1. 急求雜散電流機理
淺談雜散電流腐蝕機理及防護措施公文易文秘資源網 許建國 2008-12-24
摘 要 詳細闡述了地鐵雜散電流的形成機理及主要的防護措施摘 要 詳細闡述了地鐵雜散電流的形成機理及主要的防護措施。
關鍵詞 雜散電流;腐蝕;直流供電;輕軌交通
地鐵或輕軌一般採用直流電力牽引的供電方式,一般接觸網(或第三軌)為正極,而走行軌兼作負迴流線。由於迴流線軌存在著電氣阻抗,牽引電流在迴流軌中產生壓降,並且迴流軌對地存在著電位差,迴流線對道床、周圍土壤介質、地下建築物、埋設管線存在著一定的泄漏電流,泄漏電流沿地下建築物、埋設管線等介質至負回饋點附近重新歸入鋼軌,此泄漏電流即稱迷流,又稱地鐵雜散電流。地鐵迷流主要是對地鐵周圍的埋地金屬管道、電纜金屬鎧裝外皮以及車站和區間隧道主體結構中的鋼筋發生電化學腐蝕,它不僅能縮短金屬管線的使用壽命,而且還會降低地鐵鋼筋混凝土主體結構的強度和耐久御伍猛性,甚至釀成災難性的事故。如煤氣管道的腐蝕穿孔造成煤氣泄漏、隧道內水管腐蝕穿孔而被迫更換等。另外,地鐵迷流同時也對地鐵沿線城市公用管線和結構鋼筋產生「雜散電流腐蝕」,影響地鐵以外沿線公共設施鎮橋的安全及壽命。本文結合我公司參與的多條地鐵線施工和運營維護管理的經驗,針對雜散電流腐蝕機理及防護措施方面淺談管見。
1 雜散電流腐蝕機理
1.1 雜散電流腐蝕機理
地鐵迷流對埋地金屬管線和混凝土主體結構中鋼筋的腐蝕在本質上是電化學腐蝕,屬於局部腐蝕,其原理與鋼鐵在大氣條件下或在水溶液及土壤電解質中發生的自然腐蝕一樣,都是具有陽極過程和陰極過程的氧化還原反應。即電極電位較低的金屬鐵失去電子被氧化而變成金屬離子,同時金屬周圍介質中電極電位較高的去極化劑,如金屬離子或非金屬離子得到電子被還原。地鐵直流牽引供電方式形成的迷流及其腐蝕部位如圖1所示。圖中,I為牽引電流,Ix、Iy分別為走行軌迴流和泄漏的迷流。
由圖1可得地鐵迷流所經過的路徑可概括為兩個串聯的腐蝕電池,即
電池I:A鋼軌(陽極區)+B道床、土壤+C金屬管線(陰極區);
電池II:D金屬管線(陽極區)+E土壤、道床+F鋼軌(陰極區)。
當地鐵迷流由圖1中A、D(陽極區)的鋼軌和金屬管線部位流出時,該部位的金屬鐵便與其周圍電解質發生陽極過程的電解作用,此處的金屬隨即遭到腐蝕。概括起來可將發生腐蝕的氧化還原反應分為兩種:當金屬鐵周圍的介質是酸性電解質,即pH<7時,發生的氧化還原反應是析氫腐蝕,以H+為去極化劑;當金屬鐵周圍的介質是鹼性電解質,即pH≥7時,發生的氧化橘旁還原反應是吸氧腐蝕,以O2為去極化劑。
1.2 雜散電流大小
當鋼軌為懸浮系統時(指全線鋼軌採取對地絕緣,在任何地點不直接接地或通過其它裝置接地),雖然鋼軌對地採取了一系列措施,但鋼軌對地泄漏電阻在工程實施中不可能無限大,一般在5~100Ω·km范圍內。同時隨著地鐵運營時間的推移,由於受到不可避免的污染、潮濕、滲水、漏水和高地應力作用等影響,使地鐵車站以及區間隧道中的軌、地絕緣性能降低或先期防護措施失效,勢必增大了由走行軌泄漏到土壤介質中的雜散電流。當列車在兩牽引變電所間運行時,鋼軌電位如圖2所示,列車位置處為陽極區,鋼軌電位為正,牽引變電所附近為陰極區,鋼軌電位為負。鋼軌電位產生的原因是牽引迴流在鋼軌上產生了縱向電壓。研究表明,鋼軌電位的大小與鋼軌泄漏電阻的關系不大,當鋼軌對地泄漏電阻在5~100Ω·km范圍內變化時,受從牽引變電所至列車位置處的鋼軌縱向電壓鉗制,鋼軌對地電位基本不變。雜散電流的大小,就是圖2中的陰影區段從鋼軌泄漏至地下電流密度的積分,即
