吳能勇

南昌軌道交通集團有限公司運營分公司 江西 南昌 330000

引言

國民經(jīng)濟發(fā)展，成為各大城市運轉(zhuǎn)中增大交通壓力的重要因素。各大城市為了更好地維護交通順暢，加大了軌道交通建設力度。地鐵和輕軌運行在現(xiàn)階段都離不開直流電力牽引作系統(tǒng)的支撐，以走行軌為回流線。運行狀態(tài)和負載狀況的變化性，是每一輛列車運行中的普遍問題，都會對走行軌電流量造成很大的影響，走行軌是絕大部分電源負極的具體流向；只有小部分存在向外泄露問題，與軌道接觸地面的不良狀況直接相關，道床和周圍土壤介質(zhì)流入的外泄電流，即為雜散電流，這代表著迷流的產(chǎn)生。雜散電流可無規(guī)律地保持地下流動狀態(tài)，最終向供電系統(tǒng)負極回流，同時存在極少量雜散電流。

1 雜散電流腐蝕機理

土壤中進入的雜散電流，會以地下管道、電纜護套等金屬作為導體，向周圍土壤流出，產(chǎn)生一定的腐蝕作用，電流流出后的附近導體也會極化，成為正電位，加速腐蝕[1]。雜散電流一般會因金屬內(nèi)的較小電阻，使電流沿介質(zhì)向金屬內(nèi)部回流。地鐵雜散電流，以機車接觸網(wǎng)（軌）供電回路為主要來源，基于直流電力機車牽引750V-1500V直流的架空單軌供電，供電回流線為鋼軌，而回流軌被的一定量電阻，會使電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷航?，對地形成電位差。對地電位差也會成為回流軌?nèi)電流向土壤泄露，逐步向地下的金屬管線、建筑物內(nèi)流入，再以此為方向，以負回饋點為起點，從土壤進入鋼軌。整個過程中，鋼軌、地下金屬管線和鋼筋都不同程度地發(fā)生了腐蝕現(xiàn)行。地鐵雜散電流腐蝕機理，如圖1。其中代表式為總電流I、鋼軌回流電流I1、雜散電流I2。

圖1 地鐵雜散電流腐蝕機理示意圖

2 雜散電流危害

雜散電流在流入周邊金屬結構后起到的腐蝕作用，即雜散電流腐蝕。腐蝕反應中，金屬是反應物，因氧化成為較高價態(tài)，電子受體為溶液、介質(zhì)中的其他反應物，并且還原變化為較低價態(tài)。金屬電化學腐蝕，結合了電池、電解兩項作用力[2]。而金屬腐蝕性基本由微電池作用決定，宏觀電池作用只起到了很小的作用。微電池腐蝕，是電極電位不同部分直接發(fā)生電接觸、表面接觸電解質(zhì)溶液共同反應下的原電池作用。宏觀上，電池腐蝕，即肉眼可做出分辨的、具有較大尺寸的腐蝕電池陽極和陰極。以國內(nèi)地鐵的現(xiàn)行狀況為基礎，分析雜散電流的新危害，具體表現(xiàn)為三方面。

一是對地雜散電流下，高層建筑物的地下結構鋼筋、車站金屬結構、城市自來水、輸送煤氣和石油金屬管線的危害性。鑄鐵管表面附有涂料、油漆、瀝青等絕緣防護層，具有高強度、抗腐蝕性好的基本特點。其中不可避免地存在著一定量的鋼管、鋼筋結構不能涂抹防護層，有效防護就顯得十分必要[3]。例如，上海地鐵一段4年間就有十多次腐蝕泄漏事故的發(fā)生；浦東地區(qū)的天然氣管道敷設龐雜，由此引發(fā)的雜散電流腐蝕危害明顯存在，進而影響到燃氣公司的供求狀況，直接或間接損失達到200萬左右，成為污染周邊大氣環(huán)境的重要因素。

二是雜散電流對崗位限位裝置發(fā)生誤動作的影響性，對行走軌道可能發(fā)生的電位升高問題加強控制。這就需要電氣設備的所有金屬外殼采用人工接地方式，以更好地保護人身安全。全國各地地鐵在鋼軌電位限制方面的誤動作頻發(fā)現(xiàn)象，可借鑒北京地鐵5號線運行10月統(tǒng)計數(shù)據(jù)，鋼軌電位限制裝置大約有1700次的誤動作，使牽引變電所的接地方式為負極，排流柜被用來做車站附近保護人身安全的裝置，接地短路、雜散電流也會因電流量過大而經(jīng)常性燒毀[4]。這樣一來，地鐵在向站臺停靠、有乘客上下車輛時，地鐵車輪、走行鋼軌直接發(fā)生接觸，同時地鐵屬于電氣設備，地鐵乘客會與大地高電位差相接觸，成為危害乘客安全的重要因素。

