直流牽引供電系統(tǒng)雜散電流的危害

摘 要：針對目前城市規(guī)模擴大交通擁堵，軌道交通系統(tǒng)日益興起。但隨著軌道交通運營年限的增加，雜散電流的危害日益突出。文章主要分析直流牽引供電系統(tǒng)的組成，討論雜散電流對軌道交通的危害以及電流泄露與電位梯度對雜散電流成因的影響。

關(guān)鍵詞：軌道交通；雜散電流；直流牽引供電系統(tǒng)；危害

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，城市規(guī)模的擴大，城市交通問題也日漸突出。軌道交通以其高效、便捷等優(yōu)點成為各大城市緩解擁堵解決日常出行的首選。當(dāng)前，各個城市都在大興軌道交通，已緩解城市交通的擁堵問題。

城市軌道交通大都采用直流牽引供電系統(tǒng)，列車由接觸網(wǎng)直流供電，電流通過走行軌回到變電所。在這種供電方式中，由接觸網(wǎng)、列車、走行軌形成回路。其中列車作為負(fù)載尤其特殊性，在運行過程中會出現(xiàn)不同的空載、重載、輕載，以及在進站、出站、區(qū)間運行中出現(xiàn)減速、滑行、加速、勻速等不同的運行過程，導(dǎo)致走行軌上回流出現(xiàn)很大差別的電流，存在電壓降。因此，走行軌上會有少量的電流無法回到變電所。

這些因軌道與地面接觸不良而泄露到地下的電流在地下無規(guī)律的流動，有些會回到變電所的負(fù)極，有一部分則不會回到牽引變電所，形成雜散電流，俗稱迷流。在地下流動的過程中，雜散電流會對埋于地下的金屬（管線、鋼筋）造成嚴(yán)重的腐蝕。如果不積極治理，會造成很大的經(jīng)濟損失，導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。因此，研究雜散電流的形成規(guī)律以及特點，積極治理雜散電流，降低其帶來的危害，是城市軌道交通建設(shè)和運營的重大課題。

典型的牽引供電系統(tǒng)如圖1所示，由牽引變電所、接觸網(wǎng)、饋電線、機車、鋼軌、大地、回流線構(gòu)成直流牽引供電系統(tǒng)的供電回路。牽引供電系統(tǒng)的電壓等級為750V、1500V。整個地鐵線路分為若干個供電區(qū)間。由圖1可見，牽引變電所之間由接觸網(wǎng)相連，長度為2km左右，俗稱“供電臂”。供電臂的長度為所在供電區(qū)間長度。牽引變電所是通過接觸網(wǎng)向列車供電的，在理想情況下，各個牽引變電所母線輸出電壓相等，均等于額定牽引電壓值，不出現(xiàn)母線電壓偏差， 牽引變電所為其連接的供電臂供電。變電所之間的供電臂不能過長不能過短，若供電臂過長，則電流在接觸網(wǎng)上的壓降越大，使得供電臂末端的電壓過低造成較大的電能損耗；若供電臂過短，則相同距離所需的變電所數(shù)目增加，導(dǎo)致投資過大。

列車由接觸網(wǎng)取流，電流又經(jīng)走行軌回到牽引變電所。由于鋼軌無法做到對地完全絕緣，所以有一部分電流未經(jīng)走行軌回到牽引變電所，而是經(jīng)由鋼軌流入大地，再由大地回到牽引變電所，這一部分電流就是雜散電流。鋼軌對地絕緣越差，則雜散電流越大。雜散電流受外界環(huán)境影響因素很多，較難確定其具體量。雖然產(chǎn)生雜散電流的原因很多，但可以歸結(jié)出主要兩點：電流泄露和電位梯度。形成雜散電流的主要原因之一是鋼軌無法對地完全絕緣造成電流泄露。另一原因是存在電位梯度。若金屬置于一電位分布不均勻的電場中，其內(nèi)部自由電子會在電場的作用下發(fā)生定向移動，從而造成電子與陽離子的分離，這就是由于存在電位梯度。由電位梯度產(chǎn)生的雜散電流，通常是由于埋設(shè)管線附近埋有施加陰極保護的管線，它會在其周圍空間形成電場，在受干擾管線中感應(yīng)電勢差，從而產(chǎn)生雜散電流。

城市軌道交通系統(tǒng)建設(shè)之初就已經(jīng)認(rèn)識到雜散電流會造成的危害，在設(shè)計和施工過程中采取各種方法加強走行軌與大地的絕緣以防止電流泄露。在軌道交通運行初期，走行軌與大地的絕緣程度高，泄露電流較小，則雜散電流較少。但隨著時間的增加，軌道交通運行年限的增長，絕緣材料的老化，同時受到自然環(huán)境的各種侵蝕，污染等因素的影響。走形軌對地絕緣程度越來越差，從而造成雜散電流的增大。

據(jù)統(tǒng)計，1A的雜散電流可造成33.5kg鉛、16kg銅、9.13kg鐵和3kg鋁的腐蝕。在雜散電流干擾比較嚴(yán)重的區(qū)段，電流可達幾十安培甚至幾百安培。在這種情況下，壁厚8～9mm的鋼管，快則2-3個月就會穿孔，因此，雜散電流造成的腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重。某個區(qū)段中較大的雜散電流，不僅可能使車站、區(qū)間隧道和周邊建筑主體結(jié)構(gòu)中的鋼筋發(fā)生電化學(xué)腐蝕，也會對周邊建筑物整體強度和耐久性大大降低，甚至?xí)霈F(xiàn)開裂、下沉；也可能使地鐵系統(tǒng)內(nèi)的埋地金屬管線和各種城市用公共金屬管道（水、電、油、氣管道等）在自然腐蝕的環(huán)境下又受到電腐蝕的作用，產(chǎn)生很嚴(yán)重的局部腐蝕。因此，如不采取有效的防護措施，不僅會造成經(jīng)濟上的巨大損失，甚至?xí)劤蔀?zāi)難性的事故。由于國內(nèi)采用的直流牽引供電方式，所以雜散電流對各城市軌道交通危害嚴(yán)重，北京地鐵一期出現(xiàn)過主體結(jié)構(gòu)鋼筋嚴(yán)重腐蝕，隧道內(nèi)水管腐蝕穿孔。香港地鐵因雜散電流造成管道腐蝕穿孔，造成煤氣泄漏事故。在國外也存在嚴(yán)重雜散電流腐蝕問題。有因雜散電流造成鋼筋混凝土塌方，有因雜散電流造成水管腐蝕穿孔等事故。由于城市軌道交通工程一旦完工投入運行，隨著運營年限的增加，因雜散電流的腐蝕再對工程進行翻修更換難度巨大且投資較多。因此，研究雜散電流的分布與大小，分析雜散電流腐蝕規(guī)律，研制應(yīng)對防范措施，無疑具有極其重要的現(xiàn)實意義。

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作者簡介：秦亞玲（1981，10-），女，陜西省吳堡縣，本科，講師，研究方向：電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)及城市軌道交通供電系統(tǒng)。