米左右, 而且最近的一个接地极距离管线约1米, 经专业公司排查测试, 发现干扰源来自于联通发射塔地极, 而且杂散电流干扰很强烈。在开挖检查过程中, 还陆续发现新的腐蚀穿孔点共计5处, 较大面积破损点有40多处, 微小破损点达400多处。挖出来的管道面目全非, 杂散电流对输油管道的破环触目惊心。

对于输油管道, 防治方案既考虑它够有效地排除杂散电流, 使其达到标准规定的排流效率, 也能够对管道提供足够有效的阴极保护, 解决原有阴极保护系统部分保护不到的问题。这样在技术上和经济上才最为台理。目前共有直接排流, 极性排流, 强制排流和接地式排流等四种排流措施可供选择, 由于杂散电流源非常复杂, 直接向干扰源排流难以实施。从接触的案列来看, 目前多用极性排流和接地式排流这两种方法。极性排流即设置一组接地阳极, 并通过二极管连接在管道上, 这样既可降低干扰电压, 又可以利用交流干扰产生的负压作为阴极保护。当管道上的干扰电压极性为正时, 二极管承受正向电压而导通, 电流通过接地极流入大地;当管道干扰电压极性为负时, 二极管又承受反向电压而截止。接地式排流, 结构简单, 维护方便, 这种方式是在管道周围埋设若干组接地体, 将管道与这些接地体相连.当杂散电流进入管道后, 由阴极区经管道流向接地体, 由接地体泄人大地, 返回杂散电流源, 从而改变了原来由管道的阳极。

2 整改前管道现状及防治措施

在整改前, 输油管道采用阴极保护和防腐层双层保护, 阴极保护是以强制电流为主、牺牲阳极为辅的阴极保护方案。LN104号测试桩附近管道与联通发射塔接地极距离由原来的0.5m移至5m, 但仍受到强烈的杂散电流干扰。在阴极保护运行的情况下, LN104附近电位为正值 (+0.3V~+1.3V) , 经测试, 管道受直流干扰电位最高达46V, 交流干扰最大电压为64V, 联通发射塔附近土壤电位梯度最大为5V/m, 严重威胁着管道的安全运行。因此, 对LN104附近管道上的杂散电流干扰进行了一次全面调查, 并采取了有效的排流措施如下。

2.1 排流点的选择

根据交直流测试结果, 排流点位置选择为原腐蚀穿孔点向LN103方向4米。排流点的选择的原则是遵循了排流保护标准的规定。

具体排流点的位置分布如图1所示:

2.2 排流方式

排流采用钳位式排流, 钳位式排流由接地极、排流节与排流线组成, 其原理如图2所示:

钳位式排流装置位于排流点2m处, 旁边设立排流测试桩。排流器的性能为二极管容量160A, 最大排流电流为50A。考虑该段为雷雨多发地段, 在测试桩内增设了等电位连接器 (防雷击保护器) 。等电位连接器与排流器采用并联连接。

2.3 阳极规格、排流阳极床位置及阳极床接地电阻

阳极规格:钢铁阳极共埋设6支, 每支阳极规格为DN300的管段, 每根长度为1.5m;镀锌角钢2根, 规格50mm×50mm×5mm, 角钢长度2.5m。阳极坑及电缆沟:阳极坑长度为11m, 宽度1.5m, 深度2.7m;电缆沟长度为长度为22m, 宽度0.8m, 深度为1m。

埋设方式:阳极采用横向水平埋设方式, 阳极间距为30cm, 周围用焦碳填充, 填充料厚度不少于15cm。阳极底部填充30cm细土, 阳极顶部及周围用外运鱼塘土回填, 夯实后顶部深度为1m, 浇水量6t。镀锌角钢直接在阳极坑内打如地下, 两角钢间距为6m。汇流电缆沟深度为1m, 敷设电缆后进行了铺沙盖砖再进行了回填。

连接方式:阳极电缆采用VV1×10 mm2电缆进行并联连接, 每支阳极焊接2根电缆, 分别再连接到汇流电缆上, 汇流电缆与管道连接均采用双电缆, 管道两焊点的间距为1m。