三是鋼軌及其附件的腐蝕性嚴重。鋼軌在腐蝕原電池中屬于陽極，特別是道釘釘入道床時，腐蝕原電池更易形成，絕緣性較差，也是雜散電流發(fā)生腐蝕問題的集中地，一般情況下，通過地表發(fā)現(xiàn)問題的可能性很小?；炷两Y構在雜散電流作用下不會有腐蝕問題出現(xiàn)，但會同時腐蝕到混雜于混凝土結構中的鋼筋，使鋼筋呈陽極。地下結構鋼筋、走行鋼軌的接觸位置，腐蝕結構鋼筋、走行軌道的程度和范圍會增大，進而對隧道和車站的內(nèi)部結構造成很大的危害，影響到使用壽命?；炷两Y構內(nèi)部混雜使用鋼筋材料，無論鋼筋發(fā)生任何質(zhì)量問題，在地鐵運行階段都不能進行更換，對地鐵線路運行產(chǎn)生消極影響。

3 雜散電流腐蝕對象

3.1 鋼軌及其附件

一些地鐵會利用道釘固定鋼軌與枕木，使接觸道釘部位常有鋼軌腐蝕問題發(fā)生。墊板、壓片是目前常用的鋼軌固定材料，使腐蝕程度和范圍得到有效控制，但是點半以為的鋼軌底部腐蝕現(xiàn)象更加難以發(fā)現(xiàn)，相應的增大了危害性。接觸路基的鋼軌底部有類似于雜散電流腐蝕問題。隧道內(nèi)部、道岔部位，是雜散電流腐蝕最為顯著的部位，甚至是2-3年更換一次鋼軌[5]。道釘處的雜散電流腐蝕以釘入部位較為常見，地上可發(fā)現(xiàn)的概率較小。

3.2 鋼筋混凝土結構物

混凝土內(nèi)經(jīng)過雜散電流并不會受到影響，但因鋼筋材料而匯集電流，并向排流點引導。鋼筋會因雜散電流沿混凝土進入而呈陰極，在陰極析氫、混凝土阻礙氫氣逸出的情況下，等靜壓力產(chǎn)生，鋼筋、混凝土也會相互分散；鈉、鉀混合物的影響下，鋼筋和混凝土截面會因電流形成堿式硅酸鹽、鋁酸鹽，具有可溶性，使原有強度下降。電流沿鋼筋再次進入混凝土時，鋼筋也會轉(zhuǎn)變?yōu)殛枠O、腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)。腐蝕產(chǎn)物大量堆積于陽極，會形成一定的機械張力，成為混凝土開裂的重要原因之一。地鐵及其附的近鋼筋混凝土結構物，不是都會存在雜散電流腐蝕，但在一定條件下，腐蝕問題會快速發(fā)生，如鋼筋、鋼軌在發(fā)生有電接觸時，雜散電流腐蝕也就極易出現(xiàn)。

4 雜散電流的腐蝕防護方法

4.1 排流法

排流法，是以導線結合被保護管道與軌道陽極、鋼軌的方式，使管道呈陰極性，對于腐蝕陽極狀況起到防控作用，具體有4種做法[6]。一是直接排流，適用于被干擾管道陽極區(qū)的明確化狀態(tài)，簡單、經(jīng)濟性好，但是應用范圍范圍有限。二是極性排流。在被干擾管道的管地電位的正負交變狀態(tài)下適用，易于安裝、應用廣泛，但是在管道、鐵軌相距較遠時只有較弱的保護效果。三是強制排流，在軌道、管道存在較小的電位差時適用，具有保護范圍大、可用于特殊場合的明顯優(yōu)勢，但是電源會造成鐵軌腐蝕程度的加劇。四是接地排流，是在被干擾管道的干擾源不能直接排流的狀態(tài)下適用，可廣泛使用、干擾小，但是應用效果較差，需要與助接地床結合使用。

4.2 陰極保護法和陽極保護法

陽極接入的輔助作用，以及保護物因電流流經(jīng)后呈陰極，起到抗腐蝕和保護作用。輔助陽極在陰極保護下，由負電位鎂構成時，需要原電極、輔助電極的結合，形成電動勢力，從電流上保護陰極。這在本質(zhì)上是鎂溶解過程中的給予，是以犧牲陽極而保護陰極的一種方法。外部直流電源成為保護電流的來源時，就是可起到陰極保護作用的外加電源法。本質(zhì)上，陰極保護法與強制排流法較為相似，而鋼軌起到輔助陽極作用。陽極保護法，需要以升高被保護電位為基礎，再確認處于鈍態(tài)電位時，起到預防侵蝕的良好作用。

