地铁杂散电流腐蚀防护系统相关问题分析

李彬

中国水利水电第五工程局有限公司第二分局     四川省成都市   610000

摘要：国内地铁主要采用的是直流牵引供电方式，利用接触网与受电弓之间的接触为地铁提供电力，而电力则由地铁返回给变电站，实现了全过程的供电。由于地铁本身会产生一定的电阻，当有电流时就会产生电压。杂散电流是一种极具腐蚀性的物质，很容易聚积在一起，对周围的电路、设备造成很大的影响，降低了强度和耐用性。因此必须尽快建立腐蚀保护体系，确保地铁的安全。本文主要探究地铁杂散电流腐蚀防护系统相关问题，并提出有益对策。

关键词：地铁杂散电流；腐蚀防护；问题；对策

引言

在地铁与地面完全绝缘的前提下，地铁直流牵引供电系统在理想工况下，列车受电弓从接触网获得牵引电流，流过列车后再通过地铁返回到牵引供电系统的负极母线。事实上，地铁和道床结构并不能完全隔离，牵引电流并不能通过地铁流回到牵引变电站的直流负极母线，有些电流会泄漏到道床、隧道等结构中这就是所谓的“杂散电流”。杂散电流对通信系统的干扰，引发保护装置的故障，以及对地铁本身的结构和金属管道的腐蚀，因此对地铁杂散电流腐蚀防护系统建设至关重要。

1杂散电流的金属腐蚀机制

地铁列车运行中存在着直流牵引供电系统的过电压问题。为了防止由于过电压引起的一系列故障，使整个系统不能正常工作，必须设定适当的过压保护。为了解决这一问题，必须根据实际情况，正确地分析造成地铁杂散电流的原因，从而为合理设置过电压保护设备提供了依据。地铁系统的直流电压分为两种，直流1500 V就是其中之一。就这一类型的直流电压而言，地铁上的受电弓将通过架空接触网作为介质，进行电力接收。然后再将电流输入到主辅回路中。并将各种回流导线作为桥接，返回到负电极上。与此对应的是地铁的直流电力供应系统，在两个相邻的牵引变电站附近，会有不止一列火车在运行，而且这种情况下系统中的电流也不会只有一条。而在这样的环境下，电流通过就会产生杂散性的电流。与此对应的是，在地铁运营期间这种杂散电流并不会对地铁内的金属物体产生损害。但若长时间地存在杂散电流，则会对轨道周围的金属物体产生一定的影响。然后，这些金属物质就会被腐蚀。杂散电流的腐蚀本质上是电化学腐蚀，电位低的金属会因失去电子而被氧化为金属离子，而电位高的金属或非金属离子则会被还原。双向供电时轨道和金属管道是电子导线，土壤是离子导线，电流通过电流流入b、 d、 f点形成阴极，形成三对电解槽。

电池ab：阳极（轨道 a)-道床和土壤-阴极（管道 b)；

电池cd：阳极（线路 C)-道床和土壤-阴极（轨道 d)；

电池ef：阳极（线路 e)-道床和土壤-阴极（轨道 f).

杂散的电流通过金属管道和钢筋进入腐蚀区域，然后通过金属管道和钢筋的流动，对金属结构和钢筋造成一定的腐蚀。地铁a，金属管线 c, e会因氧化而丧失电子而产生腐蚀。

2地铁杂散电流的主要危害

2.1腐蚀金属

杂散电流对环境的腐蚀，远比正常环境下的腐蚀要强烈得多。天然的腐蚀电流一般是自发的，以化学方式为主。杂散电流的腐蚀再加上直流电的影响，这种化学物质与电的混合，比起自然的电流，杂散的电流要大得多。根据相关部门的调查，发现在有杂乱电流干扰的地方，电流可以高达数十~数百安培，8mm厚的钢板在两个月内可以被击穿，一年内能腐蚀20公斤的铁皮。许多地铁都设置了排流网，以消除杂散电流的影响，当排流箱没有开启相应的功能时会有大量的杂散电流从排流网的内部流过，排流网就会生成铁离子与水蒸气结合，生成硫酸，造成腐蚀。

2.2混凝土结构的损坏

若有杂散电流通过钢筋的部位会产生负电荷沉积的氢气无法从混凝土中排出，在建筑内部产生一定的应力，使钢筋混凝土结构受到损伤。当电力离开钢筋时钢筋就会形成阳极，生成锈迹，红锈等腐蚀性物质，当这些物质积累到一定程度，就会导致混凝土结构出现裂纹。有关研究表明，表面杂散电流引起的锈蚀体积是普通钢筋的2倍，而红锈则是4倍。