焊接方式:电缆与阳极、电缆与角钢、电缆与电缆之间的连接均采用铝热焊接。

防腐:所有焊接点均采用胶棒进行防腐, 电缆与电缆连接点外用自粘性绝缘胶带缠绕, 外层再用PVC胶粘带缠绕作保护层。

阳极床位置:阳极床的位置为油流方向的左侧, 阳极排列与管道平行, 与管道垂直间距为22m。阳极床电阻:由于排流点附近的土壤电阻率比较大 (山坡地段) , 为700Ω·m, 阳极床埋设后的接地电阻为43Ω, 不能达到要求。

2.4 排流系统的调整

新增阳极采用高硅铸铁阳极, 共埋设8支, 阳极规格:φ50mm×1500mm, 每支重24kg。

阳极坑及电缆沟:单个阳极坑长度为2m, 宽度1.5m, 深度1.5m;电缆沟长度为为300m, 宽度0.8m, 深度为0.8~1m。电缆沟途经砾石地段、芭蕉地、穿越碎石路 (穿路时电缆外采用DN25的镀锌管作为套管) 、竹林、玉米地和菜地。

埋设方式:阳极采用纵向水平埋设方式, 阳极间距为1.8m, 周围用焦碳填充, 填充料厚度不少于15cm。回填采用边回填边夯实的方式, 浇水量为6t。汇流电缆沟深度为1m, 敷设电缆后进行了铺沙盖砖再进行了回填。

连接方式:阳极电缆采用JVC1×16 mm2电缆进行并联连接, 汇流电缆采用VV1×25 mm2电缆与原地床进行并联, 并联位置为第一个阳极床的电缆坑与阳极坑交叉点。

焊接方式:高硅铸铁阳极接头配件与导线的连接采用螺栓连接, 并用环氧树脂进行密封, 电缆与电缆之间的连接均采用铝热焊接。

防腐:所有焊接点均采用胶棒进行防腐, 电缆与电缆连接点外用自粘性绝缘胶带缠绕, 外层再用PVC胶粘带缠绕作保护层。

阳极床位置:阳极床的位置为油流方向的左侧, 从排流点向LN103桩方向管道距离为250m, 阳极排列与管道平行, 与管道垂直间距为30m。阳极床电阻:排流点附近的土壤电阻率为43Ω·m, 阳极床埋设后的接地电阻为5Ω (在阳极床附近测得) 。由于测试桩附近土壤电阻率较高, 在测试桩上测试的数据为13Ω。测试数据以阳极地床附近结果为准。

3 杂散电流排流保护的效果

2008年1月6日测试结果:断开阳极床时管道电位为-1.18V, 连接阳极床后管道电位为-1.13V。排流电流:交流排流电流26m A, 直流排流电流26~27m A。

2008年1月7日测试结果:断开阳极床时管道电位为-1.22V, 连接阳极床后管道电位为-1.17V。排流电流:交流排流电流27m A, 直流排流电流28~29m A。

2008年1月8日测试结果:断开阳极床时管道电位为-1.22V, 连接阳极床后管道电位为-1.173V。排流电流:交流排流电流18~18.7m A, 直流排流电流27.3~28m A。

目前, 管道的电位在正常的阴极保护范围之内, 排流系统运行正常。通过以上整改措施, 管道得到了很好的保护。

摘要：为了提高对杂散电流的认识, 通过对其的分析, 归纳预防办法, 从而更好地预防杂散电流, 杜绝因杂散电流腐蚀造成输油管道的泄漏事故的发生。同时通过国内某输油管道对杂散电流的整改方案的探讨, 寻求符合实际的最佳防治方案。

关键词：杂散电流,测量方法,防治措施,排流,输油管道,阴极保护

参考文献

[1]曹楚男.腐蚀电化学原理[M].北京:化学工业出版社, 1985.

[2]唐明华.油气管道阴极保护[M].北京:石油工业出版社, 1986.

