關(guān)于地鐵的雜散電流防護(hù)措施分析

1、關(guān)于地鐵的雜散電流防護(hù)措施分析摘 要 ：目前我國(guó)地鐵的供電方式基本都是采用直流牽引，地鐵在運(yùn)營(yíng)中所產(chǎn)生的雜散電流會(huì)通過(guò)鋼軌泄漏到地上，它嚴(yán)重腐蝕地下金屬管道線路和鋼筋結(jié)構(gòu)，影響地鐵的安全運(yùn)營(yíng)。這種雜散電流的腐蝕會(huì)減少埋地管線的使用壽命，降低地鐵主體結(jié)構(gòu)的耐久性和強(qiáng)度，有時(shí)甚至?xí)斐蔀?zāi)難性的事故，同時(shí)還會(huì)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。因此，全面考慮地鐵雜散電流腐蝕問題，探討更為有效的雜散電流腐蝕防護(hù)措施，對(duì)保證地鐵安全運(yùn)營(yíng)具有十分重要的意義。關(guān)鍵詞 ：地鐵 ；雜散電流 ；電流腐蝕 ；防護(hù)措施 ；直流牽引目前，我國(guó)地鐵供電系統(tǒng)基本上采用的是直流牽引供電方式，牽引變電所提供地鐵列車需要牽引的電流，先通過(guò)架空線

2、或接觸軌向地鐵列車輸送直流電，再通過(guò)走行軌回流到牽引變電所。鋼軌理論上對(duì)地絕緣安裝，但因?yàn)槭┕すに嚰敖^緣材料性能等原因，鋼軌不可能做到對(duì)地面完全絕緣。而且鋼軌的絕緣水平會(huì)隨著絕緣材料的老化而漸漸降低，造成部分的電流不從走行軌回流，而是以散流的形式流入大地，再由大地流回走行軌并返回牽引變電所，從而形成雜散電流。1 雜散電流的腐蝕機(jī)理地鐵（輕軌）采用直流供電方式，利用鋼軌作為回流線，由于鋼軌對(duì)地絕緣不充分，直流供電的地鐵系統(tǒng)的走形軌本身具有電阻且走形軌對(duì)地做不到完全絕緣，所以有一部分電流從走形軌泄漏到大地。這部分從走形軌漏出的電流被稱為雜散電流，又叫迷流。雜散電流從走形軌漏出后，經(jīng)過(guò)地鐵的道床流入

3、大地，然后從大地流回鋼軌回流點(diǎn)。這種雜散電流對(duì)地鐵隧道中的結(jié)構(gòu)鋼筋產(chǎn)生腐蝕，破壞了結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度，降低了其使用壽命。雜散電流腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕，電化學(xué)腐蝕反應(yīng)是一種氧化還原反應(yīng)。在反應(yīng)中，金屬失去電子而被氧化，其反應(yīng)過(guò)程稱為陽(yáng)極反應(yīng)過(guò)程。介質(zhì)中的物質(zhì)從金屬表面獲得電子而被還原，其反應(yīng)過(guò)程稱為陰極反應(yīng)過(guò)程。進(jìn)行電子傳導(dǎo)的金屬導(dǎo)體與進(jìn)行離子傳導(dǎo)的電解質(zhì)相接觸的界面稱為電極系，電子導(dǎo)體和離子導(dǎo)體的接合稱為e-i接合。 地鐵直流牽引供電方式所形成的雜散電流及其腐蝕部位如圖1所示，走行軌和金屬管線均為電子導(dǎo)體，地面為離子導(dǎo)體，電子在A點(diǎn)和D點(diǎn)流出，那么金屬導(dǎo)體和地面一起組成的界面為陽(yáng)極。在電流經(jīng)過(guò)過(guò)程中，

