城市軌道交通雜散電流腐蝕防護的影響因素及對策分析

周 悅

(上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，200070，上海//高級工程師)

在城市軌道交通給市民帶來便利的同時，由列車運行產(chǎn)生的雜散電流也對軌道交通自身和周圍的設(shè)施設(shè)備等產(chǎn)生了較大影響。例如：北京地鐵某線因雜散電流造成車站主體結(jié)構(gòu)鋼筋嚴重腐蝕；深圳地鐵、香港地鐵曾發(fā)生因雜散電流引起煤氣管道穿孔而最終導致煤氣泄漏的事故；天津地鐵某線也曾發(fā)生因雜散電流造成水管穿孔的事件[1]。

城市軌道交通雜散電流會對走行軌及其相關(guān)部件、車站混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋、軌道交通周圍埋地管線(如：天然氣管道、自來水管道、公共事業(yè)管線)等造成腐蝕，輕則縮短設(shè)施設(shè)備的使用壽命，重則造成人員的傷亡和財產(chǎn)的巨大損失。

1 城市軌道交通雜散電流防護的影響因素分析

目前，我國各地城市軌道交通雜散電流防護基本采取“以堵為主、以排為輔、堵排結(jié)合、加強監(jiān)測”的綜合防護方式進行治理。但在實際工程項目的實施及后期運營維護中，雜散電流腐蝕防護仍出現(xiàn)了諸多問題。因此，有必要從設(shè)計、設(shè)備、施工、運營維護等方面對雜散電流腐蝕防護工程中的關(guān)鍵因素進行分析。

1.1 設(shè)計因素

1.1.1 未設(shè)置排流柜的設(shè)計方案

某城市軌道交通運營線路的部分區(qū)段鋼軌電位限制裝置頻繁動作，某些車站的鋼軌電位限制裝置甚至出現(xiàn)1 d 內(nèi)動作上百次的情況。在排除了設(shè)備等自身故障的可能性后，維修人員最終將故障原因鎖定在了“雜散電流”上。該線路運營時間較長，伴隨著設(shè)施設(shè)備絕緣的老化，雜散電流腐蝕情況亦日漸突出，單純依靠“堵”的方式已不能有效控制雜散電流的增長趨勢。但該線路在雜散電流腐蝕防護系統(tǒng)設(shè)計時，僅設(shè)置了相應(yīng)的監(jiān)測設(shè)備，未設(shè)計排流柜(見圖1)。

如圖1所示，該線路為全高架車站線路，全線利用高架橋軌道梁結(jié)構(gòu)中的鋼筋設(shè)置了雜散電流收集網(wǎng)，并在收集網(wǎng)測量端子1 m內(nèi)設(shè)置參比電極，采用雜散電流監(jiān)測裝置負責實現(xiàn)對雜散電流的數(shù)據(jù)監(jiān)測，變電所負極通過回流電纜與鋼軌相連，全線未設(shè)置排流柜。

隨著運營時間的增加，雜散電流逐漸增加，當雜散電流累計到一定程度，且沒有一個良好的電氣通路及時回到變電所負極時，就會造成雜散電流四散流至軌道交通主體結(jié)構(gòu)、附屬結(jié)構(gòu)以及公共設(shè)施管道，從而對其造成一定程度的腐蝕。

圖1 未設(shè)置排流柜的設(shè)計方案

1.1.2 將車站與區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)鋼筋作為排流網(wǎng)的設(shè)計方案

我國某些城市軌道交通線路排流法的做法是：將整體道床內(nèi)的縱向結(jié)構(gòu)鋼筋按一定要求連接，建立雜散電流主收集網(wǎng)；利用車站和區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)鋼筋的可靠電氣連接，建立雜散電流輔助收集網(wǎng)[3]；在正線牽引變電所附近設(shè)置整體道床和車站結(jié)構(gòu)鋼筋的排流端子，將雜散電流主、輔助收集網(wǎng)與牽引變電所內(nèi)排流柜連接(見圖2)。

圖2 將車站與區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)鋼筋作為排流網(wǎng)的設(shè)計方案