2.3对通信的影响

地下线路中的杂散电流会使地面和通信线路产生一定的电位差异，通信设备的电位高会对人身安全造成一定的危害，对通信品质造成很大的影响。因此，如何有效降低杂散电流对地铁系统的影响，是有关部门必须重视的问题，在设计和投入使用后，要根据具体情况，采取相应的对策，保证地铁的正常运营。

3传统杂散电流腐蚀防护

3.1以堵为主

杂散电流的大小与牵引变电站间距、牵引电流、轨道纵向、接地电阻、水流、土壤等因素密切相关。根据上述影响，有针对性地采取相应的防护措施：降低牵引电流、合理设置牵引变电站间距、接触网双向供电；减少轨道阻抗，可选用重轨、上下并联等。增加轨道与地面的绝缘，轨道采用绝缘装置，尽可能使用绝缘扣件，做好施工排水，避免轨道和道床的污染。杂散电流的来源是由直流牵引供电，对现有技术进行了分析，认为改善地铁绝缘特性和保证线路畅通是一种行之有效的控制方式。许多地铁都会增加铁轨与地面之间的电阻值，减少纵向电流的倒灌，采用大截面的铁轨，在焊接时对相应的接头进行电阻控制，这些措施收到了很好的效果。在隧道的两侧和地铁下方都设有一条由纵向电力相连的排水网络，通过这种设备，杂散电流能够及时地回流到整流器的负极端。要加强对散乱电流的监测，对异常现象及时采取有效的措施。为了保证地铁的正常运营，在地铁线路上安装了传感器，并对其进行了检测。地铁中的杂散电流与杂散电流之间存在着某种程度的相互影响，其中最重要的就是线路与地面之间的过渡电阻值，通过及时的检修和保养可以有效地控制，当线路上的杂散电流到达一定程度后，必须对其进行相应的处理，确保地铁的安全。以现有的铺轨施工工艺条件下，无法达到钢轨对地绝对绝缘安装，且隧道内潮湿的环境、列车运行过程中对道床的污染等均会降低钢轨对地绝缘，加重杂散电流泄漏。参照跨坐式单轨的回流方式，取消地铁走行轨的回流功能，在线路轨旁增设独立的牵引电流回流轨，可从根源上解决牵引电流泄漏问题，杜绝杂散电流产生。

3.2以排为辅

在铺设轨道时布设排流网，并用排流箱与牵引整流系统负电极母排连接，以增加电流通路，降低导线沿铁线的腐蚀。由于排流箱运行轨道电势上升，旅客在上下列车时有可能发生跨步电压触电，必须与轨道限位装置相配合，使轨道电位保持在安全电压范围之内，从而保证旅客的安全。在地铁运营中在杂散电流达到有关标准规定的范围时通常不会将其投入使用，否则会加剧杂散电流对轨道和结构的腐蚀。

3.3单向导通装置

为了降低杂散电流影响，在一些特定区域如汽车段、停车场，由于轨道与地面之间的过渡电阻比较低，从而使牵引电流沿轨道漏入地面，产生大量的杂散电流。解决办法是在铁路和铁路沿线的特定区域，采用绝缘接头隔离轨道，并在绝缘接头的两端安装一个单向导电装置，以防止轨道电流单向流向一个方向。对杂散电流的治理应以预防为主，在整个过程中对线路的阻值进行控制，加大线路绝缘等级，采用新的材料、新技术来改善线路的运行，并通过强化维修来达到对杂散电流的综合控制。

3.4严格遵守有关规定

在施工期间，要保证混凝土结构的干燥，增强对地绝缘性能，降低可能出现的杂散电流。通常在路基两侧设置排水沟，并适当增加间隔深度。为了防止两种结构间的金属连接，必须对道床和道床的钢筋进行隔离，必须满足有关技术规范，同时保证整个结构的绝缘性能。在地铁开通后，其运行维护对于防止杂散电流具有重要意义。首先要定期清理电线，清除污垢、沙土、油污、灰尘等，确保绝缘状态良好，并保持整体的干净。对路面上的积水要及时清除，确保路面的干燥。同时针对系统的检测状况，对线路的故障进行正确的处理。对关键部分采用保温材料进行多次覆盖，以增加其使用寿命、减轻劳动强度、提高维修效率。