杂散电流及预防 篇4

1. 杂散电流腐蚀的机理及危害

1.1 杂散电流腐蚀的机理

杂散电流对埋地输油管道腐蚀的原理,同电解时的情况基本是一样的,即阳极为正极,进行氧化反应,阴极为负极,进行还原反应。杂散电流从土壤进入管道的地方带有负电,这一区域称为阴极区,处在阴极区的管道一般不受什么影响;当杂散电流由管道的某一点流出时,管道带正电,这一区域称为阳极区,处在阳极区的管道,钢管以铁离子的形式溶入周围介质中,因此阳极区的管道受到腐蚀。

电气化铁路中杂散电流的通路如图1所示,它所经过的路径为走行轨(阳极)→大地→埋地输油管道(阴极区)→埋地输油管道(阳极区)→大地→走行轨(阴极),该通路实质上就是构成两个串联的电解电池,即:

电池1:走行轨(阳极)→大地→埋地输油管道(阴极区)

电池2:埋地输油管道(阳极区)→大地→走行轨(阴极)

杂散电流腐蚀的破坏特征是阳极区的局部腐蚀。在管道的阳极区,绝缘涂层的破损处,腐蚀破坏尤为集中。杂散电流的电极反应为:

阳极区:Fe→Fe2++2e(金属被腐蚀)

阴极区:2H++2e→H2(气体析出)

杂散电流干扰腐蚀时,金属遭受腐蚀损失的数量与从金属释放出杂散电流的数量成比例。其腐蚀量服从于法拉第定律:

W为金属溶解的克数;M是金属的原子量;n是金属离子的电荷(腐蚀作用中金属的原子价);F是法拉第常数(96,500库仑);I为腐蚀电流(安培)。

1.2 杂散电流对埋地输油管道的危害

杂散电流造成的腐蚀破坏后果非常严重,埋地输油管道与电气化铁路并行或穿越时,会对管道产生直流或交流电流腐蚀。杂散电流造成的腐蚀有如下特点:(1)腐蚀激烈、强度高、危害大;(2)腐蚀集中于局部位置,有防腐层时往往集中于防腐层的缺陷部位;(3)范围广、随机性较强,杂散电流难以直接测得。这些特点使被干扰体在短时间内发生点状坑蚀,造成管体泄漏事故。特别是像带有防腐层的埋地输油管道这样长条状金属体,流入管道的杂散电流很大且集中于局部,电流只能从防腐层缺陷处流出,故局部腐蚀剧烈。

埋地输油管道在无杂散电流时,大部分腐蚀为原电池型,驱动电压和腐蚀电流都比较小,而杂散电流干扰腐蚀时是电解电池原理,电位可达几伏,电流最大可能上百安。在故障状态下瞬间感应电压可能击穿管道的绝缘层、绝缘法兰,甚至击毁阴极保护设备,并对生产操作人员人身安全造成威胁。此外,交流电的存在可引起电极表面的去极化作用,加剧管道腐蚀,可加速防腐层的老化,引起防腐层的剥离,干扰阴极保护系统的正常运行,使牺牲阳极系统发生极性逆转,降低牺牲阳极的电流效率,致使管道得不到有效的防腐保护,给防护带来一定难度。

2. 杂散电流的判断方法

判断埋地输油管道是自然腐蚀还是杂散电流引起的干扰腐蚀,在实际工程中具有十分重要的价值。通过判断,对于各种类型的腐蚀应采取不同的防护措施,才能达到腐蚀控制的目的。

2.1 外观判别法

杂散电流的外观判别法如表1所示:

2.2 管地电位波动判别法

直流电气化铁路,其电铁负荷是变化的,这些变化规律都会在埋地管道对地电位体现出来。管道对地电位呈现正、负激烈交变或激烈变化。管道直流干扰程度一般按管地电位较自然电位正向偏移值,如表2所示:

2.3 土壤电位梯度判别法

若大地中存在杂散电流,将会引起大地电位梯度的变化,进而可判断土壤杂散电流的强弱及管道受到干扰的可能性。当管地电位较自然电位正向偏移难以测取时,可采用土壤电位梯度按照表3所列的指标判断杂散电流强弱程度。

