地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)系統(tǒng)相關(guān)問題探討

路春蓮 李 鋒

(西安市地下鐵道有限責(zé)任公司 西安 710018)

目前，地鐵列車牽引用電一般都采用直流電，由設(shè)置在沿線的牽引變電所通過架空線或第三軌向列車饋電，利用走行軌作為回流線路。地鐵系統(tǒng)的走行軌本身具有電阻且對地做不到完全絕緣，所以總有一部分回流電流從走行軌泄露到大地。這部分從走行軌泄露的電流被稱為雜散電流，也叫迷流［1］。

1 雜散電流的危害和防治

1.1 雜散電流的主要危害

雜散電流對金屬管線、混凝土結(jié)構(gòu)鋼和通信系統(tǒng)均有不同程度的危害，也被看做是一種環(huán)境污染，其主要危害包括以下幾方面。

1.1.1 腐蝕金屬

1)雜散電流引起的腐蝕比自然腐蝕要劇烈得多。雜散電流引起的腐蝕與鋼鐵在電解質(zhì)中發(fā)生的自然腐蝕不同:自然腐蝕的電流是自發(fā)進(jìn)行的，其實(shí)質(zhì)是一種化學(xué)腐蝕;雜散電流的腐蝕是在自然腐蝕的基礎(chǔ)上外加直流電流作用而引起的結(jié)果，實(shí)質(zhì)是一種電化學(xué)腐蝕。雜散電流在數(shù)值上要比自然腐蝕的電流大幾十倍，甚至上百倍。

2)當(dāng)雜散電流為1 A時，一年內(nèi)可腐蝕10 kg鐵。在雜散電流干擾比較嚴(yán)重的地區(qū)，電流可達(dá)到幾十安培甚至幾百安培，壁厚8～9 mm的鋼管快則2～3個月就會穿孔，可見雜散電流造成的腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重［2］。

3)排流網(wǎng)是雜散電流的良好通道。當(dāng)設(shè)置在牽引變電所的排流柜裝置未啟動排流功能時，在回電點(diǎn)附近雜散電流從排流網(wǎng)的結(jié)構(gòu)鋼中流出，結(jié)構(gòu)鋼失去電子而帶正電，形成鐵離子，鐵離子與水蒸氣中的硫酸根離子作用變成硫酸鹽，因而被腐蝕。

4)北京地鐵一期工程投入運(yùn)營數(shù)年后，其主體結(jié)構(gòu)鋼筋發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕，隧道內(nèi)水管腐蝕穿孔，僅東段部分區(qū)段就更換水管54處［3］;天津地鐵也存在水管被雜散電流迅速蝕穿的情況［4］;香港地鐵曾因地鐵雜散電流引起煤氣管道腐蝕穿孔，造成煤氣泄漏的事故［5］。

1.1.2 破壞混凝土結(jié)構(gòu)

1)在雜散電流由混凝土進(jìn)入鋼筋之處，鋼筋呈陰極狀態(tài)。如果陰極析氫且氫氣不能從混凝土逸出，就會形成等靜壓力，使鋼筋與混凝土脫開。

2)在電流離開鋼筋的部位，鋼筋呈陽極而發(fā)生腐蝕，并形成腐蝕產(chǎn)物 Fe(OH)2、Fe2O3.2xH2O(紅銹)、Fe3O4(黑銹)等。腐蝕產(chǎn)物在陽極處堆積，會以機(jī)械力作用排擠混凝土而使之開裂［6］。

3)根據(jù)研究，紅銹的體積可擴(kuò)大到原來鋼筋體積的4倍，黑銹體積可擴(kuò)大到原來的2倍。鐵銹的形成使鋼筋體積膨脹，進(jìn)而對周圍混凝土產(chǎn)生壓力，使混凝土內(nèi)部形成拉應(yīng)力。由于混凝土的抗拉強(qiáng)度很低，一般只有 0.88 ～1.5 MPa，使混凝土沿鋼筋方向開裂［6］。

1.1.3 對通信系統(tǒng)產(chǎn)生影響

雜散電流使通信導(dǎo)線與附近大地形成電位差，會在接地的通信設(shè)備機(jī)架上形成高電位而影響通信，甚至危及設(shè)備和人員的安全。

可見，尋求減少雜散電流腐蝕危害的方法是非常重要的。目前，我國地鐵建設(shè)處于高潮時期，因此要全面考慮雜散電腐蝕防護(hù)問題，設(shè)計(jì)合理的雜散電流腐蝕防護(hù)系統(tǒng)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 雜散電流的腐蝕防護(hù)

