地铁杂散电流腐蚀问题解决方案研究

2021-09-14 15:14:35 作者：腐蚀与防护来源：腐蚀与防护分享至：

地铁牵引供电系统的安全可靠是地铁运营的重要保证。城市的地下管道系统非常错综复杂，煤气管道、输油管道、排水管道、通信管道等相互交叉，它们跟地铁轨道相互交叉是不可避免的。杂散电流会引起这些管道的电化学腐蚀，国内就曾出现过水管被杂散电流迅速蚀穿，石油、燃气管道被腐蚀引起管道泄漏等事故。彻底解决杂散电流腐蚀问题是地铁项目始终存在的一个工程难题。

杂散电流的成因及危害

由于城市轨道交通供电线路位于城市建筑物内，供电电压过高不太合适，所以城市轨道交通运营一般采用直流供电，减少电压损失。地铁牵引变电所将10kV电能降压、整流后经过牵引变电所为地铁列车提供电能。牵引变电所提供电客车运行所需电流，母线通过接触轨或接触网吸收电流，电流通过接触轨返回牵引变电所负极。具体路径为：牵引变电所正极-接触网-受电弓-车辆荷载-轮对-轨道-地下回流线-牵引变电所负极。

由于运营环境、经济等方面的限制，运行轨道和道床结构不能完全绝缘。随着地铁运营时间的推移，隧道污染、潮湿、渗水等问题将逐渐增多，将大大降低地铁车站和区间隧道的轨地绝缘性能。许多初始保护措施的效果也会随着时间的推移而降低，各种因素的不断积累，增加了运行钢轨对周围介质的漏电流。因此地铁或轻轨列车在地下运行时，牵引回流电流的回流路径不可避免地会有部分电流经走行轨向道床及其它结构泄漏到道床及其周围大地土壤介质中，再由大地流回走行轨返回牵引变电所，形成杂散电流。牵引电流的大小和钢轨对地面的绝缘性能，直接决定这杂散电流的大小。

杂散电流腐蚀特点如下：

1、杂散电流的腐蚀往往是地域性的，在某一区域内，所有埋地金属构筑物均会受到影响，而且干扰有交互作用，干扰体也是一个干扰源；

2、杂散电流的腐蚀比较严重，腐蚀多集中于局部位置腐蚀，它会提升金属构筑物的电位，使更大的电流流过金属构筑物或金属管线；

3、有防腐层时，往往腐蚀集中在防腐层的缺陷位置，防腐层的剥离、破裂和穿孔等使绝缘电阻大幅下降，将会使大量的杂散电流流过该区域。

基于以上特点，杂散电流的腐蚀主要有以下三种危害：

一是腐蚀轨道交通主体结构的钢筋，影响主体结构的使用寿命和安全；

二是腐蚀轨道交通的金属管道，提高轨道交通的运营风险和成本；

三是腐蚀轨道交通沿线城市公共管线和结构钢筋，降低轨道交通沿线公共设施的可靠、安全性。

杂散电流的防控

地铁杂散电流保护的原则是“以防为主，以排为辅，防排结合，加强监测”。为防止杂散电流的产生，在地铁设计阶段必须设计严格、完善的杂散电流保护措施，在施工过程中必须严格施工，尽量限制或减少杂散电流的产生和泄漏，并提供杂散电流的回流路径，如增加杂散电流的收集和排放系统，尽可能减少杂散电流的泄漏，加强监测，就是要有一个完善的杂散电流监测系统。地铁线路参数的实时监测，使维护人员能够及时处理，保证地铁系统的安全稳定运行。

地铁线路杂散电流保护是一项系统工程。目前常用的保护措施大致可分为以下两类：

01. 源头控制

源头控制主要是指在地铁建设中，采取必要措施，限制杂散电流向地铁外侧扩散，使轨道内的电流回到牵引变电所的负极，而不是向地下泄漏。因此，应根据实际经验和杂散电流的仿真计算，尽可能提高钢轨与地面的绝缘性能，以控制和减少杂散电流的来源，隔离所有可能的杂散电流泄漏，可见杂散电流与列车牵引电流成正比，与牵引变电所之间的距离成反比，与回流轨的纵向电阻成正比，与钢轨对结构钢筋的过渡电阻成反比，所以，可以通过以下途径控制杂散电流的源头：

