关于城市轨道交通供电系统杂散电流腐蚀防护的浅析

关于城市轨道交通供电系统杂散电流腐蚀防护的浅析

李茜1王龙军2

中铁电气化局集团第一工程有限公司100070

摘要：随着我国社会逐渐完善发展，城市轨道交通的发展为人们日常出行带来方便，考虑到轨道交通使用寿命的延续性，可持续性，很有必要了解在列车通行过程中危害整体结构的杂散电流。通过对杂散电流产生机理进行分析，才能更好的完善相关的防护工作。

关键词：轨道交通；杂散电流；产生机理；

0引言

在城市轨道交通建设过程中，道床与盾构片都是有钢筋混凝土构成的，主要承重体为内部的钢筋结构网，在后期运营过程中车辆与钢轨磨损产生的铁屑粉尘附着在钢轨及道床上，加上长时间钢轨绝缘垫的老化，在钢轨回流过程中，会有部分电荷进入钢筋结构体，加速了钢筋结构网的腐蚀，情况严重的会影响行车安全和人员的生命安全。

1杂散电流概念、产生机理及危害

1.1杂散电流（迷流）腐蚀概念

杂散电流（迷流）腐蚀的概念意义，主要以行走轨为主体，为回流通电电路的直流提供有效地电力系统，但是行走轨并不能处于完全绝缘状态，处于道床构造之中，钢轨也就难以避免向道床或其他有关构造中进行电流泄漏，此电流为杂散电流，也被人们称作地中迷流。杂散电流或杂散迷流针对钢筋结构、金属外壳以及金属管线等，都会导致其转变为电化学腐蚀，从而形成杂散电流腐蚀亦或迷流腐蚀，其原理如图一所示。

图1杂散电流示意图

1.2杂散电流的产生机理

1）对于行走轨与金属管线而言，都属于电子导体的范畴，离子导体在地面之上，在A点与D点电子流出过程中，金属导体与地面就会形成高低电平，其电平为阳极。在C点与F点时电子流入，此时地面与金属导体的界面就会呈现出阴极。

2）下图是两个串联的电解电池分别由A、B、C与D、E、F组合而成。

图2杂散电流腐蚀原理

3）假如杂散电流分别从两个阳极出发，即行走轨A点与金属管线D点同时留出，此时都会受氧化还原影响，失掉电子，从而该位置的金属就会极易受到腐蚀。

4）如若金属铁的被碱性电解质包围时，就会受氧化还原反应影响，值得注意的是，此时为吸氧腐蚀。

阳极呈现出：2Fe2Fe++4e-；阴极反映出：O2+2H2O+4e-4OH-

腐蚀反应：Fe（OH）2→FeO3.2xH2O（红锈）

Fe（OH）2→Fe3O4（黑锈）

1.3杂散电流腐蚀的主要特征与威胁性

1.3.1腐蚀的特征

1）强烈的腐蚀性

通过相关的数据分析，发现金属的腐蚀量可以通过法拉第定律进行表示，即：

例如，众所周知，铁的K为2.89×10-17kg/C，那么1A的直流电流使用期为365天，就可以得出手电解影响的金属损失量，即

根据相关数据报到可知，上海地铁实际的测值均为216～335A。

金属腐蚀主要体现在个别局部的部位。当腐蚀性遇到防腐层时，防腐层会起到阻隔作用，从而导致防腐层出现下沉现象。

1.3.2杂散电流的威胁性

1）可以对走行轨及其附件造成腐蚀性威胁

2）可以对城市轨道中钢筋混凝土金属结构物造成腐蚀性威胁。

3）可以对埋地管线造成腐蚀性威胁。

4）当杂散电流自动通过电气接地设备仪器时，就会造成某设备的损害，影响正常工作的有序进行。

1.4杂散电流的分布情况

1.4.1杂散电流的分布规律

图3等效电路图

图4杂散电流等效分布示意图

1.4.2双边供电杂散电流分布

图5杂散电流分布示意图

图6杂散电流分布函数特性线

1）在牵引变电所中，负极的轨道电位呈现出最大化的负极值，此时杂散电流主要由埋地金属内部流出，其埋地金属的基本结构呈现出阳极，所以此部位受杂散电流的腐蚀效果最为明显。当交通轨道的走行轨为最大化的正极时，杂散电流就会由走行轨内部流出，当行走轨呈现出阳极，埋地金属呈现阴极时，此路段的行走轨就会瘦杂散电流腐蚀的影响，到时情况加剧。

