淺析地鐵雜散電流的防護

李勇 鄧琴 高全順 陳立

摘 要：闡述了地鐵雜散電流產生的原理和造成的的危害，介紹現今地鐵雜散電流防護的現狀，提出極性保護在地鐵的雜散電流保護中的重要意義。詳細分析各種常見的防護方法情況，對工程設計及學術學習有一定的參考價值。

中圖分類號:TN86文獻標識碼:A文章編號:1672-3791(2012)03(a)-0000-00

0 引言

牽引供電無論是交流還是直流，都會存在雜散電流問題，直流供電系統所產生的雜散電流的腐蝕效應尤為突出，所產生的惡劣后果在地鐵運行中也日益明顯。

世界各國都在關注如何對雜散電流進行防護，以期切實解決埋地金屬腐蝕的問題。采取有效的防腐蝕措施可控制雜散電流的腐蝕，增加埋地金屬的壽命，對地鐵工程具有一定的經濟和環保效益。

1 地鐵雜散電流的形成和危害

地鐵直流牽引供電系統中，牽引變電所流出的電流，電力機車經由接觸網或接觸軌取流，電流再通過鋼軌作回路，返回到牽引變電所。由于鋼軌很難做到完全對地絕緣，有一部分牽引電流經由鋼軌流向大地，再返回牽引變電所，這種地下雜散電流又稱為迷流[1]。

I1-機車的牽引供電電流， I2-通過鋼軌向牽引變電所流回的電流，I3、I4-雜散電流

圖１ 雜散電流形成及腐蝕原理示意圖

雜散電流由大地進入鋼筋時，鋼筋呈陰極狀態。如果此處的鋼筋周圍環境屬于酸性，就會發生析氫反應，且氫氣不能由結構里逸出，從而產生等靜壓力，使鋼筋與大地脫開。如果電流進入鋼筋，使其與大地結合處產生可溶的堿式硅酸鹽或鋁酸鹽，則會使地鐵主體的剛性強度大大降低。

雜散電流由鋼筋流出時，鋼筋呈陽極狀態，并發生腐蝕。腐蝕所產生的物質在陽極處堆積，最終通過機械作用排擠大地，使之開裂。

雜散電流不僅對地鐵本身的鋼筋有一定危害，對于主體附近的埋地金屬亦會產生腐蝕效應，一種氧化還原的電化學反應過程，即電化學腐蝕，也危害著相關金屬的結構物。

2 防護的現狀與原理

歐洲國家一般是，當軌道對地電壓不太高，選擇排流法防護效果小時，推薦強制排流法。日本則主要選擇在產生鋼軌對地的正值電壓大，在鋼軌附近流入埋設管的電流從遠離鋼軌處的管部流出的場合使用.在這種情況下，會因負饋線比埋設管的電壓高而不能正常排流[2]。

在國內，則是將雜散電流腐蝕防護的常規方法劃分為被動型和主動型兩種保護法。文獻1提到，在地鐵的直牽引供電系統里，雜散電流的防護準則為：寓防于“測”，以堵為主，“堵”、“排”結合。

對于地鐵工程的牽引供電系統，防止牽引電流從鋼軌泄漏出去形成雜散電流，應該作為首要的防護舉措。被動型保護法即是以堵為主，也稱為源控制法，一般采取的措施有：對埋地金屬進行涂層和增加絕緣法蘭等鈍化防護[3]、抬升供電牽引網電壓、優化調整變電所位置、減小回流走形鋼軌電阻、提高軌道對地的過渡電阻、合理設計混凝土鋼筋的截面積、保證全系統鋼筋的可靠連接等。

在地鐵運行了若干年之后，因為環境的破壞和設備的老化等原因，“源控制法”會逐漸失效，這時，就十分必要采用主動型保護法，以保護日益損耗的地鐵設施。主動型保護法的原理是將埋地金屬中的雜散電流引至回流通路，抑或者用保護設備產生的電流將雜散電流相互作用而抵消，從而減小雜散電流的腐蝕。

在地鐵的一些特殊地段，由于設備運行環境和人為操作等,引起雜散電流泄漏的原因較多，會采用一定的單向導通裝置，來進行防護,例如在停車場和列車檢修庫中。另外,軌道由于電氣系統運行的原因,在此位置設有絕緣節。即，在軌道上設置絕緣結，并在絕緣結兩端連接單向導通裝置，保證軌道電流不斷流。這樣,不但解決了絕緣節的電氣連接問題,也解決了雜散電流防護的難題[4]。

3 主動型保護法

現在一般的保護方法有：陰極保護法、陽極保護法、排流法等。

3.1 陰極保護法

CJJ49-92《地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程》中定義：陰極保護是電化學保護的一種，通過向金屬結構表面輸入陰極電流，使其電位向負極化，并保持在比自然腐蝕電位更負的數值，以達到防腐蝕的目的。