文獻[4]對于將車站與區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)鋼筋作為雜散電流輔助收集網(wǎng)，并將其作為排流網(wǎng)接入排流柜的做法存在爭議，但當時相關(guān)國家標準未有明確禁止規(guī)定，所以不少城市采取此做法。GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》自2014年3月1日起施行，其中15.7.3條規(guī)定：“無砟道床中應(yīng)設(shè)置排流鋼筋網(wǎng)，并應(yīng)與其他結(jié)構(gòu)鋼筋、金屬管線、接地裝置非電氣連接。不應(yīng)利用結(jié)構(gòu)鋼筋作為排流網(wǎng)[5]?！比鐖D2所示，車站和隧道結(jié)構(gòu)鋼筋作為排流網(wǎng)被接入排流柜中，同時變電所接地母排也被接入排流柜中,該做法違背了相關(guān)國家標準。

1.2 設(shè)備制造因素

雜散電流腐蝕防護主要由參比電極、接線盒、引出端子、電纜、排流柜、雜散電流監(jiān)測裝置等設(shè)備組成。這些設(shè)備的性能、功能設(shè)置的優(yōu)劣將直接影響雜散電流腐蝕防護工程功能及作用的發(fā)揮。

1.2.1 30 min平均電壓計算周期

CJJ 49—92《地鐵雜散電流腐蝕防護技術(shù)規(guī)程》中第3.0.5條規(guī)定：隧洞結(jié)構(gòu)的外表面，受雜散電流腐蝕危害的控制指標是由漏泄電流引起的結(jié)構(gòu)電壓偏離其自然電位數(shù)值。對于鋼筋混凝土質(zhì)地鐵主體結(jié)構(gòu)的鋼筋，上述極化電壓的正向偏移平均值不應(yīng)超過0.5 V[6]。目前，城市軌道交通也是以此指標作為判斷雜散電流腐蝕是否超標的依據(jù)。

在實際工程運用中，設(shè)備制造商對于極化電壓的采集為秒級，但對于將30 min平均電壓計算周期設(shè)置為整點和半點的情況，即：如從10:00開始采集數(shù)據(jù)，按1 s或每2 s采集1次極化電壓數(shù)據(jù)，當10:30時，將10:00—10:30范圍內(nèi)的所有采集數(shù)據(jù)進行30 min平均值計算；當11:00時，再對10:30—11:00范圍內(nèi)的所有采集數(shù)據(jù)進行30 min平均值計算。當10:05—10:35之間的30 min平均電壓出現(xiàn)大于0.5 V的情況時，此時的雜散電流實際上是超標的，但按照整點和半點計算的設(shè)置則無法監(jiān)測到雜散電流腐蝕超標的情況，更無法據(jù)此進行相應(yīng)的告警或采取防護處理。長期如此，則可能遺漏了許多雜散電流腐蝕超標的情況，更無法真實地反映雜散電流的腐蝕狀況。

1.2.2 參比電極檢測

在夜間無列車運行時段，雜散電流監(jiān)測裝置測得的是參比電極的本體電位，在白天列車運行時段，測得的是參比電極與鋼筋的電壓，將該電壓減去夜間測得的參比電極的本體電位，即得到鋼筋極化電壓的正向偏移值，將此偏移值進行30 min平均值計算，并將計算的平均值作為判斷雜散電流腐蝕是否超標的依據(jù)[7]。因此，在雜散電流腐蝕防護工程中，將參比電極作為測量鋼筋極化電壓的基準，對于極化電壓測量的準確性起著至關(guān)重要的作用。當參比電極出現(xiàn)異?；驌p壞情況時，所得到的極化電壓值亦會出現(xiàn)錯誤。

由于軌道交通線路上的參比電極數(shù)量眾多，如果雜散電流監(jiān)測裝置不能對參比電極出現(xiàn)的異常進行告警，則當參比電極出現(xiàn)損壞或本體電位數(shù)據(jù)異常時，運營維護人員將不能及時了解故障情況，這樣將會對線路運營時的雜散電流數(shù)據(jù)的正確性造成影響。

1.3 施工因素

除了設(shè)計和設(shè)備制造因素外，施工也是影響雜散電流腐蝕防護工程的一個重要環(huán)節(jié)。

1.3.1 隱蔽工程的施工質(zhì)量與工序檢測

雜散電流腐蝕防護工程中有很多隱蔽工程，特別是土建施工，如：回流走行鋼軌下方雜散電流排流網(wǎng)的敷設(shè)，車站、區(qū)間隧道主體結(jié)構(gòu)防水層的設(shè)置，以及地下車站每個結(jié)構(gòu)段內(nèi)縱向結(jié)構(gòu)鋼筋的電氣連通。這些隱蔽工程的施工對整個雜散電流腐蝕防護工程起著重要作用。