3.1 管地电位的连续检测

根据国家标准《埋地钢质管道腐蚀防护工程检验》GB/T19285-2003,适用于直流干扰引起的埋地金属管道侧的管地电位测试。管地电位测量接线如图2所示,当埋地输油管道中存在动态杂散电流干扰时,管地电位呈现出随机波动的状态。这时可采用管地电位数字记录仪实时记录管地电位的变化情况并依此评估杂散电流的危害程度。在管地电位连续动态监测法中对于管地电位的测量,要求电压表内阻较大、多量程、响应速度快,并具有防磁干扰能力。

管地电位测量方法简单、无需开挖、直观、易于实施,在实际监测中应用较多。但是这种测量方法存在以下缺点:(1)电气化铁路对埋地输油管道的干扰主要是电化学反应长期作用的结果,而现场临时测量,不能反映干扰电流的变化规律,测量结果有一定的随机性,可信度不高;(2)由于是局部测量,测量结果不能够反映长距离管道段的干扰信号的分布情况;(3)现场测量的工作条件及空间限制,给测量带来不便和危险。

3.2 土壤电位梯度连续检测

电位梯度的大小与杂散电流强度成正比,与土壤电阻率成反比,电位梯度的方向与杂散电流的方向相同。土壤表面的电位梯度是在沿管道方向和管道垂直方向上一定距离下,两组参比电极(CuCuSO4参比电极)的电位差值。

直流杂散电流的电流流向、电位梯度是随时间而变化的,因此遭到杂散电流干扰的埋地输油管道的阴阳极的位置也可能不是固定的。但从宏观来看,杂散电流的流向、电位的变化是有一定规律的,因而管道的阴阳极区位置在一定范围内也是有规律的。杂散电流总的流向规律是从接地体(或漏电体)流出,经过土壤向电位低的地方流去,最后回归到电源的负极。土壤表面的电位梯度检测所使用的仪表要求同管地电位测试所使用的仪表,只是测试方法和目的不同。土壤电位梯度法迅速、便捷,适于野外长输管道的现场测量。土壤电位梯度检测如图3所示。

3.3 管中电流测试

管中电流的测试方法如图4所示,它能够直接反映输油管道中杂散电流的变化情况,直观地显示了杂散电流信号的强度以及变化规律,测量结果准确,而且能够长时间地实时采集电压信号,信息直观、简单。

在应用中需要注意的问题:(1)由于大多埋地管道是整体封闭的,而要想测量管中电流就需要把电流表与管道串连,这就需要把管道割开,由于现场条件的限制,这种测试可在实验室模拟。(2)由于这种测试方法需开挖管道进行检测,因此加大了测试的工作量,使得测试前期工作时间拉长,测量工作较大程度上依赖于地理等环境因素,而且受环境及设备条件影响,测量管段距离不能过长。

3.4 SCM仪表检测

SCM杂散电流检测系统是世界上先进的管道杂散电流检测的专用设备。与智能信号发送器配合,SCM可对杂散电流进行识别和检测。适用于预备性测量,工程技术测量,防护效果评定,运行工况监测中杂散电流的测量。

SCM的工作原理: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。其测绘图展示出管道上的杂散电流进入点和放电点。有了这些信息,就可以在管道上一个或几个适当的地方消除干扰。当采取了消除干扰的措施后,可以用来检测消除干扰的设计是否成功,还可以用来测绘管道上的外加的阴极保护电流。

3.杂散电流干扰腐蚀检测方法

能最直接反映出杂散电流对埋地管道干扰腐蚀的是杂散电流的大小,但由于实际条件限制,电气化铁路杂散电流无法直接测出。杂散电流又难以直接测量,一般都采用间接的办法来反映杂散电流的腐蚀情况。因此,对杂散电流干扰腐蚀的检测可以从两个方面进行:一是对于埋地输油管道防腐层的检测,查找漏点,进行分析;另一方面是对在杂散电流本身的检测,包括在已有的测试桩上进行管地电位检测、土壤电位梯度等的检测。

