軌道交通系統中雜散電流的防護及鋼軌電位限制器的分析

裴琳

北京市地鐵運營有限公司，中國·北京 100016

1 引言

目前，地鐵的牽引供電方式一般采用直流供電方式。在理想的狀況下，牽引電流由牽引變電所的正極出發，經由接觸網、電動列車和走行軌返回牽引變電所的負極。然而，實際情況是列車運行時，作為回流網的走行軌，對地產生電位，而走行軌對地存在過渡電阻，因而會產生雜散電流。

雜散電流對城市軌道交通的危害很大，若地下雜散電流流入電氣接地裝置，會引起過高的接地電位，使某些設備無法正常工作。更嚴重的是，對城市軌道隧道、道床或其他建筑物的結構鋼筋以及地下的金屬管線造成電腐蝕，嚴重的腐蝕甚至會影響金屬結構的壽命。

中國軌道交通事業正處于高速發展時期，因此全面考慮雜散電流的腐蝕問題，是地鐵在設計中必須要考慮的重要環節。

2 雜散電流的產生

理想的回流過程是牽引變電所通過接觸網向電動列車輸送電能，列車通過走行軌使饋出的直流電流返回至牽引變電所[1]。但實際情況是，地鐵電動車輛運行時，走行軌會產生一定電壓降，而電壓降是形成走行軌對地電位的原因，因為走行軌對地并非絕緣，而是存在一定的過渡電阻，既然走行軌對地存在電位和過渡電阻，就會有電流存在，這個電流就是走行軌對地泄露電流——雜散電流。雜散電流產生示意圖如圖1所示。

圖1 雜散電流產生示意圖

3 雜散電流的危害

只要地下的金屬管線流過雜散電流，在電流流出的地方，就會造成腐蝕[2]。它的危害主要是對金屬物體的腐蝕，雜散電流的腐蝕要比自然腐蝕嚴重的多，在長期的電腐蝕作用下，走行軌和地下金屬管線將受到嚴重的破壞。

3.1 雜散電流對走行軌的腐蝕

在列車下部，走行軌容易發生電蝕。有資料表明，走行軌的雜散電流腐蝕在隧道內及道岔等部位尤其明顯，道釘也有被雜散電流腐蝕的現象，且多發生在釘入部位，從表面很難發現。

3.2 雜散電流對結構鋼筋的腐蝕

雜散電流通過混凝土時對混凝土本身并不產生影響。但如果有鋼筋存在，則結構鋼筋會起到匯集雜散電流的作用[3]。在電流離開鋼筋的部位發生腐蝕，腐蝕產生物的堆積會以機械作用排擠混凝土從而使之開裂。

3.3 雜散電流對埋地金屬管線的腐蝕

城市軌道交通系統內的管線主要有自來水管線、燃氣管線、石油管線、公共事業管線以及各種電纜管等。雜散電流如果突破了地鐵結構鋼筋范圍向外流出，必然會對周圍埋地金屬管線產生腐蝕，城市軌道交通建設時如不考慮此問題會產生極其嚴重的后果[4]。工程實踐表明，平行于城市軌道交通線路的長距離管線和與城市軌道交通交叉的管線都會產生不同程度的雜散電流腐蝕。

4 雜散電流的防護

雜散電流腐蝕防護時重點要做“防、排、測”三方面的內容，有以下具體防護方法。

（1）防——隔離、控制所有可能的雜散電流泄露途徑，減少雜散電流進入軌道交通系統的主體結構、設備及與相關的設施。

（2）排——組成雜散電流的收集網系統即排流網系統。此排流網系統為雜散電流從鋼軌上泄漏后遇到的第一道電阻較小的回流通路，可將雜散電流盡量限制在本系統內部，阻止雜散電流繼續向本系統以外的地方泄漏[5]。