盡管雜散電流腐蝕防護(hù)系統(tǒng)涉及多個專業(yè)，但由于直流牽引供電系統(tǒng)是產(chǎn)生雜散電流的根源，因而通常將雜散電流腐蝕防護(hù)系統(tǒng)歸由供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

在直流牽引電流流經(jīng)走行軌時，因走行軌存在內(nèi)部電阻，所以在走行軌上產(chǎn)生縱向電位，其大小與直流牽引電流、走行軌電阻和供電分區(qū)長度有關(guān)。在相同條件下，牽引變電所的供電分區(qū)長度越長，走行軌上產(chǎn)生的縱向電位差越大，雜散電流泄漏量就越大，不利于雜散電流腐蝕防護(hù)。在日本，將雜散電流腐蝕防護(hù)的需要列為確定牽引供電分區(qū)長度的首要條件［7］。

因?yàn)殡s散電流的危害在地鐵修建初期甚至是二三十年內(nèi)都不能明顯地表現(xiàn)出來，所以未能引起足夠的重視。一旦雜散電流對地鐵本身及周邊設(shè)施造成危害，其后果往往相當(dāng)嚴(yán)重，有時甚至是不可挽回的。

1.3 雜散電流的防治方法

通過對雜散電流產(chǎn)生的原因及腐蝕過程進(jìn)行分析，可以知道提高走行軌對地絕緣和保持牽引回流暢通是治理雜散電流泄露的兩種途徑。在行業(yè)內(nèi)，對雜散電流腐蝕的防治總結(jié)為“以防為主，以排為輔，防排結(jié)合，加強(qiáng)監(jiān)測”的16字原則。根據(jù)這個原則，提出了3種應(yīng)對雜散電流的方法。

1.3.1 方法1

控制雜散電流產(chǎn)生的源頭，減少雜散電流產(chǎn)生的總量，即“防”的方法。這種方法有兩個要點(diǎn):第一是增加軌地過渡電阻值，即要加強(qiáng)絕緣;第二是減小回流軌的縱向電阻，這一點(diǎn)從目前來看，通過選用大截面的重型鋼軌和控制焊接長軌接縫的電阻值比較容易做到［2］。

1.3.2 方法2

對泄露出鋼軌的雜散電流采取排流的方法來減少其腐蝕危害，即“排流法”。目前，多采用極性排流法。該方法是在道床下和隧道側(cè)壁鋪設(shè)縱向電氣連接的鋼筋排流網(wǎng)，使雜散電流通過這個人為設(shè)置的低阻值金屬網(wǎng)絡(luò)回流到牽引所附近，再通過電纜將排流網(wǎng)引出端子與排流柜連接，通過排流柜進(jìn)行極性排流，使雜散電流及時地回到牽引所整流器的負(fù)極。

1.3.3 方法3

對雜散電流進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)泄露超標(biāo)，則采取一定的對策來減輕其危害，即“測”的方法。該方法運(yùn)用雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)，通過在地鐵沿線布置相當(dāng)數(shù)量的傳感器，對結(jié)構(gòu)鋼筋的腐蝕程度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，為地鐵運(yùn)營維護(hù)提供必要的參考。

因?yàn)殡s散電流和經(jīng)由軌道回流的正常電流是一個此消彼長的關(guān)系，其中關(guān)鍵的決定因素就是軌地過渡電阻值。因?yàn)椤胺馈钡姆椒ㄊ强刂圃搭^的方法，具有主動性，通過控制施工質(zhì)量和做好后期運(yùn)營維護(hù)就可以最大限度地控制雜散電流的產(chǎn)生，而“排”的方法是被動的，是在泄露達(dá)到一定程度后采取的補(bǔ)救措施，不是解決問題的根本辦法。

2 對軌地過渡電阻進(jìn)行全程控制

《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定:新建線路的走行軌與區(qū)間主體結(jié)構(gòu)之間的過渡電阻值不應(yīng)小于15 Ω·km，對于運(yùn)行線路不應(yīng)小于3 Ω·km。雜散電流腐蝕的防護(hù)應(yīng)堅(jiān)持“以防為主”的原則，“防”的關(guān)鍵就是控制軌地過渡電阻值，為此就必須想辦法增加軌道絕緣強(qiáng)度。筆者認(rèn)為，比較有潛力的做法是:在地鐵建設(shè)階段，在鋼軌的絕緣安裝方面不斷開展新材料、新工藝、新工法的研究;在地鐵運(yùn)營階段，加強(qiáng)絕緣維護(hù)工作。只有堵住雜散電流泄露的源頭，使雜散電流的泄露總量得到控制，才能有效地治理雜散電流。另外，軌地過渡電阻的控制還需要對各專業(yè)提出一些要求。