1.3.2 施工現(xiàn)場設(shè)施設(shè)備的防護

在雜散電流腐蝕防護工程施工交付時，經(jīng)常出現(xiàn)回流電纜、均流電纜、雜散電流引出端子(包括連接端子、測量端子、排流端子)缺失等情況。除了遺漏施工等因素，絕大多數(shù)是因被盜而造成的缺失。由于均回流電纜和引出端子為銅材質(zhì)，其價格較為昂貴，引得不少不法分子前來盜竊。此類事情的發(fā)生反映了施工單位對于施工現(xiàn)場設(shè)施設(shè)備防護中的漏洞以及防護措施不到位等問題。

1.4 運營維護因素

在城市軌道交通線路日常運營過程中，運營維護管理對于雜散電流腐蝕防護工程來說顯得尤為重要。

1.4.1 對故障報警的反應(yīng)與處理速度

雜散電流腐蝕防護是軌道交通供電系統(tǒng)的一個組成部分，但相比較其它供電系統(tǒng)設(shè)備而言，容易被忽視。因為雜散電流腐蝕防護設(shè)備出現(xiàn)故障后，很少會對軌道交通線路的運營產(chǎn)生直接影響，所以運營維護人員重視不足，對于其出現(xiàn)故障報警的反應(yīng)及處置速度相較其他供電系統(tǒng)設(shè)備明顯降低。

1.4.2 道床清潔、絕緣墊更換

雜散電流腐蝕防護工程是一個系統(tǒng)工程，不僅僅依靠供電專業(yè)，它需要多專業(yè)相互協(xié)作和共同維護。保持軌道交通道床面的清潔、干燥和對于不符合絕緣要求的鋼軌絕緣墊進行及時更換，看似是軌道工務(wù)專業(yè)的職責，其實卻是從“以堵為主”的源頭治理雜散電流的好方法。但是，這些往往是在運營維護工作中最容易被忽略的事情。

1.4.3 常閉車站鋼軌電位限制裝置

在城市軌道交通線路實際運營中，經(jīng)常會發(fā)生由于屏蔽門處站臺絕緣帶絕緣不佳或車站結(jié)構(gòu)滲漏水造成屏蔽門與車站主體結(jié)構(gòu)接觸，從而導致屏蔽門打火的情況[8]，為了快速消除此打火現(xiàn)象，運營維護人員經(jīng)常通過常閉車站鋼軌電位限制裝置來解決?？此圃摴收弦呀?jīng)得到了解決，實際上并沒有真正找到造成打火的根本原因。由于常閉車站鋼軌電位限制裝置使得鋼軌長期接地，在某種程度上導致雜散電流的增多[9]。

2 對策分析

2.1 設(shè)計方面的對策

2.1.1 未設(shè)置排流柜的設(shè)計方案的相應(yīng)對策

雜散電流腐蝕是一個緩慢的、漫長的過程。在城市軌道交通線路運營初期，由于走行軌與道床之間的絕緣程度較高，設(shè)施設(shè)備相對較新(如道床排水順暢、走行軌磨耗較少)，此時雜散電流相對較少。隨著運營時間的推移，由于走行軌磨耗增加，道床周圍鐵屑、灰塵和油污等的累積，道床排水系統(tǒng)設(shè)施老化造成道床積水等原因，引起鋼軌對地過渡電阻值降低，以及雜散電流增多。在依靠“堵”的方式已不能有效控制雜散電流的增長時，應(yīng)考慮投入排流裝置。而且根據(jù)GB50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》中15.7.5條規(guī)定：牽引變電所應(yīng)設(shè)置雜散電流監(jiān)測及排流設(shè)施，應(yīng)根據(jù)雜散電流的監(jiān)測情況，決定是否將排流設(shè)施投入使用[3]。

原有方案已經(jīng)設(shè)置了雜散電流收集網(wǎng)，因此針對該方案的解決對策就是增加排流柜。排流柜被設(shè)置在牽引變電所內(nèi)，是雜散電流腐蝕防護的重要設(shè)備，它使雜散電流單方向流回到牽引變電所的負極，防止雜散電流過多地流向車站主體結(jié)構(gòu)鋼筋和其他金屬導體。

