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摘要:地铁直流牵引供电系统中杂散电流对主体结构钢筋及其它金属结构的电化学腐蚀问题一直是影响地铁工程安全性的一大隐患。本文讨论了杂散电流产生及对结构钢筋和金属管线的腐蚀机理 ,提出了影响杂散电流的各参数与杂散电流大小及分布的关系和具体防护措施,并提出了杂散电流防护措施实施的具体方案。
关键词：城市轨道交通;直流牵引供电系统;杂散电流;腐蚀
一、绪论
目前国内外的城市轨道交通直流牵引供电系统中,普遍采用走行轨回流的供电方式。在这种供电方式当中,列车直流牵引供电系统采用正极接触网(轨),走行轨兼作负回流线。由于走行轨不可能与大地完全绝缘,且走行轨存在电压降,因此有少量电流不会沿着走行回流轨回到牵引变电所的负极,而是沿着大地回到牵引变电所或不回到牵引变电所,形成杂散电流。只要主体结构钢筋、金属管线流过杂散电流,在电流流过的地方就会造成腐蚀,如果防护不当,它还可能泄漏到线路外部,危害城市其它金属结构和管网设施。如香港曾因地铁杂散电流引起煤气管道的腐蚀穿孔,而造成煤气泄漏的事故。因此,在设计中研究杂散电流的分布与大小,分析杂散电流腐蚀状况无疑具有重要现实意义。研究杂散电流的特性和分布,将有助于设计、施工、运营的杂散电流防护,从而达到经济、可靠地限制杂散电流,防止腐蚀的目的。
二、杂散电流的腐蚀机理
由于电流的影响,发生在金属与周围环境间的电化学反应导致了电化学腐蚀。在电牵引系统中经常会遇到两种形式的腐蚀,即局部腐蚀和整体腐蚀。无论哪种形式,腐蚀的形成需要以下四个基本条件：
金属材料为阳极及另一个阴极区;
金属材料为阴极及另一个阳极区;
在阴极和阳极间存在电解质;
在阴极和阳极间形成电子流动径路。
以上条件满足后形成电池效应,从而导致腐蚀。
根据电化学理论,失掉电子过程为氧化反应,得到电子过程为还原反应。金属体为阳极时,金属被氧化产生离子进入电解质,并伴随释放电子。化学反应方程式为：
Fe++铁离子进入电解质,同时在金属体中留下2个电子,这样就产生了腐蚀。而在阴极将发生还原反应以保持电中性。在一个有空气的电解液中,水中的氧气与电子发生化学反应形成氢氧离子,即：
图2.1 直流牵引网杂散电流腐蚀示意图
由腐蚀反应产生的铁离子与氢氧根离子结合产生氢氧化铁,即铁锈,这在腐蚀后很容易看到。
钢轨对地有一定的过渡电阻,这样就会因电位差和过渡电阻的存在形成对地的泄漏电流。钢轨和管线为电子导体,土壤为离子导体,在A、C、E点电流流出形成阳极,B、D、F点电流流进为阴极,因此形成A一B、C一D、E一F三对电解电池。A、C、E点发生失去电子的氧化反应,出现腐蚀。
在牵引所与机车区段内,牵引所及负荷处钢轨电位最高,泄漏电流最大,在区段中部钢轨电位为零,此处无泄漏电流。负荷侧钢轨为正电位,地下管线受到保护,牵引变电所侧钢轨为负电位,地下管线容易遭受杂散电流腐蚀。
三、工程设计中杂散电流防护措施
3.1对城市轨道交通系统本身采取措施
1、供电臂长度
供电距离越短,钢轨泄漏电流和钢轨电位越低,杂散电流越小,越不易对结构钢筋或金属管线产生腐蚀。因此在布置牵引变电所时应适当考虑减小变电所距离,接触网上采用双边供电,尽量不采用单边供电。
2、回流走行轨纵向电阻
回流走行轨纵向电阻对泄漏电流及钢轨电位的影响很大,回流走行轨纵向电阻越小,产生的杂散电流越少,因此良好的回流是限制杂散电流源的一个根本措施。减小回流走行轨纵向电阻的措施主要有:
（1）增加回流走行钢轨的截面尺寸
（2）尽量多地设置钢轨之间的均流线
3、回流走行轨对地的过渡电阻;
回流走行轨过渡电阻对泄漏电流影响很大,对钢轨电位影响较小。回流走行轨过渡电阻越大,产生的杂散电流越少,因此很高的过渡电阻也是限制杂散电流源的一个根本措施。提高回流走行轨对地的过渡电阻的措施主要有:
（1）钢轨绝缘安装
（2）道床与结构钢筋间绝缘隔离
（3）利用绝缘轨缝隔离分区
（4）做好工程中的防水排水
4、机车负荷大小;
机车负荷电流对泄漏电流和钢轨电位都有影响,机车负荷电流越大,产生的杂散电流越多。机车负荷电流与系统电压、客流量、变电所间距、列车追踪时间间隔等有关。采用较高的系统电压可以减小负荷电流。
3.2对邻近城市轨道交通的地下结构采取措施
1、钝化防护
钝化防护就是减少周围介质中杂散电流进入到地下金属结构的保护方法。设计中应首先采用钝化防护,减少杂散电流进入地下金属结构的总量。通常采取的措施有:
(1)金属管线内外涂刷沥青等绝缘材料。
(2)金属管线安装于素混凝土支墩上,减少与土壤介质的接触。
(3) 保证包住结构钢筋的混凝土厚度。
(4) 金属管线采用绝缘法兰或绝缘短管分段。
(5) 电缆在支架上敷设时应具有绝缘垫层。
2、活化防护
活化防护就是杂散电流进入到金属结构后的保护方法。活化防护是补救措施,一般应用于已经受杂散电流腐蚀的金属结构。主要工程措施采取排流保护，将金属结构中流动的干扰电流,人为的使之直接回到整流器,达到防止管道电腐蚀的方法,称为排流法。排流法是防止电腐蚀的最实用和有效的方法。在直流电气化铁路中最常用的是极性排流法，该方法具有结构简单、效率高,能防止逆流的特点。实现方法是在变电所内设置排流柜,将需要受保护的金属结构接回到排流柜,排流柜再与整流器负极相连。
四、结论
直流牵引供电系统中的杂散电流会对城市建筑和城市轨道交通主体结构钢筋或金属管线产生电化学腐蚀,在工程设计、施工及运营维护中均应得到足够重视。本文分析了杂散电流产生及对结构钢筋和金属管线的腐蚀机理，得出了工程设计中杂散电流防护应采取的一般性措施。本文的研究仅仅是在这一领域进行了一些粗浅的探讨,由于自身水平有限和研究时间短,文中错误和不足在所难免,敬请各位专家和同行批评指正。
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论文作者:刘瀚聪
论文发表刊物:《防护工程》2018年第7期
论文发表时间:2018/8/8
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