4排流柜及杂散电流监测系统

4.1排流柜

排流柜是进行杂散电流腐蚀的重要措施，一般在牵引变电站内设置有排流箱。地铁的排流网会将杂散的电流聚集在一起，通过排流柜的处理，使其进入到正极，使杂散电流对地铁的影响降到最低。该排流箱通常由1条接地支路和4条排流支路组成，其中上、下两条排流网的出线端与排流箱的四条分支相连。将变电站的综合接地终端与排流箱的接地分支相连，采用二极管消除杂散电流，最后采用正极的整流器对其进行有效地控制。

4.2杂散电流探测装置

杂散电流监控系统一般由智能感应器、信号转换器、电机、计算机和监控设备等构成。信号适配器与传感器、监控设备之间通过总线相连，以完成数据传输。该监控设备通过电源管理系统和变电站的网络将有关的数据信息传输到监控系统的主机设备。大多数的排流柜与杂散电流的监测系统并未建立起有效的连接控制，并没有根据杂散电流的状况对其进行控制，而是在对接地电阻进行检测时进行启动。国内的地铁处理这种问题的方式各有不同，一般情况下，如果检测到一半以上的电势超过了一半，那么这个时候就会打开，这个办法还有待改进，以确保两者的一致性。

4.3独立设置牵引电流回流轨方案

地铁列车牵引采用三线牵引电流的方法，已经在国内各大城市轨道上得到了推广，技术上比较成熟，设有接地隔离的回流轨道，可以完全参考三号轨道的设计与施工，再加上列车向回流轨道的馈电，没有技术上的困难。由于轨道不能兼有回流轨道，因此可以从根本上解决散流腐蚀的问题，有效地减少了项目的施工和维修工作。取消与排放网络和与杂散电流有关的装置的安装。无漏电流，可省去排流网、排流柜、杂散电流检测器等。解除轨道限制装置的安装。铁轨与地面等电势、铁轨电势的影响已不复存在，上下铁轨和下铁线都可以直接省略。取消月台车门到地面的隔离带。车厢与地面等电位，不会因跨线电压而触电，月台车门可以直接与地面相连，无须设绝缘胶带，也无须等电位连接。地铁直流牵引供电系统中产生的过电压与杂散电流密切相关。当直流装置与地面绝缘时其与回路线路会产生相应的电位差异。在直流装置的外壳与保护接地之间，也存在着电流泄漏的问题。为了防止直流设备在运行期间发生腐蚀，必须在其外部安装相应的故障防护系统。在操作期间可以降低系统的失效，当装置的外壳腐蚀问题得到解决后，新的问题也随之产生。这是由于在金属外壳发生腐蚀的情况下，会出现短路电流。同时对地铁线路造成的地面危害也很大。如果不小心碰到了这种危险的电压，就会危及他们的生命。因此，要及时解决过电压问题，就必须采取行之有效的措施。因此为了解决过电压问题，需要在地铁线路的各个车站设置一定的过压保护措施。然后，利用这种过压保护装置的能量，合理地限制地铁线路对地面的过压，从而保证了地铁的直流电力供应系统的正常运转。同时还可以延长与本系统有关的设备的使用寿命，从而更好地发挥其使用价值。针对过电压问题，一般采用直流牵引电源的限位保护措施来解决，在适当位置上安装轨道电位限幅。这种设备可以准确地探测到他们之间的电位差。当站台接地和行走轨道的电压差小于设置值时设备将自动进行短路保护。而限位装置所造成的短路保护仅为一刹那，不久便会自行开启。当运行轨道与站台间的电压差异再次超出规定时设备仍将发生自动短路保护。而当二次自动短路保护后，两种电路的电压差距仍然达不到相应的规定，这种限位开关一旦关闭就不会自动开启，这就要求维护人员采取其他的措施来处理，从而有效提高杂散电流的防护效果。

结语：

地铁交通的安全运营，事关广大市民的切身利益，有关部门应加强对其的监管。杂散电流是影响地铁运行安全的主要因素，有关方面应对其成因进行详细的分析，并根据实际情况，从设计和后期维修等方面提出相应的对策，为直流牵引供电系统所使用的设备必须采用绝缘的方式。采用隔离结构，可以防止在流动时产生的杂散电流对金属材料的侵蚀。此外，应适当增大行走轨道与地面的电阻，降低杂散电流对地铁运行的不利影响，使地铁运行的整体水平得到有效地改善。

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