（1）提高列车的牵引电压，减小列车牵引电流

根据功率公式P=UI，直流牵引电压越高，牵引回路电流越小。由于杂散电流与牵引回路电流成正比，增加直流牵引电压可有效降低杂散电流。目前，DC750V和DC1500V是我国地铁牵引供电系统的主要供电电压。DC1500V产生的杂散电流小于DC750V产生的杂散电流。

（2）合理设置变电所，缩短供电距离，降低钢轨电位

因杂散电流值与牵引变电所的距离成正比，牵引变电所的整定距离不宜过长。在地铁线路运行中，单边供电方式会增加牵引变电所之间的补偿电流，从而导致杂散电流也随之增大；双边供电模式下，牵引变电所之间的补偿电流会明显降低，杂散电流也会随之明显降低，所以，供电区间内应尽量采用双边供电模式。

（3）尽量减小钢轨的纵向电阻

当钢轨纵向电阻较大时，钢轨回流引起的压降也较大，钢轨与地面的电位差也会增大，从而增大杂散电流泄漏。因此，钢轨的纵向阻力需要最小化。在保护设计中，应首先选用低阻材料，以增大钢轨的截面积。短钢轨与长钢轨焊接时，应尽量减少钢轨焊接接头的纵向高电阻率。目前，为了降低轨道接头电阻，为杂散电流提供一条低电阻路径，减小杂散电流，通常采用长轨道和附加电缆连接两条回流轨道，另外，还可以从道床设计方面加强钢轨的绝缘，可以采用胶支撑浮制板式道床形式。

（4）增大轨道对地的过渡电阻

由于杂散电流与轨道对结构钢筋的过渡电阻成反比，增大轨道对结构钢筋的过渡电阻可以有效地减小杂散电流。随着地铁运营时间的增加，轨地过渡电阻减小，可通过嵌埋绝缘材料、加强钢轨与轨枕的绝缘连接等方式增大过渡电阻，以减少杂散电流。

02. 排流控制

目前，在地铁线路直流牵引供电系统初期，会采用多种防护措施，保证回流轨对地绝缘完好，不产生或产生很少的杂散电流。但随着使用时间的增加，回流轨和绝缘扣件之间，回流轨与道床之间的绝缘垫片会不断受外界环境的影响，如潮湿、渗水等，使绝缘性能下降，产生大量的泄漏电流。针对该情况，可以通过设置合理有效的排流网，将回流轨中向地下泄漏的电流引回到牵引变电所，从而减少杂散电流的产生。

漏电保护是一种保护金属结构的无源电化学保护技术。其基本原理是减少走行轨，通过导线将受保护金属结构的阳极区连接起来，使埋地金属结构中的杂散电流通过导线从阳极区流回钢轨，最后流回牵引变电所的负极。此时，受保护的金属结构在极区变为负值，阴极区的金属将被还原以保护金属。

在地铁系统设计初期，一般需要设置有效的排流网络装置，通过排流网络收集泄漏的杂散电流，提供杂散电流的回流路径，减少杂散电流的扩散。

铁排流网一般由主体结构钢筋网和混凝土整体道床内杂散电流收集钢筋网组成。主体结构钢筋排流网是隧道混凝土主体结构中结构钢筋的纵向电气连接，形成流经第二电气通道的杂散电流，又称辅助排流网。道床内排流网由沿隧道纵向铺设的两层钢筋组成。纵向铺设的钢筋每隔50米左右通过钢筋焊接在一起，同时用钢筋使上下两层排流网跨接，使两层排流网纵向和横向电气连接。

免责声明：本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有，如果涉及侵权，请第一时间联系本网删除。