4、如果電流在B點(diǎn)和F點(diǎn)流入，那么地面與金屬導(dǎo)體所共同組成的界面為陰極。根據(jù)圖1可以看出，雜散電流所流過(guò)的地方可以看成兩個(gè)電解電池串連在一起。當(dāng)雜散電流由鋼軌（A）和金屬管線（D）部位流出時(shí)，都會(huì)發(fā)生失掉電子的氧化反應(yīng)，該部位的金屬就會(huì)遭到腐蝕。2 雜散電流的危害地鐵的雜散電流是一種有害的電流，會(huì)對(duì)地鐵中的電氣設(shè)備、設(shè)施的正常運(yùn)行造成不同程度的影響，還會(huì)對(duì)隧道、道床的結(jié)構(gòu)鋼和附近的金屬管線造成危害。這種危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）若地下雜散電流流入電氣接地裝置，將會(huì)引起過(guò)高的接地電位，使某些設(shè)備無(wú)法正常工作，甚至?xí)＜叭松戆踩＃?）如果走行軌的局部或整體相對(duì)與地面的絕緣性變得差了，那么這個(gè)

5、走行軌就會(huì)泄漏更大的電流給地面，增大地下的雜散電流，這時(shí)就有可能導(dǎo)致牽引變電所的框架保護(hù)行為。而框架保護(hù)行為則會(huì)使得整個(gè)牽引變電所的整流機(jī)組跳閘，還會(huì)使相鄰牽引變電所對(duì)應(yīng)的直流饋線斷路器失效，造成接觸網(wǎng)大范圍停電，從而對(duì)地鐵的正常運(yùn)營(yíng)造成很大影響。（3）雜散電流會(huì)對(duì)地鐵隧道、道床以及其他建筑的結(jié)構(gòu)鋼筋和埋在附近的金屬線路管道造成電腐蝕。要是這種電腐蝕存在的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)損壞在地鐵附近的各種地下金屬管道線路和結(jié)構(gòu)鋼筋組織，使結(jié)構(gòu)鋼筋的強(qiáng)度逐漸變?nèi)?，縮短了它的使用壽命，造成嚴(yán)重影響。3 地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)措施和監(jiān)測(cè)手段3.1 雜散電流腐蝕防護(hù)措施雜散電流的防護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“以堵為主，以排為輔，堵排結(jié)

6、合，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)”的原則。3.1.1 “堵”源控法。源控法就是隔離、控制所有可能的雜散電流泄漏途徑，減少雜散電流進(jìn)入地鐵的主體結(jié)構(gòu)、設(shè)備及其相關(guān)的設(shè)施。根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，單邊供電情況下雜散電流的公式如下：雜散電流值與列車到牽引變電所距離的平方成正比；與回流走行軌縱向電阻成正比；與牽引電流成正比；與走行軌的對(duì)地過(guò)渡電阻成反比。目前地鐵采用了很多有效方法，很多新方法也在不斷被提出并應(yīng)用于實(shí)踐。（1）在可能的情況下，設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)縮短變電所的位置。（2）減小機(jī)車取流量，牽引網(wǎng)采用雙邊供，提高直流牽引電壓。（3）加強(qiáng)走行軌對(duì)地絕緣，增大軌道對(duì)主體結(jié)構(gòu)的過(guò)渡電阻。（4）保持牽引回流通路順暢，安裝均流電纜，設(shè)法降低

7、走行軌的電阻值。（5）采用隔離法，減少雜散電流的蔓延。3.1.2 “排”排流法。排流法就是通過(guò)雜散電流的收集及排流系統(tǒng)，提供雜散電流返回至牽引變電所負(fù)母線的通路，防止雜散電流繼續(xù)向本系統(tǒng)外泄漏，以減少腐蝕。目前地鐵采用的智能排流柜工作原理 如圖2所示，直流接觸器CZ用于控制排流支路是否投入使用，R、C用于抑制主回路通斷時(shí)產(chǎn)生的尖峰脈沖，硅二極管D1用于防止逆向排流，快速熔斷器Fu用于在出現(xiàn)短路等故障時(shí)保護(hù)排流柜電路免受損害。電流傳感器M用來(lái)檢測(cè)排流回路中的排流電流量的大小，然后通過(guò)排流柜控制器控制IGBT通斷的占有比率，控制電流輸送的大小。當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，排流回路中串入R1和R2，排流電流較