2 雜散電流防護措施
從公式(1)中可得出雜散電流的總量基本上只與全線鋼軌正電位及鋼軌對地泄漏電阻有關,因此降低鋼軌電位及增大鋼軌泄漏電阻是防護雜散電流的基礎;為雜散電流提供至牽引變電所負極的暢通金屬通路,盡量減少雜散電流流出金屬構件的電流密度,阻止雜散電流對其腐蝕,是防護雜散電流的重要措施。
防護雜散電流一般採取「以防為主,以排為輔,防排結合,加強監測」的綜合防護措施,即(1)防:減少迴流軌縱向電阻,降低鋼軌電位和提高迴流軌對地過渡電阻,確保暢通的牽引迴流系統,隔離和控制所有的雜散電流泄漏途徑,減少雜散電流進入地鐵的主體結構、設備及相關的設施;(2)排:在迴流軌的整體道床中設置雜散電流收集網,通過雜散電流的收集和排流系統,提供雜散電流返回至變電所負極的金屬通路,以減少雜散電流向外泄漏。(3)測:監視和測量雜散電流的大小,為運營維護提供依據,設計完備的雜散電流檢測系統。限於篇幅有限,本文結合「防」和「排」兩方面內容綜合闡述防護雜散電流措施。
2.1降低鋼軌電位方案或確保暢通的牽引迴流系統措施
在列車運行密度和列車取流一定的情況下,鋼軌電位由供電區間迴流通路的電阻定。減小迴流通路電阻的主要措施是減小牽引變電所間距,保證迴流通路暢通,增設輔助迴流線,減小牽引迴流通路電阻,運營中正線牽引網盡量採用「雙邊」供電等。
在滿足供電負荷、供電質量及工程投資控制要求前提下,可適當調整變電所數量和設置位置,盡量使牽引變電所布置均勻。
減少以鋼軌縱向電阻為主的迴流系統電阻的措施包括正線鋼軌採用重軌,且焊接為無縫長鋼軌,若短鋼軌間採用螺栓連接,則兩根鋼軌之間必須加焊一根銅電纜,迴流電纜應與鋼軌可靠焊接,迴流電纜根數留有一定裕量;走行軌間設均流線,平衡上、下行鋼軌電流,降低走行軌電位;道岔與轍岔的連接部位通過銅連接引線可靠焊接。
對於車輛段和停車場,根據實際工程條件,通過設置多個迴流點,使牽引電流就近迴流,減小迴流通路電阻,控制產生雜散電流總量。
2.2 增大鋼軌泄漏電阻措施
鋼軌泄漏電阻的大小與雜散電流成反比,可把保證鋼軌有較高泄漏電阻作為軌道交通防護雜散電流根本的措施。
鋼軌泄漏電阻主要由下述兩方面因素確定:一是鋼軌絕緣安裝點的絕緣電阻,二是鋼軌與道床表面的空隙距離及道床環境條件。當然泄漏電阻也受與鋼軌連接電纜絕緣情況、電化區段與非電化區段鋼軌隔離效果等影響。
鋼軌絕緣安裝一般是通過在鋼軌與道床間設絕緣墊,緊固螺栓通過絕緣套管安裝在道床上等措施實現的,並且鋼軌底部與道床之間間隙不得小於《地鐵雜散電流防護規程》中的規定。
由於粉塵、潮濕、油污、風沙雨雪(高架和地面區段)等影響,會降低泄漏電阻,使雜散電流增加。因此道床設計中應設計良好的排水方案,運營中應定期打掃,保持道床的清潔,以避免鋼軌泄漏電阻降低。
另外與軌道專業配合,設計受外界污染影響少、絕緣水平較高的絕緣安裝措施,如在安裝點鋼軌帶絕緣靴套的絕緣安裝方案,或整體帶玻璃鋼(或其他絕緣材料)襯套軌枕的絕緣性能好,便於運營清掃的絕緣安裝措施等。
2.3 雜散電流的流通路徑控制措施
雜散電流對金屬結構的腐蝕主要有4個方面:即鋼軌、道床結構鋼筋、隧道結構鋼筋、地網及地鐵外部其他公共設施。雜散電流首先從鋼軌泄漏至道床結構,再從道床結構向其他結構如隧道、車站結構泄漏。