4. 防护措施及效果评价

电气化铁路对于输油管道的影响主要是牵引电流对管道的干扰引起的不安全高电位,采取相应防护措施的本质是要降低管道上的高电位使之保持在安全容许的范围内。

在电气化铁路侧的措施可归结为以下三种:(1)防:减小回流轨纵向电阻,降低轨道电压,提高回流轨对地的过渡电阻,隔离和控制所有的轨道电流泄漏途径,减少杂散电流流入埋地管道。(2)排:在回流轨的整体道床中设置杂散电流收集网,通过杂散电流的收集和排流系统,提供杂散电流返回变电所的金属通路,以减少轨道电流的泄漏。(3)测:设计完备的杂散电流监测系统,监测杂散电流的大小,为采取相关防护措施提供依据。

但是,在实际的工程应用中,由于铁路侧的措施和埋地管道的设计难免会出现冲突,因此在埋地管道侧的防护措施也显得更为重要。

4.1 阴极保护

阴极保护技术是一种电化学保护技术,由金属的化学特性可知,腐蚀原电池的阴极不发生腐蚀,只有阳极才发生腐蚀。阴极保护的原理是向被腐蚀金属结构物表面施加一个外加电流,使被保护结构物成为阴极,从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制,避免或减弱腐蚀的发生。

4.2 排流保护

排流保护是用导线将被保护的管道与管道的阳极区相联接,整个管道变为阴极性,从而使得流入管道的杂散电流通过管道排走,防止了阳极腐蚀。根据杂散电流的分类,可采用直流排流保护措施和交流排流保护措施。

4.3 增设屏蔽

根据电磁场影响的原理,在电气化铁路与管道间加设屏蔽措施,使得电气化铁路对管道的电磁影响得到降低。增设屏蔽措施不需要影响管道,但工程受环境影响因素也较大。这一措施,主要用于确定的干扰电流集中流入管道的部位,目的在于隔断地中杂散电流集中流入管道的通路或增加杂散电流流入管道的阻力,从而减少杂散电流量,减少干扰程度。

4.4 分段隔离

在不易消除电磁场影响地段,用绝缘法兰将管道分隔为短段,减小影响段长度,把干扰限制在一定范围内,从而减小感应电压。但是这种方法也有一定的局限性,由于需要在运行的管道上进行施工,对管道的正常运行干扰较大,实施难度也大。因此,在输油管道的设计中,可以在杂散电流干扰影响较大的地段设置绝缘法兰。

4.5 定期检测

为了掌握管道及防腐设施的运行状况,定期对管道进行检测。针对管道腐蚀的严重程度,重点管段进行腐蚀风险评估,适当增加检测的次数,为有效及时地采取适当的保护措施打下基础。

5. 结语

电气化铁路对埋地输油管道杂散电流腐蚀的监测和防护,是管道设计、建设、运营维护中应当考虑的问题,而杂散电流的腐蚀是一个长期积累的结果,正确对管道工程沿途的电气化铁路杂散电流作出一个合理的评估,并预测沿途电气化铁路杂散电流对埋地输油管道的腐蚀能力,是防治杂散电流腐蚀的必要条件。埋地输油管道的杂散电流腐蚀防护工作,需要多个专业在设计、施工和运营中共同配合,探索干扰规律,降低干扰影响,在加强管道自身防护措施的同时,探索更加积极的预防方案。

摘要：近年来,我国输油管道建设与日俱增,由于地理位置的限制,输油管道与电气化铁路不可避免地出现并行或交叉穿越敷设的情况,埋地油气管道将会受到电气化铁路杂散电流的干扰腐蚀。介绍了杂散电流腐蚀的机理、特点以及对埋地输油管线的影响,杂散电流的判断方法,杂散电流的测试方法,并对一些防护措施和防护效果进行了分析和评价。

浅谈杂散电流的危害及其防护 篇5

目前城市轨道交通均采用走行轨回流的直流牵引供电系统, 接触网与牵引所的正母线连接, 回流走行轨与负母线连接。在经走行轨回流的途中, 由于轨道有电阻, 在靠近车辆的地方, 电位较高一些, 形成轨道阳极区, 就存在正相泄露电流流入大地。存在隧道混凝土结构钢筋中的电流会产生向走行轨回流的可能性。