5 雜散電流的防護措施

雜散電流在進行防護設計時，可用的具體方法有三類。一是“堵”，強調(diào)對雜散電流源頭加強控制，以便于縮減相應的產(chǎn)生數(shù)量。二是“排流法”，強調(diào)以排流等方式來盡可能地控制雜散電流的腐蝕危害。三是“測”，強調(diào)實時檢測雜散電流，在雜散電流過高時及時采取對策，以便于減輕危害。

5.1 控制雜散電流的來源

5.1.1 降低回流回路阻值?；阡撥墐?nèi)的電阻，電流流經(jīng)處有電位差形成，而鋼軌對地的優(yōu)先絕緣電阻，使電位差、雜散電流形成。減小鋼軌壓降，是雜散電流增強控制力的重要方式，具體有4個方法。

一是對走行軌接頭、鋼軌回路電路增強控制力。走行鋼軌一般可可用于列車回流牽引，阻抗小時，鋼軌的雜散電流流失量也會很小，焊長軌是常用的鋼軌阻抗降低方式。鋼軌接頭少，代表阻抗越小。車輛段、道岔地段之外，地鐵都是以焊長軌方式連接整個走行軌為一整體，起到降低鋼軌阻抗的良好作用。二是電氣連接暢通，是各鋼軌連接時確?；亓髀窂教幱诘妥柚档幕緱l件。三是變電所位置距離縮短，注重雙邊供電方式的使用。雜散電流估算公式中，供電距離的平方保持與雜散電力的正比例關系。這也是雜散電流控制過程中，可以采用的有效方法。四是安裝均流電纜。電纜連接2條走行軌的鋼軌、左右線鋼軌，回路電阻可明顯降低，大約為原有電阻值的1/4。目前，光子地鐵、北京奧運支線中已經(jīng)使用此方法。

5.1.2 增加流通路徑電阻。對于雜散電流的增大流通路徑電阻，具體措施分為三種。一是軌道對地電阻增大。以絕緣處理木質(zhì)軌枕、枕木端面、道釘為前提，以增強軌道、接地回路相互間的絕緣力，點支承需要使用于走行鋼軌。不接地、二極管接地，是地鐵系統(tǒng)常用的一種雜散電流增加泄露路徑電阻的方法。二是車輛段檢修、停車庫中的線路走行軌，絕緣接頭、車場線路要對走行軌設置一定距離。三是分別設置絕緣結于特別重要地段兩邊，并利用單向?qū)ㄑb置，使雜散電流可強制性地對外流出，增強了鋼軌的防腐蝕能力，如廣州地鐵過江區(qū)段。

5.1.3 增加埋地金屬管線阻值。地鐵沿線所敷設電力、通訊、控制測量電纜，都應以雙速絕緣墊層為材料，起到良好的防水、絕緣效果；地鐵和隧道所敷設的各類電纜大多含有金屬結構，具體的敷設方式必須采用絕緣方式；隧洞外所有管線都要分別安裝絕緣接頭或法蘭。

5.2 排流保護措施

保留保護法，在金屬導體保護方面具有良好作用，是導線連接方式，對被保護金屬導體、行走軌陽極區(qū)進行密切連接，構成了短路狀態(tài)，轉(zhuǎn)變保護管道為陰極，有利于陽極腐蝕問題的有效防控。排流柜是目前常采用的設備，具體以雜散電流的系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)作為后期邏輯判斷的依據(jù)，在檢測數(shù)據(jù)符合定值標準時，被保護導體向外流出的雜散電流，會以走行軌為實際流向；交替干擾區(qū)下的被保護金屬導體，單純使用直接或選擇排流法都不能作為干擾電流的排回方式，強制排流法更具適應性。

5.3 輔助陽極可用于保護陰極

保護管線和沿線結構，是以被保護物電極電位提高、轉(zhuǎn)變?yōu)殛帢O為目的，為陽極腐蝕問題的防控起到基礎作用。但是需要對被保護金屬區(qū)定期埋設電極電位耕地的金屬鎂等輔助陽極?；诘罔F施工階段存在安裝難度大、成本費用高等特點，使用量仍然很少。

6 結束語

城市地鐵、輕軌建設數(shù)量的增多，使更多的人認識到做好雜散電流防護措施的必要性。地鐵施工工期長，雜散電流問題也會因是常見的使用而逐漸顯現(xiàn)出來，對周邊鋼軌及其附件、建筑物地下管道等造成一定程度的腐蝕危害，是整個行業(yè)都急需解決的問題，市場上可用的排放電流自動約束設備已經(jīng)存在，但是具體應用效果仍需進一步探討。通過加大相關研究，為鐵路運營成本的降低、防控腐蝕危害提供良好的技術支撐。