利用整體道床內結構鋼筋的縱向聯通形成電氣連續的雜散電流主收集網,為雜散電流提供第一個電氣通路,雜散電流沿此通路流向牽引變電所方向,流出收集網後至鋼軌,可減少雜散電流由道床向其它結構的泄漏量。
另外在工程條件許可情況下,地下區段道床與隧道(或其他結構間)設置素混凝土層,以增大道床與其他結構間泄漏電阻,減少雜散電流向其他結構泄漏量。
在迴流軌下方穿越的金屬管線也要進行絕緣處理,避免雜散電流經此泄漏至其他結構。
主收集網不可能收集所有的雜散電流,其它少量雜散電流繼續泄漏至隧道或其他結構,利用隧道鋼筋(內襯牆鋼筋)縱向聯通形成電氣通路,則成為雜散電流遇到的第二個電氣暢通通路(即輔助收集網),並沿此通路至牽引變電所方向,在牽引變電所區域(陰極區)流回至道床鋼筋,並流回至鋼軌,減少雜散電流向地鐵以外泄漏。
由外界引入地鐵內或由地鐵內引出至地鐵外的金屬管線均應進行絕緣處理後,方可引入或引出,避免雜散電流經此向地鐵外泄漏。
2.4 結構鋼筋腐蝕防護措施
金屬構件電化學腐蝕防護是控制金屬體流出至電介質的電流密度在防護范圍之內。主要措施是減少進入金屬體的雜散電流量;為金屬體提供至電源負極的金屬通路,減少雜散電流流出金屬表面的電流密度;確定合理的道床、隧道收集網(結構鋼筋)表面積,控制雜散電流流出至電介質的密度。
p; 地鐵雜散電流防腐蝕對結構鋼筋的保護是分層次的,其重要性對地鐵結構設施而言,其順序是隧道鋼筋、道床鋼筋和鋼軌。鋼軌是可更換設備,道床鋼筋從結構上講可重修,而隧道鋼筋應避免修復。從地鐵結構層次上講,利用腐蝕鈍化原理防腐蝕的重點在道床收集網,隧道收集網是作為後備收集網而起作用。因為盡管靠近鋼軌的道床收集網的截面積相對隧道收集網要小,在所收集的雜散電流較多而其截面較小的情況下,若能控制道床鋼筋處於腐蝕鈍化狀態,則下層隧道收集網肯定也處於腐蝕鈍化狀態。即只要道床收集網達到了腐蝕防護要求,下層其他結構設施肯定也沒有被雜散電流腐蝕的危險。
利用道床結構鋼筋作為收集網的目的:一是減少雜散電流繼續向下擴散至隧道、車站和大地等結構的數量;二是由於道床鋼筋本身有一定的截面,從而使雜散電流密度較小,而使自身處於腐蝕的鈍化狀態。因為道床結構鋼筋是雜散電流從鋼軌上泄漏後遇到的第一道電阻較小的暢通電氣通路,可將雜散電流盡量限制在本系統內部,可防止雜散電流繼續向本系統以外泄漏。若將道床鋼筋縱向焊接及連接形成一層縱向電氣通路,並得到經計算確定的截面,使得自道床鋼筋流出的電流密度控制在腐蝕鈍化狀態范圍內時,盡管有一定數量雜散電流流出鋼筋,但卻不會使道床結構鋼筋受到腐蝕。
同樣的原理,通過對隧道結構鋼筋進行焊接及連接形成縱向電氣連續通路後,對於從道床鋼筋中繼續泄漏的雜散電流起到二次收集作用,由於隧道結構鋼筋截面更宜做大,從而使其更宜達到腐蝕鈍化狀態。
2.5 排流櫃設置方案
只有當雜散電流從鋼筋流出時才對鋼筋產生腐蝕,而雜散電流流出的區域集中在陰極區(即在牽引變電所附近),若在牽引變電所處將結構鋼筋或其他可能受到雜散電流腐蝕的金屬結構與鋼軌或牽引變電所負母排相連,由於雜散電流總是走電阻最小的通路,而直接流至牽引變電所,從而在陽極區范圍內大大減小了雜散電流從鋼筋再擴散至混凝土的可能,減少了雜散電流流出鋼筋導致的電化學反應,該方法稱為排流法。