2.1 對軌道專業(yè)的要求

過渡電阻值的控制與軌道專業(yè)關(guān)系最為密切，但雜散電流腐蝕防護(hù)系統(tǒng)一般歸供電專業(yè)管理，在專業(yè)銜接上存在銜接不嚴(yán)密的弊端，軌道專業(yè)對鋼軌絕緣安裝的重要性往往認(rèn)識不足。但是，雜散電流腐蝕防護(hù)系統(tǒng)普遍是在試運(yùn)營或正式運(yùn)營以后才組織驗(yàn)收，這時大家關(guān)心的問題集中在雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)的通信或系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)上，往往忽視對過渡電阻的要求。有些新修線路是在全線軌道鋪完后才測量，過渡電阻值往往達(dá)不到規(guī)范要求，有的甚至出現(xiàn)軌道與排流網(wǎng)連通的情況。因此，建議在軌道驗(yàn)收條款里明確軌地過渡電阻阻值的要求。

2.2 對土建施工的要求

加強(qiáng)和保持軌道絕緣是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要多工種、多專業(yè)緊密配合。

2.2.1 道床排水溝設(shè)置

根據(jù)測定，不同含水狀態(tài)下混凝土電阻率差別很大，如表1所示。

混凝土在潮濕和干燥狀態(tài)下，電阻率相差很大。因此，保持混凝土整體道床的干燥，不但是加強(qiáng)走行軌道對地絕緣的有效措施，而且也是減少軌道絕緣墊堆積含鹽沉積物的有力措施。因此，宜將道床排水溝設(shè)在道床兩側(cè)，并保證排水通暢，這有利于保持道床混凝土的干燥，可以有效防止走行軌對地絕緣水平的降低。例如，必須把排水溝設(shè)置在道床中間，適當(dāng)增加排水坡度，使積水及時排進(jìn)區(qū)間水池［2］。

表1 混凝土電阻率［2］

2.2.2 道床混凝土設(shè)置

為有效防止雜散電流對主體結(jié)構(gòu)鋼筋的腐蝕，雜散電流道床收集網(wǎng)鋼筋與走行軌之間需要進(jìn)行絕緣處理，道床收集網(wǎng)鋼筋與主體結(jié)構(gòu)鋼筋之間也應(yīng)避免金屬連通。為保證收集網(wǎng)與走行軌之間的絕緣性能，位于鋼軌下面的道床混凝土層需要具有一定厚度。

2.3 對運(yùn)營維護(hù)的要求

在工程建設(shè)時，要重視日常維護(hù)，采取合理措施，嚴(yán)格施工，同時需要加強(qiáng)運(yùn)營養(yǎng)護(hù)和維修，這樣才能保證雜散電流腐蝕防護(hù)獲得長期效果。

在運(yùn)營維護(hù)中，應(yīng)采取有效的措施，使軌道絕緣性能保持在一定水平上。

1)定期清掃線路，清除粉塵、油污、贓物、沙土等，保持走行軌清潔和絕緣水平良好。

2)及時消除道床積水，保持道床處于干燥狀態(tài)。

3)根據(jù)雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)的報(bào)警信息，及時處理線路異常現(xiàn)象。

清掃工作的重點(diǎn)是鋼軌絕緣安裝部分，按鋪枕數(shù)量1440根/km算，一條25 km的地鐵線路約有7.2萬個絕緣點(diǎn)需要清掃除塵，工作量較大。建議:對絕緣安裝部位采取保護(hù)措施，如可用絕緣材料對結(jié)合部位進(jìn)行覆蓋，或涂抹絕緣漆，拉長維護(hù)周期，降低維護(hù)強(qiáng)度;對于除塵、除油和保持干燥，可考慮開發(fā)一種兼顧除塵、除油和干燥功能的非標(biāo)設(shè)備，或采用其他高科技手段，以便有效地提高維護(hù)效率。

3 雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)與排流柜

3.1 雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)

3.1.1 系統(tǒng)組成

目前，地鐵中用到的雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)一般由參比電極、智能傳感器、信號轉(zhuǎn)接器、監(jiān)測裝置及上位機(jī)組成。在傳感器之間、傳感器與信號轉(zhuǎn)接器之間、信號轉(zhuǎn)接器與監(jiān)測裝置之間，均通過現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)信息傳遞;監(jiān)測裝置通過變電所內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)與電力監(jiān)控系統(tǒng)接口，將處理和統(tǒng)計(jì)后的數(shù)據(jù)傳至雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)的上位機(jī)。圖1為一個監(jiān)測分區(qū)智能傳感器、信號轉(zhuǎn)接器以及排流柜與雜散電流監(jiān)測裝置的連接關(guān)系。

3.1.2 功能實(shí)現(xiàn)

