关于地铁的杂散电流防护措施分析

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摘要：目前我国地铁的供电方式基本都是采用直流牵引，地铁在运营中所产生的杂散电流会通过钢轨泄漏到地上，它严重腐蚀地下金属管道线路和钢筋结构，影响地铁的安全运营。这种杂散电流的腐蚀会减少埋地管线的使用寿命，降低地铁主体结构的耐久性和强度，有时甚至会造成灾难性的事故，同时还会造成一定的经济损失。因此，全面考虑地铁杂散电流腐蚀问题，探讨更为有效的杂散电流腐蚀防护措施，对保证地铁安全运营具有十分重要的意义。

关键词：地铁；杂散电流；电流腐蚀；防护措施；直流牵引

中图分类号：U231 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）03-0082-03

目前，我国地铁供电系统基本上采用的是直流牵引供电方式，牵引变电所提供地铁列车需要牵引的电流，先通过架空线或接触轨向地铁列车输送直流电，再通过走行轨回流到牵引变电所。钢轨理论上对地绝缘安装，但因为施工工艺及绝缘材料性能等原因，钢轨不可能做到对地面完全绝缘。而且钢轨的绝缘水平会随着绝缘材料的老化而渐渐降低，造成部分的电流不从走行轨回流，而是以散流的形式流入大地，再由大地流回走行轨并返回牵引变电所，从而形成杂散电流。

1 杂散电流的腐蚀机理

地铁（轻轨）采用直流供电方式，利用钢轨作为回流线，由于钢轨对地绝缘不充分，直流供电的地铁系统的走形轨本身具有电阻且走形轨对地做不到完全绝缘，所以有一部分电流从走形轨泄漏到大地。这部分从走形轨漏出的电流被称为杂散电流，又叫迷流。杂散电流从走形轨漏出后，经过地铁的道床流入大地，然后从大地流回钢轨回流点。这种杂散电流对地铁隧道中的结构钢筋产生腐蚀，破坏了结构钢的强度，降低了其使用寿命。

杂散电流腐蚀属于电化学腐蚀，电化学腐蚀反应是一种氧化还原反应。在反应中，金属失去电子而被氧化，其反应过程称为阳极反应过程。介质中的物质从金属表面获得电子而被还原，其反应过程称为阴极反应过程。进行电子传导的金属导体与进行离子传导的电解质相接触的界面称为电极系，电子导体和离子导体的接合称为e-i接合。

地铁直流牵引供电方式所形成的杂散电流及其腐蚀部位如图1所示，走行轨和金属管线均为电子导体，地面为离子导体，电子在A点和D点流出，那么金属导体和地面一起组成的界面为阳极。在电流经过过程中，如果电流在B点和F点流入，那么地面与金属导体所共同组成的界面为阴极。根据图1可以看出，杂散电流所流过的地方可以看成两个电解电池串连在一起。

当杂散电流由钢轨（A）和金属管线（D）部位流出时，都会发生失掉电子的氧化反应，该部位的金属就会遭到腐蚀。

2 杂散电流的危害

地铁的杂散电流是一种有害的电流，会对地铁中的电气设备、设施的正常运行造成不同程度的影响，还会对隧道、道床的结构钢和附近的金属管线造成危害。这种危害主要表现在以下几个方面：

（1）若地下杂散电流流入电气接地装置，将会引起过高的接地电位，使某些设备无法正常工作，甚至会危及人身安全。

（2）如果走行轨的局部或整体相对与地面的绝缘性变得差了，那么这个走行轨就会泄漏更大的电流给地面，增大地下的杂散电流，这时就有可能导致牵引变电所的框架保护行为。而框架保护行为则会使得整个牵引变电所的整流机组跳闸，还会使相邻牵引变电所对应的直流馈线断路器失效，造成接触网大范围停电，从而对地铁的正常运营造成很大影响。

（3）杂散电流会对地铁隧道、道床以及其他建筑的结构钢筋和埋在附近的金属线路管道造成电腐蚀。要是这种电腐蚀存在的时间过长，会损坏在地铁附近的各种地下金属管道线路和结构钢筋组织，使结构钢筋的强度逐渐变弱，缩短了它的使用寿命，造成严重影响。

