城轨供电系统课程设计报告——广州地铁5号线地铁杂散电流腐蚀防护设计

城市轨道交通供电系统课程设计
专业：电气工程及其自动化
班级：电气09X
姓名： water
学号： 200909***
指导教师：王思华
兰州交通大学自动化与电气工程学院
2012 年 7月 20日
城市轨道交通供电系统课程设计报告
1 设计原始资料
1.1 具体题目
广州铁五号线呈东西走向，全线共设24座车站，如图1.1所示。

正线线路全长约31.8km ，其中29.59km 为地下线路，2km 为高架线路，0.21km 为路基或路堑线路。

车站及区间隧道采用了明挖法、明暗结合、矿山法、沉管法、盾构法等多种施工方法。

试结合所学知识，对该地铁杂散电流腐蚀防护进行设计。

滘口
珠江新城
员村
东坡南三溪
文冲大沙地
图1.1 广州地铁五号线线路图
1.2 要完成的内容
广州地铁五号线杂散电流防护方案包括设置杂散电流排流网、新型智能排流装置的杂散电流防护方法和集中式监测系统。

2 分析要设计的课题内容
2.1 杂散电流腐蚀防护设计原则及技术条件
杂散电流防护设计应按照“以堵为主，以排为辅，堵排结合，加强监测”的原则设计。

当杂散电流防护与安全接地发生矛盾时，优先考虑安全接地。

杂散电流防护系统应符合《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》。

广州地铁五号线牵引供电系统采用直流1500V 供电，正线的地下区段及高架线路全部采用三轨接触网，车辆段采用柔性架空接触网。

由于运营环境、经济和其它方面因素的限制，走行轨不可能完全绝缘于道床结构，因此不可避免地由走形轨向道床、车站和隧道结构泄漏电流，即杂散电流。

杂散电流会对土建结构钢筋、钢轨、设备金属外壳和其他地下金属管线产生电腐蚀。

由于地铁是百年大
计，杂散电流防护专业应根据五号线牵引供电和土建结构特点，与相关的土建、轨道、供电、通信和信号等专业配合，设计可靠的防护方案，同时应经济合理，便于施工。

杂散电流防护示意图如附录A。

2.2 牵引回流系统
牵引回流系统由钢轨、负回流电缆、上下行均流电缆以及单向导通装置等组成。

正线采用60kg/m的钢轨，车辆段除车场线采用50kg/m钢轨外其余均采用60kg/m的钢轨。

连接牵引变电所负母线至上下行钢轨的负回流电缆采用400mm2截面铜电缆。

各牵引变电所的负回流电缆回数和每回负回流电缆根数如表2.1所示。

表2.1 牵引变电所的负回流电缆回数及根数表
牵
引
变电
所滘
口
大
坦
沙
南
东
风
西
路
广
州
火
车
站
花
园
酒
店
杨
箕
猎
德
员
村
黄
洲
鱼
珠
港
湾
路
文
园
截面
(mm2)
2000 3000 2000 3000 3000 3000 3000 2000 2000 2000 2000
在正线各车站两端上下行钢轨间设置均流电缆，但在有负回流电缆的一端，上下行钢轨间不再设均流电缆；另外，若上下行隧道有区间逃生通道，则利用该通道设置上下行均流电缆；在高架区段，区间均流电缆间隔控制在200~300m左右。

均流电缆选择2根150mm2截面的DC1500V铜电缆。

3 杂散电流腐蚀防护方案
3.1 一般防护方案
(1) 限制杂散电流产生根源的措施
①通过均流电缆的恰当设置和对回流电缆、回流钢轨提出一定的要求，保证通畅的回流通路。