2 杂散电流的危害

1) 钢轨及其附件的腐蚀。列车进入阳极区下部很有可能会产生电蚀, 同时电流腐蚀还可能会集中出现在道钉的钉入部位, 这部位腐蚀比较隐蔽。2) 钢筋混凝土金属结构物的腐蚀。在杂散电流由混凝土进入钢筋和由钢筋返回混凝土的部位, 钢筋都会受到电化学腐蚀, 其腐蚀产物与周围环境有很大联系。3) 埋地管线的腐蚀。在地铁线路上, 沿着线路都埋有许多管道, 这些管道有铸铁管和钢管之分, 电导通良好, 及其容易被杂散电流腐蚀, 据调查, 这些管线不同程度地受到电化学腐蚀。

3 杂散电流电化学腐蚀原理

金属电化学腐蚀的过程类似原电池的工作过程, 当电池接通外电路时, 两电极与电解质之间的反应如下:

锌壳发生氧化反应, 使锌原子离子化:

随着反应的进行, 锌壳不断地被离子化, 并给出电子, 在外电路中形成电流。离子化的结果使金属被腐蚀。

在地铁系统中, 杂散电流腐蚀原理图如下:

假设经过道床的泄露电流最后流回负极, 杂散电流流经途径:

1) 轨道 (阳极区) →道床, 大地→地网 (阴极区)

2) 地网 (阳极区) →大地, 道床→轨道 (阴极区)

由于这两个阳极区部有杂散电流经过, 进而导致这部分的金属铁在阳极过程中, 和周围的电解质电解产生腐蚀。腐蚀包括酸性的电解质产生析氢腐蚀的氧化还原反应和碱性的电解质产生吸氧腐蚀的氧化还原反应:

析氢腐蚀:

吸氧腐蚀:

上述两种腐蚀反应通常生成Fe (OH) 2, 而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继续被介质中的氧化成棕色的Fe2O3·2H2O (红锈的主要成分) , 而Fe (OH) 3可进一步生成Fe3O4 (黑锈的主要成份) 。

杂散电流腐蚀一般具有以下特点:程度剧烈;腐蚀集中局限在某一部位;如果存在防腐层, 则通常在防腐层存在缺陷处高度集中。

4 地铁系统中杂散电流的防护办法

1) 就车辆段和停车场而言, 必须以实际的工程条件为基础, 利用多个回流点的布设, 引导电流回流至最近的地方, 排除电阻阻碍回流通路, 使杂散电流总量控制在一定范围内。2) 增大钢轨泄漏电阻措施。解决轨道交通防护杂散电流的根本办法可以通过较高的泄漏电阻来完成。影响钢轨泄漏电阻的原因包括两方面:一方面是钢轨绝缘安装点的绝缘电阻, 另一方面, 钢轨与道床表面的空隙距离及道床环境条件。3) 杂散电流的流通路径控制措施。金属结构受到杂散电流的影响, 在其钢轨、道床结构钢筋、隧道结构钢筋、地网及地铁外部其他公共设施四个方面可能会产生腐蚀。杂散电流先经由钢轨, 泄漏到床结构中, 接着经过道床结构继续流向隧道、车站结构等其他结构中。通过整体道床内结构钢筋的纵向联通, 进而促进电气连续的杂散电流主收集网的形成和产生, 杂散电流通过这个电气通路流至牵引变电所, 从收集网流出来最终达到钢轨, 防止杂散电流在从道床流向其他结构过程中泄漏。除此之外, 如果工程条件允许, 增加素混凝土层在地下区段道床与隧道 (或其他结构间) 之间, 以此使道床与其他结构间泄漏电阻增加, 防止杂散电流流向其他结构的过程中泄漏。4) 排流柜设置方案。腐蚀钢筋一般也只有杂散电流流出钢筋时产生, 然而, 一般在在阴极区才会大量的积聚杂散电流, 如果当金属结构受到结构钢筋或其他可能受到杂散电流腐蚀时, 在牵引变电所处连接于钢轨或牵引变电所负母排, 因为杂散电流向牵引变电所直接流入通常经由的通路路径最短, 在阳极区范围内, 杂散电流的范围几乎不会经过钢筋扩大到混凝土, 电化学反应产生可能性也降低, 因此将其命名为排流法。5) 盾构区间防护杂散电流方案。联通管片内的所有钢筋, 利用铁垫圈有效的引出电气连接点, 接着利用铁螺栓和螺母联通所有隧道管片中钢筋的电气完成拼装隧道管片, 进而促进等电位的法拉第网的产生, 以此电气屏蔽掉地铁的杂散电流, 有效的减少地铁杂散电流向地铁基础结构和其他结构的泄漏。可是, 在具体实践中, 由于都是在各螺栓之间进行混凝土灌浆, 只是通过单纯机械的连接螺栓和螺母, 难以彻底导通连接电气, 相比之下远远不及管片采用绝缘隔离措施。

