管道杂散电流的检测方法和应用

4.杂散电流参数的测试4.1检测参数的选择及意义杂散电流的检测是地铁杂散电流防护的重要组成部分，做好杂散电流的检测工作对保障地铁的良好运行至关重要。地铁杂散电流难以直接测量，一般采用间接的办法来反应杂散电流的的腐蚀情况，地铁结构与设备受杂散电流腐蚀的危险性指标是由结构表面向周围电解质的泄漏电流密度和由此引起的电位极化偏移来确定的。而电流密度难以直接测量，只有通过测量埋地金属极化电位来判断。因此埋地金属极化电位是杂散电流腐蚀监测中的主要参数。埋地金属极化电位的测量采用埋参比电极的方法。参比电极与结构钢筋之间的电位差为结构钢筋的极化电位。由于参比电极本身存在自然本体电位，且会受到各种外在因素的影响而发生变化，所以在测量时要对其进行修正校准，以提高测量精度，修正方法是在列车停运时，在没有杂散电流干扰的情况下测量结构钢对参比电极的电位作为参比电极的本体电位。为了得到极化电位的正向偏移值，自然本体电位的测量也很重要。泄露的杂散电流引起的结构钢的电位极化偏移值，即极化电位。应取在列车运行高峰时间内测得的半小时平均值。对于钢筋混凝土质的地铁主体结构钢，极化电位的正向偏移平均值不应超过0.5V[32]。从理论上讲，埋地金属结构对地电位的地应该是无限远点的大地，这在实际测量中是难以实现的，一般以就近的大地作为地。在地铁直流牵引供电系统中，由于杂散电流的干扰作用使得接地电位发生偏移，所以不能以接地作为电压测量的基准点，需要使用合适的参比电极。在实际测量中埋地金属结构对地电位的定义是指金属结构表面与电解质之间用与同一电解质接触的参比电极测得的电位差。参比电极作为测量电位的传感器，其性能及其可靠性是影响电位测量的关键因素。应具有以下特点：长期使用时电位稳定，重现性好，不易极化，寿命长，并有一定的机械强度，具有最低的内阻以降低电流通过时因电极内部欧姆压降而产生的误差，常用的参比电极有甘汞、银/氯化银、铜/硫酸铜电极。长效铜/硫酸铜参比电极具有电压稳定、耐极化性能好、使用寿命长、内阻小等优点，完全符合阴极保护工程中对参比电极的要求，可以作为地铁杂散电流极化电压测量的基准。根据《地铁杂散电流腐蚀防护规程》，当采用铜/硫酸铜电极作为参比电极时测得的埋地金属结构的极化电位是埋地金属结构相对于铜/硫酸铜参比电极的电位，如相对于铜/硫酸铜电极为-500~-600mV时为自然腐蚀状态；如比此值更正，则有杂散电流腐蚀；相反，如果更负，则处于受保护状态，在-850mV下受到完全保护，腐蚀停止[14]。研究表明[21]，轨道电位的高低直接影响结构钢筋的极化电位的大小，轨道电位过高会加剧杂散电流的泄露，使结构钢筋极化电位偏移值加大，同时由于轨道电位的存在，乘客在上下车时，在列车和站台之间会存在跨步电压，尤其在装设站台屏蔽门的系统中，屏蔽门的非导电金属部分与钢轨直接相连，乘客很容易接触到这一电压。当接触电压过大时会对人体造成一定的伤害。因此轨道电位的测量很重要。另外轨道电位的高低能够反映杂散电流的大小。杂散电流的泄露主要是由于地铁钢轨对地对地绝缘程度的降低，即轨地过渡电阻的降低。研究表明，提高过渡电阻和降低钢轨纵向电阻是减少杂散电流泄露的重要措施。根据地铁杂散电流腐蚀防护规程，对于新建地铁轨地过渡电阻值应不小于15Ω∙km。已运营地铁应不小于3Ω∙km。因此轨地过渡电阻和纵向电阻的测量能够给评判杂散电流泄露提供依据。综上所述，地铁杂散电流腐蚀主要检测的参数主要有：结构钢自然本体电位、埋地金属结构的极化电位、轨道电位、轨地过渡电阻及纵向电阻等。4.2极化电位和本体电位的测量4.2.1测量方法（1）电位的测量方法①地表参比法该方法是埋地金属结构物常规的测量方法，测试要点是将参比电极放在埋地金属物的顶部地面上，并确保参比电极与土壤接触良好，将从埋地金属物引出地面的测试端子和参比电极引出线同时接入高阻电压表，直接测取即可。如图4-1。