浅谈地铁直流牵引供电中的杂散电流危害论文_庄晓泉

摘要：地铁随着运营年限的增加，直流供电中所产生的杂散电流腐蚀危害越发明显、严重。本文主要对地铁直流供电的杂散电流的危害性进行分析，并提出治理措施。

关键词：地铁；杂散电流；直流牵引供电；危害

一、杂散电流的危害

地铁大部分采用的是直流牵引供电系统，由接触网直流供电，电流经过行轨回到变电所。此种供电方式为列车作为载体，在运行过程中可能出现不同的运载状况，如空载、轻载、重载，特别是在进站、出站的行车速度导致行轨上的回流差别很大，存在电压降，一部分电流无法回到变电所，而是流入大地，导致杂散电流存在（图1）。目前，在我国以及国外的地铁供电回路当中，通常在地铁沿线地下都埋有很多金属管道等导体，当地铁牵引回流流经这些金属导体时，会对这些导体造成破坏，杂散电流对这些金属结构的破坏形式主要包括腐蚀和坑蚀，坑蚀是一种发生在金属导体局部的腐蚀，会在金属表面腐蚀出坑槽。地铁杂散电流对导体的破坏主要为坑蚀，其本质是电化学腐蚀。

图1 双边供电电流分布示意图

电化学腐蚀有阳极反应和阴极反应，二者通过电子在电解质中的流动产生联系构成原电池，阳极和阴极反应可由式1和式2描述。

以上两式中：Me 代表阳极被腐蚀金属导体，D 代表阴极氧化剂。从电化学腐蚀的阴、阳两极反应方程式中可以看出，在腐蚀发生过程中，金属作为阳极，失去电子被氧化成离子形式，造成金属结构被破坏。

铁锈沉淀在被腐蚀金属表面持续膨胀导致金属破裂，还可能对地铁隧道主体结构的钢筋混凝土结构造成破坏，如果这些情况发生，将会对地铁的正常运营造成十分严重的影响。

除去地铁杂散电流的腐蚀之外，还有自然腐蚀也会对地下金属管网造成破坏，但是自然腐蚀的腐蚀电流特别小，只是毫安级别，而地铁杂散电流则能够达到几安培甚至上百安培，所以地铁杂散电流对地下金属管网的破坏相比自然腐蚀要严重许多。随着城市规模的不断扩大，地铁线路的建设也越来越多，因而地铁杂散电流对地下金属造成影响的区域也随之不断扩大，另外由于对杂散电流有影响的一些因素是随时间变化的，所以杂散电流对地下金属管网的腐蚀也具有一定的不确定性。由于地铁杂散电流峰值可以达到上百安培，如果腐蚀发生在金属局部位置时，腐蚀过程就会很剧烈，会在较短时间内对金属结构造成严重破坏。

图 1 为地铁杂散电流腐蚀地下的金属及钢轨元件

二、典型的牵引供电系统

典型的牵引供电系统如图1所示，由牵引变电所、接触网、馈电线、机车、钢轨、大地、回流线构成直流牵引供电系统的供电回路。牵引供电系统的电压等级为750V、1500V。整个地铁线路分为若干个供电区间。由图2可见，牵引变电所之间由接触网相连，长度为2km左右，俗称“供电臂”。供电臂的长度为所在供电区间长度。牵引变电所是通过接触网向列车供电的，在理想情况下，各个牵引变电所母线输出电压相等，均等于额定牵引电压值，不出现母线电压偏差，牵引变电所为其连接的供电臂供电。变电所之间的供电臂不能过长不能过短，若供电臂过长，则电流在接触网上的压降越大，使得供电臂末端的电压过低造成较大的电能损耗；若供电臂过短，则相同距离所需的变电所数目增加，导致投资过大。

图2 典型的直流牵引供电

列车由接触网取流，电流又经走行轨回到牵引变电所。由于钢轨无法做到对地完全绝缘，所以有一部分电流未经走行轨回到牵引变电所，而是经由钢轨流入大地，再由大地回到牵引变电所，这一部分电流就是杂散电流。钢轨对地绝缘越差，则杂散电流越大。杂散电流受外界环境影响因素很多，较难确定其具体量。虽然产生杂散电流的原因很多，但可以归结出主要两点：电流泄露和电位梯度。形成杂散电流的主要原因之一是钢轨无法对地完全绝缘造成电流泄露。另一原因是存在电位梯度。若金属置于一电位分布不均匀的电场中，其内部自由电子会在电场的作用下发生定向移动，从而造成电子与阳离子的分离，这就是由于存在电位梯度。由电位梯度产生的杂散电流，通常是由于埋设管线附近埋有施加阴极保护的管线，它会在其周围空间形成电场，在受干扰管线中感应电势差，从而产生杂散电流。