②通过对钢轨采取绝缘法安装及其他附加措施，增大钢轨泄漏电阻，钢轨泄漏电阻应不小于15Ω/km。

(2) 杂散电流收集网设置方案
①将整体道床和浮制板道床按一定要求焊接，作为主要杂散电流收集网。

主收集网应满足一定截面要求。

计算杂散电流主收集网截面如附录表B2所示，再选择整体道床收集网截面，为了增强珠江隧道的防杂散电流能力，在大坦沙南~东风西路区段收集网截面选取为3000mm2，可使过江段隧道结构钢筋的极化电位限制在0.3V以下，隧道结构钢筋处于被绝对保护的状态，达到了保护珠江隧道的目的，其结果如表3.1所示。

②将隧道结构钢筋按一定要求焊接，作为隧道辅助杂散电流收集网。

表3.1 整体道床收集网截面选择结果表
牵
引
变电
所滘
口
大
坦
沙
南
东
风
西
路
广
州
火
车
站
花
园
酒
店
杨
箕
猎
德
员
村
黄
洲
鱼
珠
港
湾
路
文
园
截面
3
10
(mm2)
2 3 2 3 3 3 3 2 2 2 2 2
③将高架桥梁每个结构段的上层钢筋按一定要求焊接，作为高架桥内辅助杂散电流收集网。

④在牵引变电所附近设置道床及隧道结构钢筋的排流端子，以便将杂散电流收集网连接至牵引变电所内排流柜。

(3) 牵引变电所设置排流柜方案
排流柜在地铁运营初期并不投入运行，而是在运营过程中，根据监测系统对杂散电流腐蚀状况的监测结果判断是否投入运行。

3.2特殊区段防护方案
(1) 盾构区段防护方案
盾构区间隧道结构钢筋采用隔离法进行防护。

隔离法充分利用了盾构管片的结构及安装特点。

由于盾构隧道是由纵向1m多长的管片构成，盾构管片间存在用于防水的橡胶垫圈，且盾构管片内部结构钢筋同管片之间的连接螺栓通过素混凝土隔离，这样客观上隔断了盾构管片的相互连接，使得1m多长的管片内钢筋所收集的杂散电流数量非常小，从而实现盾构管片内部结构钢筋的钝化腐蚀状态，达到防护目的。

(2) 过江隧道防护方案
① 对于过江隧道区段，由于其采用了沉管的施工方法，在管道预制时应对其内部结构钢筋进行焊接，焊接要求详见第3.5.3节。

② 在过江隧道江底区间，将道床收集网截面适当加大，即对过江区间道床钢筋留有一定的设计裕度。

(3) 车辆段杂散电流防护方法
① 车辆段通过恰当设置回流点和均流电缆来降低钢轨电位以减少杂散电流的泄漏。

② 车辆段内线路与正线之间、车辆段各种电化库内线路与库外线路之间设置钢轨绝缘结并装设单向导通装置[8]，如图3.1所示。

③ 车辆段内电化股道和非电化股道之间、电化股道尽头线与车档设备之间设置钢轨绝缘结。

运用库二
运用库一
图3.1 车辆段单向导通和钢轨绝缘结布置图
3.3 相关设备及管线的防护方法
(1) 沿车站站台设2m 宽绝缘层，其绝缘等级为AC1000V ，1min 。

屏蔽门安装在绝缘层之上。

屏蔽门与结构钢筋不应有电气连接。

(2) 其它金属管线安装时应与结构钢筋电气隔离。

3.4 杂散电流监测系统
设置完备的杂散电流监测系统。

监测系统可以检测结构钢筋、整体道床钢筋以及钢轨电位。

通过信号转接器与变电所综合自动化系统接口传送至主控网络，
在车辆段主控设备房利用数据传输线将监测信息由交换机传送至微机管理系统，使运营人员可在办公室内直接查询各种统计信息，并可打印各种管理报表。

运营人员可根据以上结果，及时对相关区段进行清扫和相应的维护管理。

3.4.1杂散电流监测系统构成方案
广州地铁地铁五号线杂散电流的防护监测系统应选用杂散电流集中式监测系统，其监测系统示意图如附录C所示。

杂散电流监测系统由参考电极、道床收集网测试端子、隧道辅助收集网测试端子、传感器、数据转接器、通信电缆及杂散电流综合测试装置组成，具体构成方式如下：
在每个测试点，将参考电极端子和测试端子接至传感器，将该车站区段内的上下行传感器通过通信电缆分别连接到位于各车站的上下行数据转接器。