雜散電流監(jiān)測裝置與上下行信號轉(zhuǎn)接器通過RS485總線或CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，上下行信號轉(zhuǎn)接器分別與分布在車站兩端的各智能傳感器連接;通過各監(jiān)測點(diǎn)傳感器，實(shí)時采集監(jiān)測點(diǎn)的結(jié)構(gòu)鋼筋的極化電位、接觸電位，參比電極自然本體電位，并對采集的模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、計(jì)算、存儲、統(tǒng)計(jì)，通過變電所內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)與雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)的上位機(jī)連通。在上位機(jī)電腦上，可以看到全線雜散電流監(jiān)測點(diǎn)的信息。一般雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)具備通信、測量、計(jì)算、顯示、報(bào)警及分析功能等。

圖1 雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)

圖2 智能傳感器接線

智能傳感器是雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)最前端的信號采集裝置，其接線如圖2所示，信號采集端子分別與鋼軌、排流網(wǎng)以及參比電極相連。另外，通信端子與相鄰的傳感器連接，電源一般采用AC220 V，取自區(qū)間照明配電箱。

3.2 排流柜

排流柜是地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)系統(tǒng)內(nèi)一個不可或缺的設(shè)備，通常安裝在牽引變電所內(nèi)，電氣連接在排流網(wǎng)與負(fù)極柜之間。排流網(wǎng)收集的雜散電流通過排流柜的極性排流，回到整流器負(fù)極，以防止雜散電流進(jìn)一步擴(kuò)散，造成更大范圍的危害。

一般地下牽引變電所設(shè)置的排流柜包括4個排流支路和1個接地支路，4個排流支路包括上、下行道床排流支路和上、下行側(cè)壁排流支路。4個排流支路的輸入端分別與上、下行道床排流網(wǎng)引出端子和上、下行側(cè)壁排流網(wǎng)引出端子連接，接地支路輸入端與變電所綜合接地端子連接，各支路雜散電流通過各支路設(shè)置的整流二極管進(jìn)行極性排流，在排流柜內(nèi)各支路的雜散電流匯集到一個匯流母排上，再通過電纜將匯流母排與負(fù)極柜連接，使雜散電流最終回到整流器負(fù)極。高架線路因無隧道側(cè)壁排流網(wǎng)，故相比地下變電所排流柜少兩個排流支路，高架段地面變電所一般設(shè)置3個支路，分別是上、下行道床排流支路和接地支路。

3.3 監(jiān)測系統(tǒng)與排流柜的關(guān)系

目前，國內(nèi)大多數(shù)地鐵雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)與排流柜沒有建立有效的測控關(guān)系，僅有的控制也只是在測量軌地過渡電阻時，監(jiān)測裝置給排流柜發(fā)送啟動命令，收集排流電壓和排流電流，沒有真正做到根據(jù)雜散電流的監(jiān)測狀況來有效地控制排流柜的投切。對于已進(jìn)行控制的個別線路，其控制方式和控制策略也不盡相同，有的采用模擬量控制，有的采用開關(guān)量控制，也有的進(jìn)行模糊控制。國內(nèi)地鐵普遍的做法是:在一個監(jiān)測裝置所帶的傳感器中，若超過半數(shù)的極化電位超標(biāo)，就投入對應(yīng)的排流柜。究竟哪種控制方式最能有效地發(fā)揮作用，還需做進(jìn)一步研究。

4 結(jié)語

1)充分重視雜散電流腐蝕防護(hù)專業(yè)在地鐵建設(shè)和運(yùn)營中的重要性。

2)對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范中提到的技術(shù)參數(shù)(過渡電阻、主體結(jié)構(gòu)鋼筋縱向電阻等)，在相關(guān)專業(yè)施工過程控制、驗(yàn)收等環(huán)節(jié)中嚴(yán)格把關(guān)，無條件地執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的要求。

3)堅(jiān)持雜散電流防治中“以防為主”的原則，認(rèn)識到排流只是權(quán)宜之計(jì)，想方設(shè)法地控制雜散電流泄露的源頭。

4)繼續(xù)進(jìn)行相關(guān)專業(yè)的科研攻關(guān)，開展新材料、新工藝、新工法和新技術(shù)應(yīng)用的研究。

“千里之堤，潰于蟻穴。”雜散電流腐蝕防護(hù)專業(yè)作為直流牽引供電系統(tǒng)的一個小分支，往往不會引起大家的足夠關(guān)注，但其造成的危害恰恰是不可估量、無法挽回的。希望借此文引起地鐵建設(shè)及運(yùn)營相關(guān)部門的重視，采取有效措施，保障地鐵長期持續(xù)安全運(yùn)營。

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