2）由此可得，牵引电流的大小与多少都会对行走轨的电位造成恶劣影响，当牵引电流变大时，行走轨就对提高对电位的要求，从而导致杂散电流的进一步提升。

2.杂散电流防护措施和监测手段

2.1=杂散电流的防护措施

在交通轨道直流牵引供电工程中，回流导体只要应用走行轨，就会生成杂散电流，造成杂散电流腐蚀现象的发生。为了将杂散电流的危害性降到最低，应该适当的冲减杂散电流量。这种做法是最为常见的防杂散电流的基本对策，合理控制杂散电流量，确保杂散电流量在可控范围之内。在防护杂散电流工程建设中，主要以预防为主，减少排流，合理控制排流与防护，做好检测管理，才能确保防护杂散电流工程建设良性发展。

2.1.1源控方法

1）众所周知，杂散电流经验估算基本公式分成单边供电与双边供电，其中单边供电有两种情况，即A情况与B情况。

A情况：

B情况：

C.双边供电：

2）杂散电流防护方法

A.牵引变电所的合理规划

通常情况下，牵引变电所的距离到杂散电流与列车的平方呈正比例规律，由此可见，牵引变电所的距离越大，那么杂散电流就会越大。在供电符合与供电质量等基本条件满足情况下，可以对牵引变电所的数量与位置进行调整与整合，确保牵引变电所分布合理均匀。

B.增强走形轨的地绝缘效果

一般情况下，走行轨的地绝缘效果越强，那么杂散电流值就会越小，影响程度也会有所降低。在城市轨道交通正常运作过程中，杂散电流产生的根本原因就是由于下降的轨地过渡电阻值所造成的。根据我国《地铁杂散电流腐蚀仿佛措施的基本程序》中指出，在新线路建设中走行轨和区间主体构造间的电阻值应该大于15Ω·km，其中运行线路的电阻值应该大于3Ω·km。

2.1.2排流方法

当杂散电流由走行轨或者其他金属管线流出过程中，才会出现腐蚀现象，此时杂散电流流出的位置主要在牵引变电所的周围。假如，牵引变电所使结构钢筋或者金属管线与走行轨的负母排流相结合，杂散电流就可以呈流回现象，直接流到牵引变电所，在一定程度上避免杂散电流有钢筋流入混凝土，降低杂散电流与钢筋接触所产生的化学反应。

排流方法有利也有弊，这种方法只能只用于应急时刻。在牵引变电所的负母排流经过排流柜连接道床钢筋电气之后，之前的负母排流的负电流就会受牵制的影响，使其排流量处于零电位，从而导致牵引变电所之间走行轨的电位呈上升趋势，使牵引变电所转变成阳极，将牵引变电所周围的钢筋腐蚀现象减轻，造成其他周围的钢筋腐蚀现象加剧。

A.设置举措

运用排流方法防护杂散电流腐蚀现象过程中，通常牵引变线索正线内合理设置杂散电流排流柜，其中将排流柜的一边利用电缆直接连接牵引变电所的负极，另一边直接连接收集网，从而减轻杂散电流的腐蚀。排流柜的合理设置对杂散电流防护与金属设备的防腐起到至关重要的作用，可以避免轨道交通杂散电流的泄露发生，有效地保障轨道交通的外部环境。单向导通装置安装在停车场或车辆段可有效的把正线与车场分开，车场内部杂散电缆无法流到正线道床下，减少对结构钢筋的腐蚀作用，从而起到减少杂散电流电化学腐蚀的作用。

B.投运情况

在轨道线路开中安装排流柜，只有在监管道床收集网的电位值超出标准后，才能使排流柜进行投运，这也是工作人员常用的应急方法。

3.杂散电流的监管措施

3.1杂散电流有关监管的工作原理

1)安装参比电极

参比电极一般安装在隧道壁上，以此当做测量监管的电位参数数据。参比电极的选择，应该查考参比电极的稳定性、使用周期长、机械度较强的基本性能。现阶段，在城轨工程建设过程中一般应用于氧化钼参比电极。参比电极通常安装在地下车站的进站与出站信号机道床周围或者隧道内壁。当参比电极的电位产生漂移现象时，应当及时进行调整，才能确保钢筋极化电位的监管数据准确与可靠。参比电极的调整要在列车停止运行期间，没有杂散电流影响，对结构钢筋与参比电极的电位进行电极本体调整与修正。