参比电极高阻电压表测试端子金属结构V图4-1地表参比法②近参比法当长期测量时，地表参比法存在很大误差，所以采用近参比法，其测量要点是把参比电极尽量靠近被测埋地金属物表面，如果被测金属表面带有良好的覆盖层，则参比电极对应处应该是覆盖层的漏铁点，测量方法如图4-2。V测试端子高阻电压表参比电极金属结构图4-2近参比法（2）极化电位和本体电位的测量方法极化电位和本体电位采用近参比法进行测量，测量原理如图4-3所示。图中测试的一端通过测试端子与埋地金属结构物连接，另一端与参比电极连接，用数据采集器采集两个测试端的电压，即得到参比电极与埋地金属结构物之间的电势差。测试端子参比电极大地轨道数据采集器埋地金属结构物图4-3极化电位测量原理图极化电位的测量是列车运行在高峰期时测量的，而自然本体电位是列车停止运行时测量的。由于参比电极存在自然本体电位，采集器测量到的数据并不是极化电位的数据，而是埋地金属结构物与参比电极之间的电位差，即设备电极自然本体电位与埋地金属结构极化电位的叠加值。所以要得到极化电位数据还需经过处理。设参比电极的本体电位值为V1，埋地金属物极化电位值为V2，其等效测量原理如图4-4所示。V电压表V1V2图4-4极化电位和本体电位等效测量原理图4.2.2理论分析在地铁停运的情况下，一般是夜里12点到早5点，由于埋地金属物不受杂散电流极化的影响，此时V2=0，所测参比电极与埋地金属物之间的电位差V3即为参比电极的自然本体电位。在地铁运行期间，若有杂散电流从金属结构流出，埋地金属物的极化电位值V2不为零，此时，V3为埋地金属结构的极化电位与自然本体电位的叠加值，即V3=V2-V1，则结构钢极化电位：V2=V3+V1。从以上可看出，只要分别测得地铁停运时和地铁运行时参比电极与金属结构之间的电位差，就可得出埋地金属结构的极化电位值。4.3轨道电位的测量4.3.1测量原理在地铁杂散电流检测中，所测轨道电位是走行轨对结构钢筋的电位差，测量原理如图4-5所示。轨道排流网接地网电压表V4V3电压表图4-5轨构（轨地）电压测量示意图如图，V4为轨道与排流网间的电位差，即轨道与主体结构间的电位差；V3为轨道与接地网间的电位差，即轨道与大地间的电位差。4.3.2理论分析只有在整个轨道交通正常运行的情况下，轨道上才会有电流流过，此时才会有轨构（地）电压的产生，所以测量必须在地铁正常运行时才能进行测量。由于轨道电位测量的是轨道与混凝土结构钢筋之间的电压，所以当轨道绝缘降低时，轨道电位将会下降，在某处绝缘完全损坏时，轨道电位值为零。所以通过对轨道电位的监测可以了解轨道的绝缘情况。欧洲标准EN50122所规定：轨道与结构钢间的电位差（接触电压）不得超过92V。4.4轨地过渡电阻的测量4.4.1测量原理地铁轨地过渡电阻就是指走行轨道相于对大地的电阻值，它是考虑地铁轨道对地是否绝缘的一个重要参数。在地铁交通系统中，地铁轨地过渡电阻是影响杂散电流泄漏的重要原因，轨地过渡电阻值的升降直接影响着杂散电流产生的大小，轨道泄漏到大地的杂散电流与轨地过渡电阻成反比，所以通过对该值的监测就可以很容易的判断出杂散电流产生的原因与腐蚀状况。图4-6轨道对地电阻分布网络如图4-6所示，地铁直流牵引系统大多采用正极接接触网、以走行轨兼回流线的方式。走行轨与道床之间的绝缘扣件单个绝缘电阻在新安装时可超过810。由于绝缘扣件数量众多，在整个走行区间形成密集分布的过渡电阻。在地铁列车运行时，走行轨中流过几千安培的电流，在走行轨的纵向电阻上形成对地的一个电位分布，构成杂散电流的驱动源。杂散电流从轨道向道床及主体结构钢筋泄漏，并在一定的地方流回走行轨和电源负极，在流出主体结构钢筋和其他金属管线处产生电化学腐蚀。图4-6中所示，其轨道泄漏到大地的杂散电流的关系可用下式表示，即：281LRRIigs（4-1）式中，Rg代表轨地的过渡电阻，Ω·km；R为走行轨的纵向电阻，Ω·km；I为列车取流电流，A；L为两个变电所间的距离，km。