轨道交通杂散电流的综合防护措施及关键技术研究

戴丽君，成明华，杨立新，张喜海

（1.南京铁道职业技术学院，江苏 南京 210031；2.中国铁路上海局集团有限公司徐州供电段，江苏 徐州 221010；3.中国铁路设计集团有限公司，天津 300308）

0 引言

轨道交通的发展与地下密布的市政管网之间的干扰和影响越来越多，以致轨道交通列车牵引时所产生的杂散电流被市政部门称为一种“公害”。轨道交通牵引供电系统中，应该加强对轨道交通和市政管网的统一规划，深入研究杂散电流防护技术，不断研制有效的防护设备，同时还要加大对各部门的协调力度，对杂散电流问题进行综合治理。轨道交通杂散电流对管道直流干扰的研究，国外从1888 年便开始研究，已有百年的研究历史。他们对因电流方向改变的频率变化的腐蚀影响进行研究，结果发现随频率增加，电极的腐蚀率下降。国内研究轨道交通杂散电流干扰腐蚀的时间较短，1985年，利用高抗干扰性的恒电位仪和钳位式排流等手段来克服京秦铁路电气化对管道的干扰影响，并取得显著成果[1]。

1 轨道交通杂散电流形成

1.1 杂散电流形成过程

牵引变电所通过馈电线与接触网相连，把电能输送到接触网上然后经由受电弓传送给电力机车，并驱动机车运行，在电力机车运行时车轮与钢轨接触，大部分的回流电从钢轨回到牵引变电所。但是大地中会存在各种导电离子，大地与铁轨之间就会形成微导通状态，大约5%的电流会因为绝缘不良，直接泄露到大地并且流回牵引变电所，即为杂散电流。杂散电流具体形成过程如下图1。其中I1，I2是牵引负荷电流，I3，I4是流回到牵引变电所轨回流，I5，I6是泄漏到大地或结构钢筋等金属管线的杂散电流[2]。

图1 杂散电流形成原理图

1.2 杂散电流大小

研究表明，钢轨电位的大小与钢轨泄漏电阻的关系不大，当钢轨对地泄漏电阻在5-100 Ω·km范围内变化时，由于受到从牵引变电所至列车位置处的钢轨纵向电压钳制，钢轨对地电位基本不变[3]。其杂散电流的大小为从钢轨泄漏至地下电流密度的积分，即：

式（1）中，IS流入地下的杂散电流；VR钢轨正电位；RT泄漏电阻；RR钢轨电阻；IR钢轨回流电流。

2 杂散电流腐蚀机理和危

2.1 杂散电流的腐蚀原理

泄露到大地中的电流流回牵引变电所的时候，从钢筋混凝土等建筑物流出时会造成建筑物的类似于电解腐蚀。杂散电流在金属中构成一个腐蚀电池，电流流入部位为负极，电流流出部位为正极。在正极和负极将发生阳极反应和阴极反应，在土壤中结合成腐蚀产物Fe(OH)2，继续氧化成铁锈成分，从而造成管道腐蚀。

2.2 杂散电流的腐蚀危害

从杂散电流路径可知，有一部分的杂散电流是通过埋设于地下的管道、钢筋等金属结构到达牵引变电所。金属中的阳极发生电化学腐蚀（以金属铁为例），其体积可膨胀2-4倍，进而使混凝土内部形成拉应力。随着腐蚀反应的不断进行，铁锈量不断增加，对周围的挤压力也不断增加。当由铁锈产生的拉应力强度超过抗拉强度时混凝土会沿钢筋方向开裂。杂散电流会对许多物体造成损害，主要有对走行轨及其附件的腐蚀，对混凝土结构的破坏，对地下金属的腐蚀和毁坏排流设施等其他危害[4]。

3 轨道交通杂散电流的防护方法

3.1 防护思路

（1）处理好“普遍”与“重点”的关系。所谓“普遍”是指从轨道交通的土建工程和供电系统各个方面普遍采取措施，将杂散电流泄露的途径封堵，防止其向外部泄露。之所以这样做，是因为外部市政或其他管线繁多，敷设环境复杂，其防护标准和要求各不相同，处理起来相当困难，过程也很长，甚至于对杂散电流的处理会影响到轨道交通工程自身的建设时间，因此在轨道交通全线进行普遍防护，尽量减少对外界的干扰是防护工程的主要方面。“重点”是指轨道交通沿线受杂散电流危害的程度不同，腐蚀严重处主要发生在牵引变电所附近和土建工程的薄弱地点，另外市政管线距轨道交通的最近处也是防护重点。若能在“重点”区域采取加强措施，将会对杂散电流防护起到事半功倍的作用。即不但防护效果良好还节省大量工程投资，这点应该在防护设计中尤为注意。