8、小。正常情況下，IGBT的導(dǎo)通占空比將排流電流量控制在規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi)。3.1.3 其他雜散電流腐蝕防護(hù)方法：（1）陰極保護(hù)法。在需要保護(hù)的金屬結(jié)構(gòu)上外接一直流電源的負(fù)極，使得金屬結(jié)構(gòu)對(duì)地電位降低，從而達(dá)到防電蝕的目的。由于陰極保護(hù)需要外加一獨(dú)立直流電源，其本身也是一腐蝕源，因此在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)慎用。（2）陽(yáng)極保護(hù)法。將被保護(hù)結(jié)構(gòu)件的電位提高到鈍態(tài)電位，從而阻止雜散電流腐蝕。由于地下結(jié)構(gòu)設(shè)施復(fù)雜，在實(shí)際實(shí)施中是很難將被保護(hù)的設(shè)施提高到鈍化電位的。3.2 雜散電流腐蝕防護(hù)的監(jiān)測(cè)手段設(shè)計(jì)完備的雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能監(jiān)視和測(cè)量雜散電流的大小，為運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供依據(jù)。雜散電流難以直接測(cè)量，通常利用結(jié)構(gòu)鋼極化電壓

9、的測(cè)量來(lái)判斷結(jié)構(gòu)鋼筋是否受到雜散電流的腐蝕作用，極化電壓的正向偏移平均值不應(yīng)超過(guò)0.5V。在整體道床上埋入一個(gè)長(zhǎng)期有效參考電極，用于測(cè)量排流網(wǎng)與整體道床參考電極的電壓；在隧道的側(cè)壁也埋入一個(gè)有效參考電極，測(cè)量結(jié)構(gòu)鋼與側(cè)壁參考電極的電壓。軌道電位是測(cè)量軌道與側(cè)壁結(jié)構(gòu)鋼之間的電壓。3.2.1 自然本體電位U 0的測(cè)量。在沒有雜散電流擾動(dòng)的情況下，測(cè)量的地鐵埋地金屬對(duì)地電位分布呈現(xiàn)一穩(wěn)定值，此穩(wěn)定電位我們稱之為自然本體電位U 0。地鐵一天內(nèi)有幾個(gè)小時(shí)的完全停止運(yùn)營(yíng)時(shí)間，在列車停止運(yùn)行2h后，可以進(jìn)行自然本體電位U 0的自動(dòng)測(cè)量。當(dāng)存在雜散電流擾動(dòng)的情況時(shí)，測(cè)量電位出現(xiàn)偏離，所測(cè)電位為U 1，其偏移值

10、為?U 。3.2.2 半小時(shí)軌道電位最大值測(cè)量。從嚴(yán)格意義來(lái)講，軌道電位應(yīng)是以無(wú)限遠(yuǎn)的大地為基準(zhǔn)，而走行軌電位測(cè)量以無(wú)限遠(yuǎn)的大地是很難實(shí)現(xiàn)的，在測(cè)量中一般是測(cè)量走行軌對(duì)埋地金屬結(jié)構(gòu)的電壓來(lái)代表軌道電位。由于軌道電位的瞬時(shí)值變化很大，因此在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，其監(jiān)測(cè)和計(jì)算的參數(shù)并不太準(zhǔn)確。4 結(jié)語(yǔ)目前我國(guó)地鐵建設(shè)進(jìn)入繁榮時(shí)期，雜散電流的防護(hù)問題在地鐵的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中是一個(gè)重要問題。需要分析雜散電流的分布規(guī)律，了解各種影響雜散電流分布的因素，并且設(shè)計(jì)出合理有效的防護(hù)雜散電流的方案，才能減少在地鐵建設(shè)中的投資、降低地鐵的運(yùn)營(yíng)成本。關(guān)于地鐵雜散電流的防護(hù)的研究是一個(gè)系統(tǒng)長(zhǎng)期且復(fù)雜的過(guò)程，要完成需要各個(gè)部門及相關(guān)專業(yè)人員的協(xié)作，在本文研究的基礎(chǔ)上加以更深入的探討。參考文獻(xiàn)1 王勇深圳地鐵的雜散電流防護(hù)措施分析 J鐵道機(jī)車車輛，2001，（5）：36-372 李威，王禹橋，王愛兵地鐵雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制J電氣化鐵道，2004，（5）：