浅析城市轨道交通系统中的杂散电流

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摘要：综合讨论和分析了城市轨道交通系统中杂散电流的产生、电化学腐蚀的危害以及防护措施，为在城市轨道交通系统设计中针对杂散电流采取有效措施提供参考和依据。

关键词：轨道交通；杂散电流；电腐蚀；防护

中图分类号：U239.5

文献标识码：A

文章编号：1009-8631（2012）05-0008-02

随着国民经济的持续发展，我国各城市为了缓和日趋严重的城市交通压力，纷纷加快了城市轨道交通的建设。城市轨道交通的杂散电流对地下埋设的供水、燃气管道和供电、通信电缆的腐蚀危害以及防护措施成为一个倍受关注的问题。加强对杂散电流的研究，对保证城市轨道基础结构及周边的管线和建筑设施的安全运行，延长它们的使用寿命具有重要的现实意义。

1 杂散电流的产生

目前我国轨道交通的牵引方式多采用直流牵引供电方式。负荷电流绝大部分经走行轨和回流线返回牵引变电所的负极，但有一小部分从轨道与地面绝缘不良的位置泄漏到地铁道床及周围土壤介质中，形成杂散电流，也称迷流。杂散电流通过沿线的道床钢筋、隧道、高架桥或建筑物的结构钢筋或土壤回流到牵引变电所负极（甚至不流回牵引变电所而散人大地）。当走行轨附近埋有地下金属管道和其他任何金属结构时，一部分杂散电流会从导电的金属上流过。

产生杂散电流必须同时具备两个条件：一是走行轨存在对地电位，二是走行轨存在对地过渡电阻，二者缺一不可。在现实的城市轨道牵引供电系统中，一方面，因为走行轨具有纵向电阻，当地铁列车通过时，负荷电流流经走行轨，形成走行轨对地电位；另一方面，钢轨与隧道或道床等结构钢之间不可能做到完全绝缘，而且随着时间的推移，其绝缘水平将会逐渐下降，因此杂散电流不可避免。

2 杂散电流的危害

杂散电流的危害主要是它对处于阳极区的金属的电化学腐蚀。

2.1对钢轨及其附件的腐蚀

地铁列车运行时，杂散电流从走行轨流出，列车下部的走行轨对地电位较高，使钢轨对地形成阳极区，处于阳极区的钢轨及其附件容易发生电腐蚀。资料表明，钢轨的杂散电流腐蚀在隧道内及道岔等部位尤为显著，在有些地方2至3年就要更换钢轨。道钉也有杂散电流腐蚀，而且多发生在钉入部位，从地上难以发现。

2.2对钢筋混凝土结构物的腐蚀

在杂散电流由混凝土进入钢筋之处，钢筋呈阴极。如果阴极产生氢气且氢气不能从混凝土逸出，就会形成等静压力使钢筋与混凝土脱开。如有化合物存在，则杂散电流的通过会在钢筋与混凝土的界面处产生可溶性物质，使结合强度显著降低。在电流离开钢筋返回混凝土的部位，钢筋呈阳极并发生电腐蚀。电腐蚀产物在阳极处的堆积以机械力排挤混凝土使之开裂。如果是建筑物的钢筋局部被腐蚀，建筑物整体强度将会降低，甚至会出现开裂、下沉以及更严重的事故。英国就曾发生过因杂散电流腐蚀而引起的钢筋混凝土塌方事故。

2.3对埋地管线的腐蚀

当在走行轨附近埋有地下管道、电缆和任何其他金属结构件时，一部分地下杂散电流就会从导电的金属件上流过。在列车附近的杂散电流从钢轨流向金属体，使金属体对地电位形成阴极区。在变电所附近，杂散电流从金属体流回钢轨和变电所，使金属体对地电位形成阳极区。在阳极区，杂散电流从金属流出的地方将出现电腐蚀。