传感器采集数据经数据转接器通过通信电缆传输至变电所综合自动化系统，经主控制系统转发到车辆段控制室的微机管理系统。

3.4.2 测试端子设置原则
(1) 在地下车站范围内，车站站台的两端进出站附近的道床和隧道壁上分别设置1个测试端子。

(2) 隧道区间范围内，靠近车站250m的道床和隧道壁上分别设置1个测试端子。

(3) 高架区段，在车站站台的两端进出站附近的道床上设置1个测试端子。

(4) 高架区段，在靠近站台250m的道床上设置1个测试端子。

(5) 在盾构区间隧道内，只在道床上设置测试端子。

(6) 上下行线路分别按照上述原则设置测试端子。

3.4.3 参考电极设置原则
(1) 参考电极采用技术性能较好的氧化钼或硫酸铜参考电极。

(2) 对应每个测试端子，在相距不超过1m的范围内，设置1个参考电极。

3.4.4 杂散电流防护系统的日常维护措施
线路正式开通运营后，利用综合测试装置记录高峰小时整体道床结构钢筋和车站隧道结构钢筋相对周围混凝土介质电位，以此电位作为判断有无杂散电流对结构钢筋腐蚀的依据，如测试到某段结构钢筋电位超过0.5V的标准，则应对钢轨回路及钢轨泄漏电阻进行测试检查，针对测试结果，检查引起杂散电流超标的
原因：若是钢轨回流系统出现电气导通“断点”所引起，则应及时将“断点”处连接至符合设计要求标准；若是某处钢轨泄漏电阻太小，则应检查钢轨是否为积水、灰尘污染或钢轨安装绝缘设备损坏引起，并及时清扫或对绝缘设备进行维护。

在线路正式投入运营后，每月应定期对全线轨道线路清扫，保持线路清洁干燥。

如果全线钢轨泄漏电阻普遍降低，简单清扫或维护不能解决问题，则应将牵引变电所的排流柜投入运行，使杂散电流收集网与整流机组负极柜单向连通，保护结构钢筋免受杂散电流腐蚀[9]。

4 结论
直流牵引供电系统中由走行轨回流产生的杂散电流达到一定强度时将对地铁主体结构钢筋或埋地金属产生电化学腐蚀，在工程设计、施工及运营维护中均应得到足够重视。

为有效地降低杂散电流不利影响，需要在方案设计阶段对整个系统的杂散电流分布进行评价，结合工程特点，采取切实可行的防护措施，保证地铁具有长期良好的社会经济总体效益。

本文的主要结论如下：
(1) 杂散电流大小主要由走行轨道相对大地电位差和走行轨道相对大地绝缘电阻决定，这两者缺一不可；影响地铁杂散电流分布的主要因素：牵引负荷电流、列车取流点到牵变所的间距、轨道绝缘电阻及走行轨道内部电阻。

(2) 要减小杂散电流的泄露，最根本的措施就是增大走行轨过渡电阻；其次应该减小走行轨纵向电阻、减小机车取流电流并缩短变电所间距；而排流网纵向电阻、大地纵向电阻以及埋地金属纵向电阻带来的影响则很小。

(3) 选择排流法成本低且工作可靠，但应精确控制其排流量。

(4) 本论文提出广州地铁五号线杂散电流防护系统设计方案还不够完善，需要更进一步通过对实际监测的数据分析该方案的有效性。

参考文献
[1] 高敬宇,易凡.地铁及轻轨杂散电流的防护措施[J].天津理工学院学报,1996,12(1):32-36.
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社,2005:341-349.
[5] 于松伟,杨兴山,韩连祥等.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M].成都:西南交通大学
出版社,2008:8-154.
[6] 吕伟杰.地铁杂散电流的防护方案研究与设计[D].成都:西南交通大学,2007:14-16.
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[9] 吴廷军.深圳地铁的杂散电流防护措施分析[J].铁道机车车辆,2001,5(1):32-34.
附录A 杂散电流防护示意图
明挖法隧道断面B -B 示意图
矿山法隧道断面A -A 示意图
附录B 收集网截面计算
杂散电流收集网大小规格确定的原则，就是要保证钢筋的极化电位降小于规定的标准值。

