軌道交通雜散電流的綜合防護措施及關鍵技術研究

戴麗君，成明華，楊立新，張喜海

（1.南京鐵道職業技術學院，江蘇 南京 210031；2.中國鐵路上海局集團有限公司徐州供電段，江蘇 徐州 221010；3.中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308）

0 引言

軌道交通的發展與地下密布的市政管網之間的干擾和影響越來越多，以致軌道交通列車牽引時所產生的雜散電流被市政部門稱為一種“公害”。軌道交通牽引供電系統中，應該加強對軌道交通和市政管網的統一規劃，深入研究雜散電流防護技術，不斷研制有效的防護設備，同時還要加大對各部門的協調力度，對雜散電流問題進行綜合治理。軌道交通雜散電流對管道直流干擾的研究，國外從1888 年便開始研究，已有百年的研究歷史。他們對因電流方向改變的頻率變化的腐蝕影響進行研究，結果發現隨頻率增加，電極的腐蝕率下降。國內研究軌道交通雜散電流干擾腐蝕的時間較短，1985年，利用高抗干擾性的恒電位儀和鉗位式排流等手段來克服京秦鐵路電氣化對管道的干擾影響，并取得顯著成果[1]。

1 軌道交通雜散電流形成

1.1 雜散電流形成過程

牽引變電所通過饋電線與接觸網相連，把電能輸送到接觸網上然后經由受電弓傳送給電力機車，并驅動機車運行，在電力機車運行時車輪與鋼軌接觸，大部分的回流電從鋼軌回到牽引變電所。但是大地中會存在各種導電離子，大地與鐵軌之間就會形成微導通狀態，大約5%的電流會因為絕緣不良，直接泄露到大地并且流回牽引變電所，即為雜散電流。雜散電流具體形成過程如下圖1。其中I1，I2是牽引負荷電流，I3，I4是流回到牽引變電所軌回流，I5，I6是泄漏到大地或結構鋼筋等金屬管線的雜散電流[2]。

圖1 雜散電流形成原理圖

1.2 雜散電流大小

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5-100 Ω·km范圍內變化時，由于受到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[3]。其雜散電流的大小為從鋼軌泄漏至地下電流密度的積分，即：

式（1）中，IS流入地下的雜散電流；VR鋼軌正電位；RT泄漏電阻；RR鋼軌電阻；IR鋼軌回流電流。

2 雜散電流腐蝕機理和危

2.1 雜散電流的腐蝕原理

泄露到大地中的電流流回牽引變電所的時候，從鋼筋混凝土等建筑物流出時會造成建筑物的類似于電解腐蝕。雜散電流在金屬中構成一個腐蝕電池，電流流入部位為負極，電流流出部位為正極。在正極和負極將發生陽極反應和陰極反應，在土壤中結合成腐蝕產物Fe(OH)2，繼續氧化成鐵銹成分，從而造成管道腐蝕。

2.2 雜散電流的腐蝕危害

從雜散電流路徑可知，有一部分的雜散電流是通過埋設于地下的管道、鋼筋等金屬結構到達牽引變電所。金屬中的陽極發生電化學腐蝕（以金屬鐵為例），其體積可膨脹2-4倍，進而使混凝土內部形成拉應力。隨著腐蝕反應的不斷進行，鐵銹量不斷增加，對周圍的擠壓力也不斷增加。當由鐵銹產生的拉應力強度超過抗拉強度時混凝土會沿鋼筋方向開裂。雜散電流會對許多物體造成損害，主要有對走行軌及其附件的腐蝕，對混凝土結構的破壞，對地下金屬的腐蝕和毀壞排流設施等其他危害[4]。

3 軌道交通雜散電流的防護方法

3.1 防護思路

（1）處理好“普遍”與“重點”的關系。所謂“普遍”是指從軌道交通的土建工程和供電系統各個方面普遍采取措施，將雜散電流泄露的途徑封堵，防止其向外部泄露。之所以這樣做，是因為外部市政或其他管線繁多，敷設環境復雜，其防護標準和要求各不相同，處理起來相當困難，過程也很長，甚至于對雜散電流的處理會影響到軌道交通工程自身的建設時間，因此在軌道交通全線進行普遍防護，盡量減少對外界的干擾是防護工程的主要方面?！爸攸c”是指軌道交通沿線受雜散電流危害的程度不同，腐蝕嚴重處主要發生在牽引變電所附近和土建工程的薄弱地點，另外市政管線距軌道交通的最近處也是防護重點。若能在“重點”區域采取加強措施，將會對雜散電流防護起到事半功倍的作用。即不但防護效果良好還節省大量工程投資，這點應該在防護設計中尤為注意。

