戴麗君，成明華，楊立新，張喜海

（1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)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(shè)計集團有限公司，天津 300308）

0 引言

軌道交通的發(fā)展與地下密布的市政管網(wǎng)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(chǎn)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(tǒng)中，應(yīng)該加強對軌道交通和市政管網(wǎng)的統(tǒng)一規(guī)劃，深入研究雜散電流防護技術(shù)，不斷研制有效的防護設(shè)備，同時還要加大對各部門的協(xié)調(diào)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(jié)果發(fā)現(xiàn)隨頻率增加，電極的腐蝕率下降。國內(nèi)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(wǎng)相連，把電能輸送到接觸網(wǎng)上然后經(jīng)由受電弓傳送給電力機車，并驅(qū)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(dǎo)電離子，大地與鐵軌之間就會形成微導(dǎo)通狀態(tài)，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(jié)構(gòu)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(guān)系不大，當鋼軌對地泄漏電阻在5-100 Ω·km范圍內(nèi)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(gòu)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(fā)生陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)，在土壤中結(jié)合成腐蝕產(chǎn)物Fe(OH)2，繼續(xù)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(shè)于地下的管道、鋼筋等金屬結(jié)構(gòu)到達牽引變電所。金屬中的陽極發(fā)生電化學(xué)腐蝕（以金屬鐵為例），其體積可膨脹2-4倍，進而使混凝土內(nèi)部形成拉應(yīng)力。隨著腐蝕反應(yīng)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(chǎn)生的拉應(yīng)力強度超過抗拉強度時混凝土?xí)劁摻罘较蜷_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(jié)構(gòu)的破壞，對地下金屬的腐蝕和毀壞排流設(shè)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(guān)系。所謂“普遍”是指從軌道交通的土建工程和供電系統(tǒng)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(shè)環(huán)境復(fù)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(shè)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。“重點”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(fā)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(qū)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(jié)省大量工程投資，這點應(yīng)該在防護設(shè)計中尤為注意。

（2）處理好“堵”與“排”的關(guān)系?！岸隆钡暮x是從雜散電流產(chǎn)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(guān)措施也稱為“源控法”?！芭拧钡暮x是將少量已經(jīng)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(shè)置的排流器連接，使該部分雜散電流盡量以電路導(dǎo)電形式回到牽引所，避免金屬結(jié)構(gòu)與電解液間產(chǎn)生過多的離子交換，與此相關(guān)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(yīng)該根據(jù)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(shè)是不合適的，此時應(yīng)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(tǒng)一分”（統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一測試、統(tǒng)一評價、統(tǒng)一管理、分別實施）原則對干擾方和被干擾方進行聯(lián)合防護發(fā)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(nèi)部系統(tǒng)和沿線設(shè)備。施工設(shè)計時要減少供電系統(tǒng)與其他構(gòu)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(nèi)部設(shè)立結(jié)構(gòu)鋼筋電氣連通，把所有結(jié)構(gòu)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(tǒng)；其次由外界引入軌道交通內(nèi)部或由軌道交通內(nèi)部引出的金屬管線均應(yīng)進行絕緣處理后方可引入和引出；在此牽引變電所內(nèi)和區(qū)間的交直流供電設(shè)備在安裝時與結(jié)構(gòu)鋼筋和結(jié)構(gòu)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(tǒng)。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(jiān)測” ：設(shè)置監(jiān)測系統(tǒng)，建立監(jiān)測系統(tǒng)，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(jiān)測系統(tǒng)由軌道電位測試端子、參比電極、主體結(jié)構(gòu)鋼筋測試端子、排流網(wǎng)測試端子、電位測量箱以及雜散電流綜合測試裝置構(gòu)成。通過數(shù)據(jù)采集儀收集數(shù)據(jù)，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(jiān)測記錄，對數(shù)據(jù)進行分析后若發(fā)現(xiàn)異常，則發(fā)出報警信號。此法便于對雜散電流的情況進行監(jiān)控并及時處理。經(jīng)由監(jiān)測、排流、防護等多種措施的聯(lián)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(tǒng)使用年限和保護環(huán)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(guī)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(qū)要經(jīng)常維護。

4.2 排流法

利用智能排流柜等設(shè)施將雜散電流排出去，同時能夠?qū)ε帕麟娏髯詣诱{(diào)節(jié)。排流法是指在站場內(nèi)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(jīng)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(shè)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(tài)去耦合器等排流設(shè)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(jié)語

本文通過軌道交通供電系統(tǒng)對埋地管道產(chǎn)生的干擾腐蝕機理的仔細分析，認真梳理國內(nèi)外防護標準、設(shè)計方案和排流方法，觀點鮮明，創(chuàng)新點豐富，對雜散電流的防護提出“一防，二排、三監(jiān)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(tǒng)還可應(yīng)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(jīng)濟效益。