在埋地金屬的防護中,陰極保護是比較理想和有效的,陰極保護有外加電流保護和犧牲陽極保護兩種方式。一般工程上是將涂層與陰極保護組合，成為聯合保護。

具體而言，犧牲陽極保護除具有陰極防護作用外，還是很好的接地排流手段[5]。 該方式適用面廣，工程操作簡單，使用比較安全，可以完全避免將雜散電流流入埋地金屬，是國內目前使用較多的一種排流方式。但缺點是排流功率小、保護距離較短，有待改進。

3.2 陽極保護法

將被保護物的電位提高到鈍態電位，從而阻止腐蝕，稱之為陽極保護。就是應用一種使金屬向著更為陽極方向的電流使金屬鈍化的一種技術，但是它只適用于表現活化-鈍化性能的金屬和合金。在地鐵系統中，即提高埋地金屬設施的電位。

準確的維持整個埋地金屬設施所要求的電位的能力，在陽極控制中是至關重要的。如果電位過高或過低，將導致腐蝕加劇，適得其反。

陽極保護的主要優點是應用范圍廣，操作費用低，作用能力強，能夠保護復雜的結構，幾乎不需要輔助電極。但陽極保護只適用于表現鈍態的金屬腐蝕體系，在不能鈍化或含氯離子的介質中不能使用[6]，而且還有一個主要的缺點是致鈍需要很大的電流。

因此這種技術發展有些緩慢，在地鐵系統也一般不選擇用這種保護方式。

3.3 排流保護法

排流保護法主要是為保護埋地金屬而采取的防護措施。當雜散電流從鋼筋流出時，才會對鋼筋有腐蝕作用,而雜散電流流出的區域主要集中在牽引變電所附近的陰極區。

其基本原理是將被保護的埋地金屬和鋼軌的陽極區用導線連接起來，從而相當于將埋地金屬與鋼軌短路，使被保護的埋地金屬變為陰極性的，進而防止金屬發生陽極腐蝕。

排流法的一般做法是，將道床混凝土鋼筋做成電氣上的雜散電流排流網，其它有可能受到雜散電流腐蝕的埋地金屬做成輔助排流網，引至牽引變電所的負母排進行電氣連接。由于雜散電流總是走電阻最小的通路，則會選擇直接流回牽引變電所，這樣，在陽極區的范圍內，有力地減小了雜散電流從混凝土鋼筋再泄露出去的可能,削弱了雜散電流流出鋼筋導致的腐蝕效果。

早期的地鐵將是埋地金屬與鋼軌直接在牽引變電所附近相連,稱為直接排流法,后來發展到加二極管的單向導通排流（選擇排流法）、加直流電源的強制排流法等[7]。

3.4 其他

在實踐中，工程的防腐蝕還廣泛采用加強排流法，即排流防護和陰極保護的組合方法。它的陽極接地是用和整流器的正端子和鋼軌相連接的陰極站代替，電源負極和被防護的設施相連接。加強排流電路電能消耗很小，也無需陰極保護的設備，是不同于陰極保護的。同樣，它也不同于排流保護，優點是不僅在鋼軌的陽極區，而且在雜散電流分布的任何區域，甚至在無雜散電流時均可用于防護。

還有種由陰極保護法發展而來的防蝕器防護法。防蝕器的原理一般是輔助（犧牲）陽極，且使流過的電流的方向是使被保護物（原陽極）成為陰極，不再被電蝕，從而得到有效的保護。它的防護電流主要靠電極，即防蝕器本身的溶解作用完成的。電極主要是由鎂的特殊合金制成。

4 結語

雜散電流防護系統對于地鐵的正常運行非常重要。在城市軌道交通建成運營后，應該重視雜散電流防護系統的功能，及時監測分析相關的數據，采取加強維護、合理排流等措施，將雜散電流的腐蝕降低到最小。

從國內現狀著點，特別是工程實際中調查來看，大多是直接使用單向導通裝置，來進行雜散電流腐蝕的防護。這是很大的一個問題。

應加強地鐵的雜散電流防護技術的科研，并重視與工程實踐的合作，開發出一系列雜散電流防護系統與設備的成套裝置，切實落實于工程的設計應用與施工運營中，減少地鐵雜散電流的腐蝕所造成的損失。

參考文獻

[1] 李威.地鐵雜散電流腐蝕監測及防護技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，2004.10.

[2] 高敬宇、易凡，地鐵及輕軌雜散電流腐蝕的防護措施[J]，天津理工學院學報，1993-3，12（1）：32-35.

[3] 戰鵬.地鐵雜散電流對鋼筋混凝土結構腐蝕影響及防護[D].北京交通大學,2009：59.

[4] 郝衛國，城市軌道交通雜散電流的防護[J]，城市軌道交通研究，2004（6）：53-55.

[5] 劉凱，馬麗敏，陳志東等.埋地管道的腐蝕與防護綜述[J].管道技術與設備，2007（4）:36-42.

[6] 王立新，李勇.陽極保護技術控制腐蝕[J].山西化工，1999，19（4）：62-63.

[7] 馬笑松.地鐵雜散電流的腐蝕及防護影響分析[J].城市軌道交通研究,2007(6):64-66.