5 结束语

伴随着飞速发展的交通系统, 城市出现了地铁和轻轨等便利的交通工具, 人们也加强了防护地铁杂散电流的意识, 但是, 作为一个系统工程的地铁杂散电流防护必须依靠协调设计、施工以及运营的专业配合工作, 不仅能够有效的进行防护, 还能在预防方案上做出更大的研究。

参考文献

[1]马洪儒.北京地下铁道的杂散电流腐蚀与防护[J].城市轨道交通, 1990.

[2]易友祥.一种积极有效的地铁杂散电流防护方案[J].天津理工学院学报, 1995.

煤矿井下直流杂散电流的研究 篇6

煤矿井下架线电机车运输系统中, 通常是将电机车的运行钢轨作为供电回路。由于钢轨与大地之间不可能完全绝缘, 加之钢轨的衔接处焊接不好, 致使有一部分电流从钢轨中泄露出去, 形成杂散电流[1]。而且随着运营时间的增加, 由于污染、潮湿等原因, 钢轨与大地之间的绝缘性能有所下降, 杂散电流还将增大, 它严重影响煤矿井下的安全生产, 腐蚀沿线的金属管线, 更有甚者诱发瓦斯、粉尘爆炸, 危及工作人员人身安全[2]。因此, 研究煤矿井下直流杂散电流的分布规律及其影响因素, 对煤矿井下的安全生产有着重要意义。本文通过建立电机车简单的单边供电模型, 在合理的假设前提下推导出了杂散电流的计算公式, 并应用Matlab仿真软件对推导出的公式进行仿真分析, 得到了煤矿井下直流杂散电流的分布规律及影响其分布的重要因素, 从而便于采取更加合理的措施抑制杂散电流的产生。

1 模型建立与公式推导

为了研究煤矿井下直流杂散电流的分布规律及其影响因素, 有必要对煤矿井下直流电机车运行系统建立数学模型并进行相应的公式推导, 以便利用Matlab仿真软件作进一步的理论研究。

图1为杂散电流分布示意图。由于杂散电流分布的分散性, 为方便研究, 将空间上连续问题简化为平面连续问题[3], 即将牵引动力变电站一整套的整流设备用一直流电流源代替, 相应的电路模型如图2所示。

假设电机车与供电变电站之间的距离为L (km) , 钢轨的纵向电阻率为r (Ω/km) , 轨道对地的过渡电阻为ω (Ω·km) 。以电机车的位置为原点, Ut为距电机车x (km) 位置的轨道对接地网的电压, 即接触电压。当电机车于钢轨上行进时, 可以使用中程输电线路π型等效电路来建立煤矿井下直流电机车运行系统数学模型, 如图3所示。

I1-网络输入电流;I2-网络输出电流;U1-网络输入电压; U2-网络输出电压;rx-钢轨的纵向电阻

考虑到接地网有一定的电阻, 所以在建立模型时为了更接近实际情况, 在原有的等效电路模型上增加了接地网电阻, 如图4所示。

Rx-接地网电阻

图3、4中, Y=x/ω, 为电导, 由建立的模型可得到轨道的接触电压Ut、轨道电流It的关系式:

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经过矩阵运算可得:

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式中:U1为电机车位置的轨道接触电压, V;I1为电机车位置的轨道电流, A;R为接地网的纵向电阻率, Ω/km。