排流法一般有將金屬結構與鋼軌直接在牽引變電所附近相連的直接排流法、加二極體的單向導通排流、加直流電源的強制排流等。但排流法存在如下缺點:當採用排流法時鋼軌系統稱之為接地系統,當有電流從鋼筋沿排流電纜(經二極體)流至負母排時,原來負母排的負電位變為接近零電位,因鋼軌縱向電壓的鉗製作用使得兩牽引變電所間鋼軌的最高對地電位增加了一倍,兩牽引變電所間幾乎成為陽極區,簡單看雜散電流總量增加了近4倍。由於雜散電流的總量增加太多,除牽引變電所附近鋼筋腐蝕減少外,在區間的鋼軌腐蝕將上升。所以說排流法是一把雙刃劍,既有其有利的一面,也有其不利的一面。
2.6 盾構區間防護雜散電流方案
盾構法區間隧道迷流設計原理是指將管片內鋼筋全部電氣聯通,並通過鐵墊圈將電氣連接點良好引出。以後在隧道管片的拼裝中通過鐵螺栓和螺母將各隧道管片中鋼筋全部電氣聯通,形成一個等電位的法拉第網,對地鐵雜散電流進行電氣屏蔽,以防止地鐵雜散電流向外泄露和對地鐵基礎結構的腐蝕。但在實際施工過程中,混凝土灌漿於各螺栓之間,僅靠螺栓、螺母的機械連接實現電氣上的完全導通連接是很難的,與管片採用絕緣隔離措施相比,反而更加大了雜散電流對盾構管片內部結構鋼筋的腐蝕風險。
2.7 高架區段防護雜散電流方案
區間高架橋梁一般採用簡支梁,橋梁與橋墩間有橡膠支座,起到了電氣上的絕緣,表面上可避免雜散電流擴散,但若在個別區段採用其他橋梁結構,梁墩間沒有絕緣支座,或高架車站採用「橋建合一」的結構,就必然形成某「點」的集中接地,成為防護雜散電流的薄弱環節。因此,高架區間要採用梁墩間設置橡膠支座的橋梁結構,且高架車站盡量採用「橋建分離」的結構型式。
2.8 車輛段及停車場雜散電流防護措施
車輛段和停車場均位於地面,經過出入線與正線連接。車輛段內線路主要包括停車列檢庫、月檢庫線路和庫外線路。庫外線路採用碎石道床,無法設置雜散電流收集網,檢修庫內線路較庫外線路防護條件更差,加上車輛段建築較多,並設有維修基地、生活及工作設備、各類管線較多,運營環境特殊,相對正線來講,車輛段和停車場是防護雜散電流的薄弱環節。
但車輛段和停車場內車速較低,牽引電流較小,雜散電流泄漏水平較低,基於此特點,車輛段和停車場的防護雜散電流措施一般應從鋼軌迴流及降低鋼軌電位考慮,一般採取措施如下:
(1)降低車輛段(停車場)雜散電流主要泄漏總量措施
車輛段(停車場)與正線間設置絕緣軌縫及單向導通裝置,限制正線區段鋼軌電流通過車輛段(停車場)內的鋼軌迴流,可降低車輛段(停車場)內部雜散電流泄漏水平;檢修庫、停車庫內外線路間設置絕緣軌縫及單向導通裝置,限制鋼軌電流通過庫內鋼軌泄漏。
(2)就近迴流措施
車輛段(停車場)范圍較小、線路密集,根據實際工程條件,通過設置多個迴流點,使牽引電流就近迴流,可起到限制鋼軌電流泄漏。
(3)均勻電流、降低鋼軌電位的措施
根據車輛段(停車場)內線路密集的特點,可通過均流電纜的適當設置,使鋼軌電流均勻分布,達到限制鋼軌電流泄漏和降低鋼軌電位的作用。
2.9雜散電流的日常維護
地鐵運營後,每月應定期對全線軌道線路清掃,保持線路清潔乾燥。如果全線鋼軌泄漏阻抗普遍降低,簡單清掃或維護不能解決問題,則應開啟牽引變電所的排流櫃,使雜散電流收集網與牽引變電所負極櫃單向聯通,避免結構鋼筋受迷流腐蝕。