3 地铁杂散电流腐蚀防护措施和监测手段

3.1 杂散电流腐蚀防护措施

杂散电流的防护设计应遵循“以堵为主，以排为辅，堵排结合，加强监测”的原则。

3.1.1 “堵”——源控法。源控法就是隔离、控制所有可能的杂散电流泄漏途径，减少杂散电流进入地铁的主体结构、设备及其相关的设施。根据实验经验，单边供电情况下杂散电流的公式

如下：

杂散电流值与列车到牵引变电所距离的平方成正比；与回流走行轨纵向电阻成正比；与牵引电流成正比；与走行轨的对地过渡电阻成反比。目前地铁采用了很多有效方法，很多新方法也在不断被提出并应用于实践。

（1）在可能的情况下，设计时可适当缩短变电所的位置。

（2）减小机车取流量，牵引网采用双边供，提高直流牵引电压。

（3）加强走行轨对地绝缘，增大轨道对主体结构的过渡电阻。

（4）保持牵引回流通路顺畅，安装均流电缆，设法降低走行轨的电阻值。

（5）采用隔离法，减少杂散电流的蔓延。

3.1.2 “排”——排流法。排流法就是通过杂散电流的收集及排流系统，提供杂散电流返回至牵引变电所负母线的通路，防止杂散电流继续向本系统外泄漏，以减少腐蚀。目前地铁采用的智能排流柜工作原理如图2所示，直流接触器CZ用于控制排流支路是否投入使用，R、C用于抑制主回路通断时产生的尖峰脉冲，硅二极管D1用于防止逆向排流，快速熔断器Fu用于在出现短路等故障时保护排流柜电路免受损害。电流传感器M用来检测排流回路中的排流电流量的大小，然后通过排流柜控制器控制IGBT通断的占有比率，控制电流输送的大小。当IGBT关断时，排流回路中串入R1和R2，排流电流较小。正常情况下，IGBT的导通占空比将排流电流量控制在规定的数值范围内。

3.1.3 其他杂散电流腐蚀防护方法：

（1）阴极保护法。在需要保护的金属结构上外接一直流电源的负极，使得金属结构对地电位降低，从而达到防电蚀的目的。由于阴极保护需要外加一独立直流电源，其本身也是一腐蚀源，因此在工程设计中应慎用。

（2）阳极保护法。将被保护结构件的电位提高到钝态电位，从而阻止杂散电流腐蚀。由于地下结构设施复杂，在实际实施中是很难将被保护的设施提高到钝化电位的。

3.2 杂散电流腐蚀防护的监测手段

设计完备的杂散电流监测系统能监视和测量杂散电流的大小，为运营维护提供依据。

杂散电流难以直接测量，通常利用结构钢极化电压的测量来判断结构钢筋是否受到杂散电流的腐蚀作用，极化电压的正向偏移平均值不应超过0.5V。在整体道床上埋入一个长期有效参考电极，用于测量排流网与整体道床参考电极的电压；在隧道的侧壁也埋入一个有效参考电极，测量结构钢与侧壁参考电极的电压。轨道电位是测量轨道与侧壁结构钢之间的电压。

3.2.1 自然本体电位的测量。在没有杂散电流扰动的情况下，测量的地铁埋地金属对地电位分布呈现一稳定值，此稳定电位我们称之为自然本体电位。地铁一天内有几个小时的完全停止运营时间，在列车停止运行2h后，可以进行自然本体电位的自动测量。当存在杂散电流扰动的情况时，测量电位出现偏离，所测电位为，其偏移值为

。

3.2.2 半小时轨道电位最大值测量。从严格意义来讲，轨道电位应是以无限远的大地为基准，而走行轨电位测量以无限远的大地是很难实现的，在测量中一般是测量走行轨对埋地金属结构的电压来代表轨道电位。由于轨道电位的瞬时值变化很大，因此在实际测量过程中，其监测和计算的参数并不太准确。

4 结语

目前我国地铁建设进入繁荣时期，杂散电流的防护问题在地铁的设计、建设和运营过程中是一个重要问题。需要分析杂散电流的分布规律，了解各种影响杂散电流分布的因素，并且设计出合理有效的防护杂散电流的方案，才能减少在地铁建设中的投资、降低地铁的运营成本。关于地铁杂散电流的防护的研究是一个系统长期且复杂的过程，要完成需要各个部门及相关专业人员的协作，在本文研究的基础上加以更深入的探讨。

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