（2）处理好“堵”与“排”的关系。“堵”的含义是从杂散电流产生的源头采取措施减少电流的量值，并阻止其向走行轨外部漏泄，因此相关措施也称为“源控法”。“排”的含义是将少量已经外漏的杂散电流利用土建工程中的纵向金属线路加以收集，并与变电所设置的排流器连接，使该部分杂散电流尽量以电路导电形式回到牵引所，避免金属结构与电解液间产生过多的离子交换，与此相关的措施也称为“排流法”。

“堵”和“排”是杂散电流防护的两个方面，是相辅相成的，应该根据实际工程情况灵活运用。从防护原则看，“堵”是治本之道，是防护的主要方面，但作为实际工程的可能性，当杂散电流被限制到一定量值后，再进一步减小是非常困难的，要付出极大代价，对于工程建设是不合适的，此时应辅助采取“排”的方法。

目前来说普遍采用“排流保护、分段隔离”等综合治理措施来防护管道干扰的问题，同时按“四统一分”（统一设计、统一测试、统一评价、统一管理、分别实施）原则对干扰方和被干扰方进行联合防护发展。

3.2 防护原则

（1）“以防为主”：控制所有可能的杂散电流泄漏途径，从源头上减少杂散电流进入内部系统和沿线设备。施工设计时要减少供电系统与其他构筑物的电气连接，要综合考虑防治措施。首先在轨道交通线内部设立结构钢筋电气连通，把所有结构钢筋和接地点连接在一起，将泄漏的杂散电流排流回牵引系统；其次由外界引入轨道交通内部或由轨道交通内部引出的金属管线均应进行绝缘处理后方可引入和引出；在此牵引变电所内和区间的交直流供电设备在安装时与结构钢筋和结构主体绝缘安装；最后走行轨道在施工时，采用与轨道道床绝缘的安装方式。（2）“以排为辅”：建立能够收集杂散电流的排流系统。起到能够从回流轨上泄漏的杂散电流回流的作用，进一步限制杂散电流外泄。（3）“加强监测” ：设置监测系统，建立监测系统，寻找出杂散电流危害较大的地方以进行有效防护。

杂散电流监测系统由轨道电位测试端子、参比电极、主体结构钢筋测试端子、排流网测试端子、电位测量箱以及杂散电流综合测试装置构成。通过数据采集仪收集数据，接收电位测量箱测量电位的信号，记录并保存，与计算机同步监测记录，对数据进行分析后若发现异常，则发出报警信号。此法便于对杂散电流的情况进行监控并及时处理。经由监测、排流、防护等多种措施的联合防控，有效降低杂散电流对金属腐蚀的影响，能够达到提高轨道交通系统使用年限和保护环境的要求[5]。

4 杂散电流防护措施

4.1 控制泄漏电流

（1）远离杂散电流干扰源：规划管道尽量避开轨道交通、输电线路等杂散电流干扰源。（2）提高接地电阻阻值：提高管道与大地之间的电阻和提高正负极的边界电阻。（3）增强日常维护：对较易遭受损害的地区要经常维护。

4.2 排流法

利用智能排流柜等设施将杂散电流排出去，同时能够对排流电流自动调节。排流法是指在站场内埋入地下容易被腐蚀的金属与钢轨连接，使进入金属中的电流重新经由钢轨返回牵引变电所的方法。排流法主要有三种：直接排流法、选择排流法和强制排流法。

4.3 阴极保护法

利用外加电源或者牺牲阳极的阴极保护法进行保护。设有阴极保护的管道，采用负电位排流方式或采用钳位式排流器、固态去耦合器等排流设备进行排流。采用牺牲阳极作为阴极保护的管道，一般采用负电位排流方式。

5 结语

本文通过轨道交通供电系统对埋地管道产生的干扰腐蚀机理的仔细分析，认真梳理国内外防护标准、设计方案和排流方法，观点鲜明，创新点丰富，对杂散电流的防护提出“一防，二排、三监测”的改进措施。针对目前通常采用的排流方式不足之处提出新的排流理念和措施，不但可以用于电气化铁道交流干扰防护系统还可应用于城市轨道交通停车场、车辆段中，改进了排流装置的方案。对于金属埋地管道防护，能够降低镁阳极等材料的消耗，从而降低工程运营及维护成本，具有良好的社会意义和经济效益。