如果綜合測試系統監測到排流櫃電流出現異常增大,且持續時間較長,則是迴流系統出現電氣導通「斷點」或「集中泄漏區段」所引起,應及時檢查相應區段迴流系統,將「斷點」處連接至設計要求標准,或對「集中泄漏點」進行恢復處理,檢查鋼軌是否為積水、灰塵污染或鋼軌安裝絕緣設備損壞引起,並及時清掃或對絕緣設備進行維護。
3 結束語
隨著我國城市地鐵或輕軌交通快速發展,人們越來越重視地鐵防護雜散電流,需要指出的是地鐵防護雜散電流是個系統工程,需要多個專業在設計、施工和運營共同配合,一方面加強各自專業防護措施,一方面探索更加積極地預防方案。
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2. 雜散電流與電爆網路全電阻檢測的區別
雜散電流和電爆網路全電阻檢測都是針對電力系統中的故障檢測和診斷的技術手段,但是它們的原理和應用有所不悔攜同。
雜散電流指的是電力系統中一些非正常的電流,包括由於絕緣破損、設備老化、接觸不良等原改前氏因引起的漏電流、地電流、感應電流等。雜散電流檢測主要通過監測電力系統中的漏電流、地電流等來發現故障點,定位故障位置。它主要適用於高壓電力系統,如變電站、配電室等。
而電爆網路全電阻檢測則是一種新型的故障檢測技術,它是基於電爆現象研究的一種非接觸式電力核散設備故障檢測技術。電爆現象是指在高壓電力系統中,由於設備局部絕緣失效或者其他原因,導致電荷積累,當電荷積累到一定程度時,會引起局部放電或者擊穿,進而產生爆炸或者弧光等現象。電爆網路全電阻檢測主要通過檢測電爆網路中的電阻值變化來判斷設備是否存在故障,可以快速、准確地定位故障點,適用於高壓電力設備的在線監測和故障診斷。
接地電阻測試儀的測量方法
1、接線。將一副(二組)測試線,紅線組中粗、細測量棒一端分別插入測試儀「A」、「a」測量端上(粗線對「A」 ,細線對「a」)
;黑線組中粗、細測量棒一端分別插入測量儀「B」、「b」測量端上(粗線對「B」,細線對「b」),測量線另一端的夾子分別接被測設備保護可觸及的金屬殼體和接地端。
註:有的用戶將電源線插頭上接地端代替被測物接地端,這樣給測量帶來誤差,會增加引線電阻引起的測量值。當大電流流過接地線,接地線會發熱,所以所測量時間不宜過長。
2、測試步驟。
a.單次測試。
按一下接地電阻測試儀的「啟動」按鈕,「測量」指示燈亮。調節面板上的「電流調節」旋鈕,至所需測試電流值。此時時間窗口顯示剩餘測試時間。如被測物合格,測試時間一到,儀器會發出「嘟」一聲後,且「合格」指示燈亮,電阻顯示窗口示值即為被測物的接地電阻值;當測量電阻值大於報警設定值時,「報警」指示燈亮,待測試時間一到,儀器停止工作,並發出聲報警,則判被測物為不合格品。然後按一下「復位」鍵,儀器退出測量狀態,回到初始狀態,「測量」指示燈滅。
b.連續測試。
當時間顯示窗口顯示為「0」時,按一下「啟動」按鈕,就能連續對被測物進行測試,不必再按動「啟動」按鈕。測量中結果判斷為實時顯示值。
在測試儀過程中,當接地電阻測量值超出測量范圍時,接地電阻顯示窗口顯示「――――」,如果被測物上沒有電流,則認為不構成迴路,接地電阻值無窮大,儀器顯示「――――」。
使用接地電阻測試儀時還需注意,當測試電流小於 1A 時, 「欠流」指示燈亮;當測試電流大於 30A
時,儀器自動切斷電流,停止測試,並且「過流」指示燈亮,接地電阻顯示窗口顯示「――――」。
4. 雜散電流的干擾判斷
直流雜散電流干擾的判別方法有外觀判別法和電氣判別法。
(1)外觀判斷法