图3 钢轨电位限制装置结构图

图4 铺设排流网回流路径截面

城市轨道交通系统建设之初就已经认识到杂散电流会造成的危害，在设计和施工过程中采取各种方法加强走行轨与大地的绝缘以防止电流泄露。在轨道交通运行初期，走行轨与大地的绝缘程度高，泄露电流较小，则杂散电流较少。但随着时间的增加，轨道交通运行年限的增长，绝缘材料的老化，同时受到自然环境的各种侵蚀，污染等因素的影响。走形轨对地绝缘程度越来越差，从而造成杂散电流的增大。

据统计，1A的杂散电流可造成33.5kg铅、16kg铜、9.13kg铁和3kg铝的腐蚀。在杂散电流干扰比较严重的区段，电流可达几十安培甚至几百安培。在这种情况下，壁厚8～9mm的钢管，快则2-3个月就会穿孔，因此，杂散电流造成的腐蚀相当严重。某个区段中较大的杂散电流，不仅可能使车站、区间隧道和周边建筑主体结构中的钢筋发生电化学腐蚀，也会对周边建筑物整体强度和耐久性大大降低，甚至会出现开裂、下沉；也可能使地铁系统内的埋地金属管线和各种城市用公共金属管道（水、电、油、气管道等）在自然腐蚀的环境下又受到电腐蚀的作用，产生很严重的局部腐蚀。因此，如不采取有效的防护措施，不仅会造成经济上的巨大损失，甚至会酿成灾难性的事故。由于国内采用的直流牵引供电方式，所以杂散电流对各城市轨道交通危害严重，北京地铁一期出现过主体结构钢筋严重腐蚀，隧道内水管腐蚀穿孔。香港地铁因杂散电流造成管道腐蚀穿孔，造成煤气泄漏事故。在国外也存在严重杂散电流腐蚀问题。有因杂散电流造成钢筋混凝土塌方，有因杂散电流造成水管腐蚀穿孔等事故。因此，治理杂散电流具有极其重要的现实意义。

三、杂散电流治理措施

可以从外加防护设备和对回流系统自身改进两个方面考虑防治地铁钢轨电位异常升高和杂散电流腐蚀地下金属管网问题。在钢轨与地之间加装钢轨电位限制装置是从回流系统外部防治钢轨电位异常升高的主要方法。钢轨电位限制装置的结构如图3所示。

钢轨电位限制装置的控制单元对轨——地电位进行采集，当采集的轨——地电位高于设定值时，开关闭合，钢轨与地接通，钢轨电位迅速降低，

当轨——地电位降低到低于设定值时，开关打开。

在钢轨与地之间铺设排流网来收集杂散电流时从回流系统外部减小地铁杂散电流的重要手段。《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》中要求将地铁结构钢筋进行可靠焊接，为杂散电流提供回流通路，最终尽量多的将杂散电流引回到牵引变电所负极。铺设排流网之后，流入地下金属结构的杂散电流占全部牵引电流的比值比没有铺设排流网时有很大程度的减小。铺设排流网的回流路径截面如图4 所示。

可以尽量减小钢轨电阻、增加轨——地绝缘程度、减小列车牵引电流、缩短供电距离，从而达到通过改善回流系统内部参数来防治钢轨电位异常升高和杂散电流对地下金属腐蚀的目的。

为了尽量减小钢轨电阻，地铁线路建设时，在综合考虑投资、运力等因素的前提下，尽量采用横截面积较大的钢轨；钢轨连接处尽量采用无缝焊接；道岔等容易造成钢轨电阻增大的位置处应合理使用电缆连接不同钢轨。

增加轨——地绝缘程度的方法主要有：钢轨安装使用绝缘扣件；通过绝缘轨缝隔离相邻的供电分区，使各供电分区的牵引电流独立回流到牵引变电所负极；按照规定的检修规程，对轨道进行定期、合理的检修。

地铁列车运行所需牵引电流与供电系统电压、客流量、列车发车间隔等因素相关，实际运行经验显示，采用 VVVF 型地铁列车，节能效果更明显，可以有效减小负荷电流。

参考文献：

[1]曹阿林.埋地金属管线的杂散电流腐蚀防护研究[D].重庆：重庆大学，2010.

[2]李建民.城市轨道交通供电系统杂散电流检测与控制[J].仪表技术与传感器，2007，10：73-78.

论文作者:庄晓泉

论文发表刊物:《基层建设》2016年13期

论文发表时间:2016/10/19

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