若地下杂散电流流入电气接地装置，将引起过高的接地电位，可能导致某些设备无法正常工作，当杂散电流过大时将产生对地电压，严重时可危及人身安全；若杂散电流长期流过金属管道，腐蚀点处的管壁就会越来越薄，甚至出现漏洞，引起金属管道内液体、气体的泄漏，可能造成重大事故。北京、天津轨道交通中，杂散电流曾经造成隧道内水管腐蚀穿孔等现象：香港也曾因轨道交通杂散电流引起煤气管道腐蚀穿孔现象。

3 杂散电流的防护

杂散电流的危害不容忽视，杂散电流的防治问题已经引起了国内外的重视，欧美各国以及日本均设置了专门机构从事这方面的研究。目前较为统一的防护设计原则是以堵为主，以排为辅，防排结合，加强监测。

3.1控制杂散电流

控制杂散电流就是控制和削弱产生杂散电流的根源，即是堵。如前所述，杂散电流产生的原因是钢轨存在对地电位和对地过渡电阻，因此降低钢轨的对地电位和加强对地绝缘是堵的根本。降低钢轨对地电位的方法有使用长钢轨减小接触电阻，钢轨之间使用可靠的电气连接降低纵向电阻，缩短两变电所之间的距离，采用双边供电等等。加强钢轨对地绝缘的方法有供电系统采用不接地系统，加强钢轨薄弱环节和埋地金属管线的防水绝缘，提高金属管线的阻值等等。

3.2排流保护措施

排流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，以减小腐蚀。排流法又可分为直接排流法、极性排流法、强制排流法3种，其中极性排流法应用最为广泛有效。但是排流也会带来一些副作用，例如这会使那些没有接排流设备的结构物的腐蚀加剧、钢轨电位升高等。

3.3其他杂散电流防护方法

阴极保护。阴极保护是通过降低腐蚀电位而实现的电化学保护。有外加电源法和牺牲阳极法。青木敏雄发明了一种装置，把钢轨对地电压叠加到钢轨上，使钢轨上各处电压相同，从而消除钢轨电位差，使杂散电流减至最小。

补偿法。易友祥等提出了对杂散电流进行自动跟踪补偿的设想，这是一种减少杂散电流的积极的防护方案。

3.4杂散电流的监测

极化电位正向偏移平均值、自然本体电位、半小时轨道电位最大值是间接监测杂散电流的重要参数。

极化电位正向偏移平均值。杂散电流难以直接测量，通常是通过测量由杂散电流引起的结构钢筋或埋地金属结构的极化电位偏移值来判断其是否受到杂散电流的腐蚀。为了使测量结果更为精确，通常采用近参比法，即把参比电极尽量靠近被测结构钢筋或埋地金属结构。在没有杂散电流扰动的情况下，测量的电位呈稳定值，称为自然本体电位。当存在杂散电流扰动时，埋地金属结构的电位会偏离自然本体电位，称为极化电位。在杂散电流流入金属结构的部位，金属结构呈现阴极，电位负向偏移，该部位不受杂散电流腐蚀；在杂散电流流出金属结构的部位，金属结构呈现阳极，电位正向偏移，该部位的金属受到杂散电流腐蚀。由于腐蚀是长期作用的结果，而且瞬间杂散电流的变化是杂乱无章的，测量瞬间的电位并不能反映测量点的腐蚀情况，因此应该测量计算一定时间内极化电位的正向偏移平均值。

自然本体电位的测量。自然本体电位是测量极化电位的基准。自动测量装置应该能在列车停止运行2小时后自动测量自然本体电位。

半小时轨道电位最大值测量。在实际中用钢轨对埋地金属结构的电压来代表轨道电位。由于钢轨电位的瞬时值变化很大，无法用瞬时值体现轨道电位，其检测和计算的参数为半小时内钢轨电位的最大值。

3.5杂散电流监测系统

杂散电流监测系统是一套收集、分析、处理各测量数据的综合监测系统。

综上所述，杂散电流会腐蚀城市轨道交通系统以及周围设备、设施的金属结构，降低钢筋混凝土的强度，必须加以防范治理。在实际工程实践中，从杂散电流的产生、流通路径等各方面综合考虑，采用堵、排、测等各种手段尽量把杂散电流的影响减至最小，从而保证城市轨道交通和周围设备设施的正常运行。