排流柜原理如圖3所示。由圖3可知，IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)與電阻器并聯(lián)，根據(jù)不同的占空比組成可調(diào)的限流電阻；直流接觸器用于控制排流柜是否投入使用；熔斷器用于發(fā)生短路或過載時對排流柜內(nèi)元器件進行保護；電流傳感器用于檢測排流網(wǎng)電流的大??；二極管是排流柜的核心元件，利用其正向?qū)?、反向截止的特性實現(xiàn)雜散電流的極性排流[10]。同時，控制器通過控制IGBT的導通和斷開來調(diào)節(jié)電阻器的電阻值，使排流柜排流處于理想狀態(tài)[11]。

圖3 排流柜原理

2.1.2 將車站與區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)鋼筋作為排流網(wǎng)的設(shè)計方案的相應(yīng)對策

由于車站與區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)修補難度極大，一旦被腐蝕將造成較嚴重的后果，因此不能將車站與區(qū)間隧道鋼筋作為排流網(wǎng)。

采取的相應(yīng)對策如下：利用整體道床結(jié)構(gòu)鋼筋的可靠電氣連接，形成雜散電流排流網(wǎng)；整體道床結(jié)構(gòu)縫兩側(cè)分別引出結(jié)構(gòu)鋼筋連接端子作為雜散電流排流網(wǎng)的連接端子；設(shè)有牽引變電所的車站，在牽引變電所附近上、下行線路的整體道床上分別設(shè)置1個排流端子。地下車站、區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)鋼筋不再作為排流網(wǎng)，而是將地下車站、區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)鋼筋通過可靠的電氣連接進行防護。變電所接地母排不再接入排流柜，僅將上、下行整體道床結(jié)構(gòu)鋼筋接入排流柜即可。

2.2 設(shè)備制造方面的對策

2.2.1 30 min平均電壓計算周期的相應(yīng)對策

對于極化電壓的采集依然采用秒級，但是對于30 min平均電壓的計算則應(yīng)盡量縮短計算周期。

建議以分鐘作為移動周期，如可將10：00—10：30作為1個計算周期，下一個計算周期為10：01—10：31，再下一個計算周期為10：02—10：32，依次類推來縮短30 min平均電壓值的計算周期。因此，當以非整點或半點作為計算初始時間而產(chǎn)生雜散電流腐蝕情況時，亦能被監(jiān)測裝置捕捉到，此種方法更能真實地反映雜散電流的腐蝕情況。

2.2.2 參比電極檢測的相應(yīng)對策

在雜散電流監(jiān)測裝置中增加參比電極本體電位異常告警功能。當監(jiān)測到參比電極本體電位高于或低于日常數(shù)值的15%～20%時，則應(yīng)進行告警，以引起運營維護人員的注意，便于及時進行后續(xù)處理。

2.3 施工方面的對策

采取的施工對策如下：

(1) 嚴格把控施工質(zhì)量，特別是隱蔽工程的施工質(zhì)量。

(2) 隱蔽工程在隱蔽前應(yīng)進行驗收，驗收合格后方能進行隱蔽。

(3) 每道施工工序之間應(yīng)進行交接檢驗，在進行下道工序前，上道工序必須經(jīng)過檢測或驗收，驗收不合格不得進行下道工序的施工。

(4) 傳統(tǒng)外露型扁銅雜散電流引出端子易被破壞或偷盜，建議采用埋入式引出端子[12]。

(5) 施工單位應(yīng)做好施工現(xiàn)場設(shè)施設(shè)備的防護工作。

2.4 運營維護方面的對策

(1) 提高對雜散電流腐蝕防護工程后期運營維護的重視程度，加快故障報警的及時反應(yīng)與處理速度。

(2) 應(yīng)對城市軌道交通線路進行定期清掃并保持排水暢通，以確保道床面清潔、無積水。

(3) 對于屏蔽門打火等情況，應(yīng)找出問題的根本原因并進行處理，不能一味地靠常閉車站鋼軌電位限制裝置來解決。

3 結(jié)語

雜散電流腐蝕防護是一個綜合性工程，涉及牽引供電、軌道、橋梁、結(jié)構(gòu)、給排水、通信和信號等多種專業(yè)。因此在設(shè)計、施工及運營維護中，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)疏漏，都會導致雜散電流腐蝕防護工程出現(xiàn)問題，造成對軌道交通自身及周邊設(shè)施設(shè)備的腐蝕及危害。希望在今后的相關(guān)工程中，各專業(yè)人員能環(huán)環(huán)相扣、密切協(xié)作，將雜散電流腐蝕防護工程做得更好。