（3）測——設置線路的雜散電流監測系統，監視可能產生的雜散電流大小，為軌道交通的運營維護提供依據。

4.1 控制源頭

（1）牽引變電所站位的布置，應符合規程允許電壓損失的要求，牽引變電所之間的距離越長，雜散電流越大。

（2）當一座牽引變電所故障解列時，應能采用大雙邊供電方式。與單邊供電相比，雙邊供電產生的雜散電流僅為單邊供電的四分之一。

（3）走行軌使用長軌，相鄰兩軌之間，接縫應采用可靠的銅引線連接。

走行軌對地絕緣水平越好，則雜散電流的值越小。

（4）走行軌下設置絕緣墊。

（5）走行軌對地保持一定間隙，走行軌采用點支撐等。

（6）道床上設置排水溝，并在溝內涂以防水涂料，以防滲水。

（7）在車輛段的檢修與停車庫中，每一條線路的走形軌均應使用絕緣接頭，從而與車場線路的走形軌相隔離。

（8）敷設在軌道交通沿線的電力、通訊及控制測量電纜，應采用防水絕緣護套的雙塑絕緣墊層；軌道交通中各種電纜，在隧洞中的電纜、水管等金屬結構應以絕緣方式敷設；所有通向隧洞外的管線，必須裝有絕緣接頭或絕緣法蘭[6]。

（9）重視日常運營維護。必須定期清掃線路，清除粉塵、油污、臟污、沙土等，及時清除道床積水，保持道床處于清潔干燥狀態。

4.2 積極排流

4.2.1 排流法的概念

因為只有當雜散電流從走行軌或鋼筋等金屬物流出時才會對其產生腐蝕，而雜散電流流出的區域集中在牽引變電所附近。通過將變電所負極與結構鋼筋或其他可能收到腐蝕的金屬相連，這樣雜散電流就直接流回至牽引變電所，大大減少了雜散電流擴散至其他地方的可能。

4.2.2 排流法的不足

當牽引變電所負母排通過排流柜與道床收集網鋼筋電氣連通后，原來負母排的負電位將接近零電位，使得走行軌對地電位成倍增加，這樣將造成更嚴重的腐蝕。

4.2.3 排流柜的設置

正是由于排流法的不足，所以排流柜不是一直處于排流狀態，只有當監測到道床收集網鋼筋極化電位值超過設定值時，才作為一種應急手段投入運行。

4.3 加強監測

為了監測軌道交通牽引回流泄漏的情況和地下金屬結構受雜散電流腐蝕的程度，必須進行專門的測量工作。雜散電流的腐蝕程度是由結構鋼筋表面向周圍泄漏的電流密度來確定的。由于電流密度難以直接測量，所以一般是通過測量腐蝕的間接指標，即由雜散電流引起的結構的電位極化偏移值來判斷設備受雜散電流腐蝕的情況。

雜散電流測量點應設置在軌道交通沿線的車站站臺兩側進出站信號機附近的道床和隧道處、每一個回流點處及需要進行測試的走形軌分斷點處、軌道交通橋梁兩段、軌道交通的盡頭線和線路與車輛段的連接坡道處，并定期對監測點進行檢查維護。

5 鋼軌電位限制器

5.1 鋼軌電位限制器對雜散電流防護的影響

5.1.1 設置目的

由于某些故障，如接觸網與走行軌發生金屬性接觸短路，直流設備發生框架泄露等，或走行軌不明原因電位升高，當乘客在進出車廂時，易受到電擊危險，因此設置鋼軌電位限制器。一旦走行軌出現高電位時自動將其接地，以免危及人身安全。

5.1.2 對雜散電流防護的影響

經常將牽引變電所負極直接接地，使其成為地下結構的排流柜，無論對走行軌還是地下結構都將加重電腐蝕。

5.2 解決方案

軌電位設置的目的就是保護乘客的安全，有異常電位升高時，軌電位裝置就會動作，接觸器閉合，將負極與地短接。但是不是每次電位升高都有乘客上下車，所以軌電位裝置在運行中有很多沒必要的動作，因此如果將軌電位的動作條件加上車站站臺有停列車停靠，就能有效減少不必要的動作，也就降低了雜散電流的危害[7]。

6 結語

目前雜散電流的防護已被人們所認識，并日益受到人們的重視。軌道交通雜散電流腐蝕的防護，是軌道交通設計必須考慮的問題，必須嚴格按防護標準施工，因為雜散電流的防護直接關系到車站的使用壽命。而雜散電流的腐蝕是一個長期積累的結果，給研究工作帶來一定難度。日常運營維護也是雜散電流防護的重要環節，正式運營后，因灰塵、列車閘瓦鐵屑、油污、積水等雜質，會使雜散電流增大。因此，在運營維護中，應嚴格按照設置的監測系統及方案，定期測試及維護，發現問題，及時處理。