由上式我们可知，轨道泄漏到大地的杂散电流is与轨地过渡电阻Rg成反比，与走行轨纵向电阻R成正比，所以，轨地过渡电阻是影响杂散电流的最重要的因素，研究其测量方法是非常有必要的。4.4.2理论分析地铁轨道供电系统示意图如下4-7所示：AVA1V2V3V1g2g3gngnV图4-7地铁轨道供电系统示意图由图可知，地铁轨道对地电位分布曲线为一条直线，即：nVA；根据数学中相似三角形的关系可得：1AVn；1(1,2,3...)kVkVkn（4-2）因为轨道对地的过渡电阻是呈一分布参数来显示的，如果运用欧姆定律不便于计算，所以我们根据结点电压法把分布参数变为集中参数，转换为等效电路来进行计算[25]。根据点位分布曲线，可画出等效电路图，如下图4-8所示。AVwR图4-8等效电路图图中，V—轨地电压平均值，WR—轨地过渡电阻，I—流过轨地过渡电阻的电流值，根据结点电压法，可求得等效电路中的V。其方程式如下：11nkkknkkVgVg（4-3）因为12ngggg，得：1nkkgng（4-4）将式（4-2）和（4-4）代入（4-3）可得：111111111121222nnkkkkknnkkkknnVgkVgVgVAnAnVnngnngg（4-5）求极限得：1limlim22nnAnAVn（4-6）得过渡电阻：2wVARII（4-7）式中，I—电流表的实测值，V—轨地电压平均值，A—负荷端轨道对地电位的实测值。轨地过渡电阻的大小对杂散电流起着重要的作用，减少杂散电流的方法就是增大轨地过渡电阻。然而由于地铁运营过程的特殊性，直接测量是非常困难的。通过以上公式的推导过程，分析了轨道对地时过渡电阻的测试方法，结果是明显的，这就为我们对检测轨地过渡电阻是否准确提供很方便办法。4.5轨道纵向电阻的测量4.5.1测量原理在地铁运行系统中，钢轨是牵引电流的重要回流通路。了解钢轨纵向电阻的大小，对判断钢轨有无裂缝，杂散电流的大小和分布情况有重要的参考价值。根据现场实际情况以及其它不确定因素的影响，如果直接对轨道纵向电阻进行测量可能会比较困难，最常用的方法就是采用伏安法进行检测，其简化电路图如下所示[30]：图4-9轨道纵向电阻测量原理图测量工作必须在停车、无电的情况下进行。但实际上，在停电的情况下，我们是检测不到电流的，可是，为了实际检测，轨道中就必须有电流流过，为了方便起见，我们可在短时间内将试验用直流电源放置在钢轨两侧，从而进行实际测量。如下图4-10测量接线图所示，选取两个毫伏表分别接在同一轨道上（即轨道1）两个10m钢轨处（假设钢轨交叉区），测量其10m轨道两端的电压降AU、BU。UAon,offUBon,off图4-10轨道纵向电阻测量接线图在该电源上串联一个开关和电流表，测量时分别测出电源开断时的电压,AonoffU，用电流表记录测量时流入轨道的电流。根据伏安法，把所测数据带入下面公式，可得出一根钢轨上长度为10m的轨道纵向电阻值，即：10()()AonAoffBonBoffmUUUURI（4-8）式中：I为测试电流（安培，A）；10mR为10m钢轨的纵向电阻（欧姆，）；onU、offU－10m钢轨在有无电流时的压降（伏特，V）。4.5.2理论分析当钢轨电阻较大时，回路电流在其钢轨上流过时所产生的电压也就会相对增大，钢轨对地的电位差也就增大，杂散电流的泄漏量也会增大。所以，设法降低走行轨的电阻值，从而减少杂散电流的泄漏量是很有必要的。轨道电压会随着轨道纵向电阻的增加而增加，杂散电流随着轨道纵向电阻的增加呈现微小幅度的增加。4.6其它检测方法上面介绍的杂散电流相关参数的检测，都是轨道交通系统内的参数，而系统外的诸如一些埋地管线的杂散电流该如何测量，是现在国外研究杂散电流的重点方向，现将这些测试方法列举如下[9]:4.6.1管/地(P/S)电位检测技术管/地电位检测技术就是利用数字万用表与Cu/CuSO4(CSE)能过测试桩测试施加有阴极保护管道的保护电位，通过电位的分