對埋地管道來說,如果受到直流雜散電流的腐蝕,其外觀是:孔蝕傾向大,創面光茄盯滑、邊緣比較整齊,有時有金屬光澤,腐蝕產物似炭黑色粉末,無分層現象,有水存在且腐蝕激烈時,可以明顯觀察到電解過程。但是在土壤電阻率大於10000 的情況下,一般很難發生雜散電流腐蝕。
相比而言,自然腐蝕的外觀特徵是:腐蝕產物為黑色或黃色,銹層比較鬆弛,孔蝕傾向小,創面不光滑,邊緣不整齊,清除腐蝕產物後表面粗糙。
(2)電氣判斷法
由於雜散電流難以直接測量,所以對於管道是否受到雜散電流影響,目前通常是按管地電位較自然電位正向偏移值來判斷,如段信果管地電顫燃和位較自然電位正向偏移值難以測量時,可採用土壤電位梯度來判定雜散電流強弱程度。根據我國石油行業標准《埋地鋼制管道直流排流保護技術標准》(SY/T 0017-2006)規定:當管道任意點上的管地電位較自然電位正向偏移20mV或管道附近的土壤電位梯度大於0.5mV/m時,則認為有直流雜散電流干擾;當管道任意點上的管地電位較自然電位正向偏移100mV或管道附近的土壤電位梯度大於2.5mV/m時,應及時採取防護措施。歐盟標准EN50162規定可以使用管地電位較自然電位偏移值、管地電位波動、管道附近的土壤電位梯度和管道中的電流值四種方法判斷是否存在雜散電流干擾。
表1 我國直流干擾程度判斷標准 管地電位正向偏移值(mV) 直流干擾程度 <20 弱 20~200 中 ﹥200 強 表2 我國雜散電流強弱判斷標准 土壤電位梯度
(mV/m) 雜散電流強弱程度 ﹤0.5 弱 0.5~5 中 ﹥5 強 交流雜散電流干擾判斷:在《埋地鋼制管道交流排流保護技術標准》SY/T 0032-2000中根據土壤酸鹼性來確定排流效果的指標:在弱鹼性條件下,交流干擾電壓應≤10V;在中性條件下,交流干擾電壓≤8V;在酸性條件性,交流干擾電壓≤6V。而國外則是從人身安全和管道腐蝕角度進行評價,歐洲標准CEN/TS 15280使用交流電流密度、交直流電流密度比等作為評價標准
5. 煤礦井下鋼軌產生的雜散電流及雜散電壓如何測試
礦用雜散電流測定儀GDMSC是一種靈敏度高,多量程保護電路的攜帶型整流儀表。其特點是:測量范圍廣,共有二十個量程,能分別測量交直流雜散電壓和雜散電流,本身不需要電源,安全可靠。適宜虧清測棚空虧試煤礦井下鋼軌、水管、電纜等產生的電流及電壓,預防雜散電流放電引鏈神起的電火花或電雷管早爆及其它燃爆事故,使礦內火源降至最低限度。
6. 誰有犧牲陽極的陰保系統,檢測數據分析標准分析方法 可以分析出什麼結論
陰保電位檢測,一個點是測試樁上的管道零位線接線柱,另一個點是攜帶型參比電極。
管道零位線位置是不變的。因此,影響電位測量數據的原裂啟因與攜帶型參比電極在地表放置的位置有關。(如果你的測量方法是正確的)
在存在雜散電流干擾的地段,地表存在嘩源汪土壤電位梯度,因此,攜帶型參比電極放置位置不同,測量結果會不同。
可以通過測量地表土壤電位梯度,確認是否是雜散電流干擾導致的測量誤差。
誰有犧牲陽極的陰保系統,檢測數據分析標准?分析方法? 可以亂仔分析出什麼結論?
感覺提問主意不是很清晰
7. 管道雜散電流檢測的標準是什麼
標準是用來執行的,雜散電流檢測不需要標准,純漏桐只需要根據檢測出來的情況進做坦行評估,判斷是金屬管道的危害。所以需要的搜猜不是檢測標准,而是檢測設備使用說明書+具體行業的評估標准。