（2）處理好“堵”與“排”的關系?！岸隆钡暮x是從雜散電流產生的源頭采取措施減少電流的量值，并阻止其向走行軌外部漏泄，因此相關措施也稱為“源控法”?！芭拧钡暮x是將少量已經外漏的雜散電流利用土建工程中的縱向金屬線路加以收集，并與變電所設置的排流器連接，使該部分雜散電流盡量以電路導電形式回到牽引所，避免金屬結構與電解液間產生過多的離子交換，與此相關的措施也稱為“排流法”。

“堵”和“排”是雜散電流防護的兩個方面，是相輔相成的，應該根據實際工程情況靈活運用。從防護原則看，“堵”是治本之道，是防護的主要方面，但作為實際工程的可能性，當雜散電流被限制到一定量值后，再進一步減小是非常困難的，要付出極大代價，對于工程建設是不合適的，此時應輔助采取“排”的方法。

目前來說普遍采用“排流保護、分段隔離”等綜合治理措施來防護管道干擾的問題，同時按“四統一分”（統一設計、統一測試、統一評價、統一管理、分別實施）原則對干擾方和被干擾方進行聯合防護發展。

3.2 防護原則

（1）“以防為主”：控制所有可能的雜散電流泄漏途徑，從源頭上減少雜散電流進入內部系統和沿線設備。施工設計時要減少供電系統與其他構筑物的電氣連接，要綜合考慮防治措施。首先在軌道交通線內部設立結構鋼筋電氣連通，把所有結構鋼筋和接地點連接在一起，將泄漏的雜散電流排流回牽引系統；其次由外界引入軌道交通內部或由軌道交通內部引出的金屬管線均應進行絕緣處理后方可引入和引出；在此牽引變電所內和區間的交直流供電設備在安裝時與結構鋼筋和結構主體絕緣安裝；最后走行軌道在施工時，采用與軌道道床絕緣的安裝方式。（2）“以排為輔”：建立能夠收集雜散電流的排流系統。起到能夠從回流軌上泄漏的雜散電流回流的作用，進一步限制雜散電流外泄。（3）“加強監測” ：設置監測系統，建立監測系統，尋找出雜散電流危害較大的地方以進行有效防護。

雜散電流監測系統由軌道電位測試端子、參比電極、主體結構鋼筋測試端子、排流網測試端子、電位測量箱以及雜散電流綜合測試裝置構成。通過數據采集儀收集數據，接收電位測量箱測量電位的信號，記錄并保存，與計算機同步監測記錄，對數據進行分析后若發現異常，則發出報警信號。此法便于對雜散電流的情況進行監控并及時處理。經由監測、排流、防護等多種措施的聯合防控，有效降低雜散電流對金屬腐蝕的影響，能夠達到提高軌道交通系統使用年限和保護環境的要求[5]。

4 雜散電流防護措施

4.1 控制泄漏電流

（1）遠離雜散電流干擾源：規劃管道盡量避開軌道交通、輸電線路等雜散電流干擾源。（2）提高接地電阻阻值：提高管道與大地之間的電阻和提高正負極的邊界電阻。（3）增強日常維護：對較易遭受損害的地區要經常維護。

4.2 排流法

利用智能排流柜等設施將雜散電流排出去，同時能夠對排流電流自動調節。排流法是指在站場內埋入地下容易被腐蝕的金屬與鋼軌連接，使進入金屬中的電流重新經由鋼軌返回牽引變電所的方法。排流法主要有三種：直接排流法、選擇排流法和強制排流法。

4.3 陰極保護法

利用外加電源或者犧牲陽極的陰極保護法進行保護。設有陰極保護的管道，采用負電位排流方式或采用鉗位式排流器、固態去耦合器等排流設備進行排流。采用犧牲陽極作為陰極保護的管道，一般采用負電位排流方式。

5 結語

本文通過軌道交通供電系統對埋地管道產生的干擾腐蝕機理的仔細分析，認真梳理國內外防護標準、設計方案和排流方法，觀點鮮明，創新點豐富，對雜散電流的防護提出“一防，二排、三監測”的改進措施。針對目前通常采用的排流方式不足之處提出新的排流理念和措施，不但可以用于電氣化鐵道交流干擾防護系統還可應用于城市軌道交通停車場、車輛段中，改進了排流裝置的方案。對于金屬埋地管道防護，能夠降低鎂陽極等材料的消耗，從而降低工程運營及維護成本，具有良好的社會意義和經濟效益。