地铁杂散电流腐蚀问题解决方案研究

地铁杂散电流腐蚀问题解决方案研究

刘 跃 王美媛

贵阳市城市轨道交通集团有限公司 贵州贵阳 550000

摘要：阐述地铁杂散电流的产生及对金属腐蚀的原理，并对传统杂散电流防护措施进行列举，从杂散电流产生的原因着手，分析得出解决杂散电流腐蚀的根本在于解决走行轨不兼牵引电流回流功能，参考跨坐式单轨交通牵引供电系统的回流方案，提出另行设置牵引电流回流轨的技术方案，为彻底解决杂散电流腐蚀问题提供方案参考。

关键词：地铁；杂散电流；走行轨；单向导通装置

引言

地铁直流牵引供电系统在理想运行状态下，假设钢轨对地完全绝缘安装，列车受电弓从接触网获取牵引电流，流经列车后，由走行轨回流至牵引供电系统负极母线。实际上，钢轨与道床结构之间无法做到绝对绝缘，牵引电流不会全部通过钢轨流回牵引变电所直流负极母线，部分电流将泄露到道床或隧道等结构，该部分电流即为杂散电流（俗称迷流）。杂散电流存在诸如干扰通信系统、引发保护装置误动作等危害，还会对地铁自身结构及沿线金属管线造成腐蚀。国内就曾出现过水管被杂散电流迅速蚀穿，石油、燃气管道被腐蚀引起管道泄漏等事故。彻底解决杂散电流腐蚀问题是地铁项目始终存在的一个工程难题。

1 杂散电流对金属的腐蚀机理

杂散电流的腐蚀实质上是电化学腐蚀，电位较低的金属失去电子被氧化变成金属离子，介质中电位较高的金属离子或非金属离子得到电子被还原。

图1 地铁牵引供电系统产生的杂散电流腐蚀原理

双边供电方式下，钢轨和金属管线为电子导体，土壤介质为离子导体，在图中a、c、e点电流流出形成阳极，电流流进b、d、f点形成阴极，从而形成ab、cd、ef三对电解电池。

电池ab：阳极（钢轨a）-道床及土壤-阴极（管线b）；

电池cd：阳极（管线c）-道床及土壤-阴极（钢轨d）；

电池ef：阳极（管线e）-道床及土壤-阴极（钢轨f）。

杂散电流流入腐蚀区域中的金属管网、结构钢筋，再流出的过程就对金属管网、结构钢筋等金属产生了腐蚀作用。钢轨a、金属管线c和e发生失去电子的氧化反应造成腐蚀。

2 传统杂散电流腐蚀防护

以堵为主，依据影响杂散电流的因素针对性采取防护措施，减少泄露；以排为辅，设置通畅的排流路径，并设置监测系统对杂散电流进行实时监测，为运营维护提供依据。

2.1 以堵为主

杂散电流的大小与牵引变电所的间距、牵引电流、钢轨纵向及对地电阻，以及道床混凝土和土壤的电阻率有关。依据以上因素针对性采取防护措施：减小牵引电流，合理设置牵引变电所的距离且接触网采用双边供电方式；减小钢轨电阻，可采取选择重型钢轨，并联上下行钢轨等。增大钢轨对地绝缘，钢轨采用绝缘安装，尽量采用绝缘扣件，做好工程排水，防止钢轨及道床污染等。

2.2 以排为辅

铺轨时设置排流网，并通过排流柜与牵引整流系统负极母排相连，为杂散电流增加电流通道，减少对线路沿线金属管线的腐蚀。当排流柜工作时，钢轨电位升高，乘客上下车时存在跨步电压触电的隐患，须配合钢轨限位装置将钢轨电位限值在安全电压以内，确保人身安全。

在地铁运营过程中，当杂散电流大小满足相关规范要求的限值，一般都不会将排流柜投入运行，否则会加重杂散电流腐蚀地铁系统内部钢轨及结构钢筋。

2.3 单向导通装置

为了缩小杂散电流影响的范围，在某些特殊地段，诸如车辆段/停车场等，钢轨对地过渡电阻较小，牵引电流会沿着钢轨泄漏至大地，造成严重的杂散电流泄漏。解决方案为在正线与以上特殊地段通过设置绝缘接头将钢轨隔开，并设置单向导通装置并联于绝缘接头的两端钢轨，限制钢轨电流往向某个方向单向流动。

图2 单向导通装置设置地段举例

3 独立设置牵引电流回流轨方案研究

传统的解决方案只能一定程度降低杂散电流的影响，无法根本解决问题。通过对地铁走行轨回流的牵引系统和重庆跨坐式单轨交通牵引回流系统的对比研究后发现，杂散电流产生的根本原因是采用走行轨兼作牵引电流的回流通路，而以现有的铺轨施工工艺条件下，无法达到钢轨对地绝对绝缘安装，且隧道内潮湿的环境、列车运行过程中对道床的污染等均会降低钢轨对地绝缘，加重杂散电流泄露。

参照跨坐式单轨的回流方式，取消地铁走行轨的回流功能，在线路轨旁增设独立的牵引电流回流轨，可从根源彻从解决牵引电流泄露问题，杜绝杂散电流产生。

3.1 技术可行性分析

地铁列车牵引采用受流器从第三轨获取牵引电流的方式已在全国范围的地铁线路广泛应用，技术方案成熟，设置对地绝缘安装的独立的回流轨，可完全参照第三轨的设计及施工方案实施，列车向回流轨的馈电装置亦可参照列车受流器方案，不存在技术难题。

3.2 工程效益分析

钢轨不再兼回流轨，可彻底解决杂散电流腐蚀问题，有效降低工程实施难度及运营维护工作量：

(1)取消设置排流网及杂散电流相关设备。不再存在泄露电流，可直接取消排流网、排流柜、杂散电流检测等设备。

(2)取消设置钢轨限位装置。钢轨与大地等电位，钢轨电位造成的影响不再存在，上下行轨道均流电缆也可直接取消。

(3)取消站台门对地绝缘带。车体与大地等电位，乘客乘车不会发生跨步电压触电事故，站台门可直接对地安装，取消设置绝缘带，且不再需要将站台门与钢轨进行等电位连接。

4 结语

传统的地铁杂散电流腐蚀解决方案能在一定程度减小杂散电流的影响，却无法根本上解决杂散电流腐蚀这一工程技术难题。从杂散电流产生的原因着手，分析得出解决杂散电流腐蚀的根本问题在于解决走行轨不兼作牵引回流功能，并参照跨坐式单轨牵引供电系统的回流方案，提出单独设置牵引电流回流轨的技术方案，可以根除杂散电流的问题，有效降低工程实施难度及运营维护工作量。

参考文献：

1. 贺威俊，高仕斌等，轨道交通牵引供变电技术.成都西南交通大学出版社，2012.

2. 《地铁设计规范》（GB50157-2013）.中国建筑工业出版社，2014.

3. 跨坐式单轨交通直流牵引系统接地保护设计，《都市快轨交通》第21卷，周才发，2012.

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