2)极化电位在结构钢筋的概述

杂散电流腐蚀的情况需要根据结构钢筋极化电位的数值进行合理确认，具相关规定标准，地铁交通钢筋混凝土的结构钢筋极化电位应该以30分中之内的正向偏移的平均值确定，但是此数值不应大于0.5V。

3）道床钢筋极化电位

4）走行轨纵向电阻

5）走行轨对地电位

3.2杂散电流监管方法

1)运用排流柜实施监管

将排流柜装置在牵引变电所内部，此时的数据显示则为回流处信息数据的变化

排流柜安装在牵引变电所内，所采集的数据是回流点处的数据。判断依据主要以回流点处的钢筋极化电位不超过0.5V，还要保证牵引变电所之间的钢筋结构极化的电位值不能超过0.5V。

2）分散式杂散电流监测（图7杂散电流分散式监测示意图）

图7杂散电流分散式审核示意图

3）集中式杂散电流监管（图8杂散电流集中式监测示意图）

图8杂散电流集中式监测示意图

4）分布式杂散电流监测（图9杂散电流分布式监测示意图）

图9杂散电流分布式监测示意图

5）监测系统接入SCADA示意图

4.减少杂散电流腐蚀的工艺标准

4.1针对直流供电的根本标准

1)合理规划牵引变电所位置，控制间距不应该过长。

2)通常情况下，正线牵引网应用运用双边供电的措施。

3)在停车场或者车辆较多的低段应该将牵引变电所设置为独立式，且安装单向导通装置。

1）将均流线设置在车站与区间合适的位置中，确保上行与下行之间的回流轨与上线、下线中的回流轨呈并联状态。

2）将绝缘装置安装在直流开关柜、负极柜等牵引供电设备中。

图10杂散电流上传SCADA系统示意图

4.2针对轨道专业的根本标准

1）钢轨绝缘垫采用新型绝缘材料，降低电荷泄漏量。

2）回流轨的道岔处应该应用绝缘铜芯电缆，起到绝缘的作用效果。

3）电气化轨道和非电气化轨道中间要装置绝缘分段，增强绝缘效果。

4）道床内部均要安装杂散电流的收集网装置。

5）牵引变电所的回流点周围，均要安装道床钢筋收集网。

4.3针对主体结构的根本标准

1）主体结构中的防水层，应该使用防水性与电气绝缘性较强的材料，其中防水层材料的电阻率应该大于108Ω•m范围内。

2）在地铁地下站或者隧道处都要设置排水基础设施。

4.4针对各项电缆、金属管线的根本标准

1）除去必要的牵引供电电缆以及信号轨道电缆以外，有关金属管线均不能与钢轨电气相连。

2）在地铁进车站与出车站之间所使用的金属管线都应该使用绝缘短管。

3）在地铁车站所应用的电气设施的金属管线、外壳都应该使用绝缘装置，从而起到与主体结构绝缘的作用效果。

4.5针对运营管理的根本标准

1）及时清理钢轨及道床上面的铁屑粉尘等杂质，加强对杂散电流的监测。

2）如若在监管的过程中，排流柜电流数据出现异常变大的现象，而且持续过长时间，引起该现象的根本原因是由于回流系统内部发生电气断点或集中泄露所导致的，应该在第一时间进行排查处理。

3）依据监管的数据变化针对走行轨与结构刚健电阻、走行轨与道床钢筋电阻以及金属管线接口处进行监测，才能确保其在正常范围内。

5.结束语

综上所述，本文主要通过对现行轨道交通直流系统杂散电流腐蚀原理的讨论，通过杂散电流防排结合的手段将杂散电流主动引回到直流系统，达到阻止其继续向地铁系统以外的地方泄露的目的。

参考文献：

[1]《地铁设计规范》GB50157-2013

[2]《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》CJJ49-1992

[3]《城市轨道交通直流牵引供电系统》GB/T10411-2005

[4]《地下铁道施工及验收规范（2003版）》GB50299-99

[5]《地铁杂散电流动态概率分布及其腐蚀防护的研究》西南交通大学2016

[6]北京地下铁道的杂散电流腐蚀与防护--城市轨道交通