按此要求得出杂散电流收集网的纵向电阻，再计算出收集网总的横向截面积。

杂散电流收集网的纵向最大压降计算公式如下：
s R Tmax
max s 1R R R U L I R R ⎛= +⎝ (B.1)
其中，L 为供电区间长度(km)；g R 为走形轨对地过渡电阻(Ω/km)；g R 为每公里钢轨电阻(Ω/km)；R R 为每公里收集网电阻(Ω/km)；max I 为列车高峰小时最大取流电流。

由方程
s R
Tmax max s R
10R R
U L I R R ⎛-= +⎝ (B.2)
利用牛顿迭代法求解，假设：
s R
Tmax max s R
()10R R R
f R U L I R R ⎛=-= +⎝ (B.3)
令R x R =，根据牛顿迭代法公式有：
()
()
1k k k k f x x x f x +=-
' (B.4)
给定初始值与偏差，根据迭代公式编程计算得到x ，即可得知杂散电流收集网纵向电阻R R 。

另外，在工程上可以使用经验公式，使用的前提是容许10%的误差，并且满足条件：
0.5
则
3s R Tmax
max g
12L R R U I R = (B.5)
使用式B.5计算R R 可以直接采用解析得到。

已知杂散电流收集网纵向电阻：
R L R S
=ρ⋅
(B.6)
其中，ρ为杂散电流收集网钢筋的电阻率(Ω·mm 2/km)；S 为杂散电流收集网总截面面积长度(mm 2)。

可以得出：
R
L S R =ρ⋅
(B.7)
一个地铁区间有若干个供电区间，每个供电区间计算所得S 都不一样，N 个供电区间，计算出各个S 取其中最大值max S 。

由表B1的数据，取U Tmax =0.5V ，g 15Ω/km R =，S 0.013Ω/km R =，对应供电区间的L 和max I 值。

代入式B.5求出各供电区间收集网纵向电阻R R 。

表B1 远期高峰小时各区间轨回流平均电流表
牵引 变电 所 滘口
大坦 沙南
东风 西路 广州
火车 站
花园
酒店
杨箕 猎德 员村 黄洲 鱼珠
港湾 路
文园
牵引所 间距(m) 1640 2989 2434 3258 3302 2992 3289 2815 2957 3296 2472 钢轨平均电流(A) 1126
1623 1482 1709 2228 2325 1642 1429 1427 1470 1845
取ρ=100Ω·mm 2/km ，R R 的值代入式B.7得各供电区间收集网截面S ，如表B2所示。

表B2 各供电区间整体道床收集网截面计算结果表
牵引 变电所 滘口 大坦 沙南 东风 西路 广州
火车 站 花园 酒店 杨箕 猎德 员村 黄洲 鱼珠 港湾
路
文园
截面 (mm 2) 113
1338
720
1990 2035 1925 1985 1157 1000 1522
954
附录C 广州地铁五号线杂散电流监测系统示意图
上行线钢轨上行线道床下行线隧道下行线道床下行线钢轨
上行线隧道
下行线钢轨
下行线道床下行线隧道或高架桥梁上行线隧道或高架桥梁
上行线钢轨上行线道床主控网络
1094175716111378153919451346143713781344
1159
1071员村猎德
珠江新城赛马场
鱼珠黄洲科韵路东圃7181390东风西路
大坦沙南
1599
滘口1640中山八路1050花园酒店2208广州火车站西村1716小北文园
茅岗港湾路
大沙地
7141119杨箕1081区庄五羊新城
动物园南门1150主控网络
距离(m )距离(m )。