当边界条件x=L时:

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将式 (3) 代入到式 (2) , 可解得U1:

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将式 (2) 经过合理的变化, 即可得到轨道接触电压Ut和轨道电流It:

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得到轨道电流It后, 初始轨道电流I1与该处轨道电流之差即为杂散电流Is:

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则:

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2 仿真与分析

为了研究煤矿井下直流杂散电流的分布规律及其影响因素, 利用式 (7) , 运用Matlab软件进行仿真。通过分析仿真结果, 可得到杂散电流的分布规律及影响其分布的主要因素, 从而便于采取更加合理的措施来抑制杂散电流的产生。

根据工程实际的需要, 仿真参数设置如下:L为1 km, r为0.035 Ω/km, ω为15 Ω·km, I1为1 000 A。根据式 (7) , 利用Matlab软件, 选择1个变化参数, 其它参数均取典型值, 分别画出轨道接触电压和杂散电流与距离关系的曲线, 分析轨道接触电压和杂散电流的变化规律。

2.1 改变电机车到牵引变电站的距离L

改变电机车到牵引变电站的距离L (分别取为0.50 km、1 km和2 km) , 输出图形如图5所示。

从图5可以看出, 电机车与牵引变电站间的间距对轨道的接触电压和杂散电流都有明显的影响, 接触电压和杂散电流随间距的变化而变化, 所以, 在规划牵引变电站时, 要考虑不能让供电区间太长。供电区间太长将会使杂散电流增大, 加大钢轨和附近金属体的腐蚀, 同时, 还可能会使接触电压过高, 危及乘客的人身安全。

2.2 改变过渡电阻ω

从图6 (a) 可以看出, 轨道接触电压随过渡电阻的不同取值没有明显的变化, 这说明过渡电阻对轨道的接触电压影响很小。从图6 (b) 可以看出, 随着过渡电阻取值的增加, 杂散电流越小。

2.3 改变钢轨的纵向电阻率r

改变钢轨的纵向电阻率r的取值 (分别取为0.015 Ω/km, 0.035 Ω/km和0.060 Ω/km) , 输出图形如图7所示。

由图7可以看出, 随着钢轨的纵向电阻率的增加, 钢轨接触电压和杂散电流均增加。所以, 选择钢轨时, 在综合其它因素的情况下应选择纵向电阻率较小的钢轨, 在钢轨连接处也要很好地结合, 如果采用无缝钢轨效果会更好。

2.4 改变供电电流I1

轨道的接触电压受供电电流I1的影响较大, 接触电压因供电电流变化而变化, 如图8 (a) 所示, 这有可能是导致电机车在启动的一段时间内轨道接触电压过高的因素之一。当改变回馈到牵引变电站的供电电流I1时, 杂散电流明显增加, 如图8 (b) 所示。

3 结语

文章通过建立煤矿井下直流电机车运行系统杂散电流的数学模型, 推导出了杂散电流的数学公式, 并利用Matlab仿真软件对其仿真, 得到杂散电流的分布规律:在单边供电的区间内, 随着距电机车的距离增大, 杂散电流先增大后减小, 在供电区间的中点达到最大。通过改变特定参数, 并进行分析, 得到影响杂散电流分布的主要因素及其影响程度:轨地过渡电阻和轨道纵向电阻对杂散电流泄漏影响很大, 轨地过渡电阻越小, 轨道纵向电阻越大, 杂散电流越大;供电距离和供电电流对杂散电流的影响也很大, 供电距离越大, 供电电流越大, 杂散电流越大。当供电电流过大时, 可以通过提高供电电压而在功率相同的情况下减小供电电流。因此, 在煤矿井下电机车轨道建设和运营时, 应该采取有效的措施增大轨道对地过渡电阻, 即增加绝缘措施, 减小轨道纵向电阻;选取适当的供电距离, 采用较高的供电电压, 从源头上减少杂散电流。

参考文献

[1]王志宏.杂散电流及防治[M].北京:煤炭工业出版社, 1986.

[2]国家安全生产监督管理局, 国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[M].北京:煤炭工业出版社, 2004:12~14.