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，由列車運行產生的雜散電流也對軌道交通自身和周圍的設施設備等產生了較大影響。例如：北京地鐵某線因雜散電流造成車站主體結構鋼筋嚴重腐蝕；深圳地鐵、香港地鐵曾發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部件、車站混凝土結構中的鋼筋、軌道交通周圍埋地管線(如：天然氣管道、自來水管道、公共事業管線)等造成腐蝕，輕則縮短設施設備的使用壽命，重則造成人員的傷亡和財產的巨大損失。

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、堵排結合、加強監測”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了諸多問題。因此，有必要從設計、設備、施工、運營維護等方面對雜散電流腐蝕防護工程中的關鍵因素進行分析。

1.1 設計因素

1.1.1 未設置排流柜的設計方案

某城市軌道交通運營線路的部分區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1 d 內動作上百次的情況。在排除了設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，伴隨著設施設備絕緣的老化，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設計時，僅設置了相應的監測設備，未設計排流柜(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構中的鋼筋設置了雜散電流收集網，并在收集網測量端子1 m內設置參比電極，采用雜散電流監測裝置負責實現對雜散電流的數據監測，變電所負極通過回流電纜與鋼軌相連，全線未設置排流柜。

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構、附屬結構以及公共設施管道，從而對其造成一定程度的腐蝕。

圖1 未設置排流柜的設計方案

1.1.2 將車站與區間隧道結構鋼筋作為排流網的設計方案

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

圖2 將車站與區間隧道結構鋼筋作為排流網的設計方案

文獻[4]對于將車站與區間隧道結構鋼筋作為雜散電流輔助收集網，并將其作為排流網接入排流柜的做法存在爭議，但當時相關國家標準未有明確禁止規定，所以不少城市采取此做法。GB 50157—2013《地鐵設計規范》自2014年3月1日起施行，其中15.7.3條規定：“無砟道床中應設置排流鋼筋網，并應與其他結構鋼筋、金屬管線、接地裝置非電氣連接。不應利用結構鋼筋作為排流網[5]。”如圖2所示，車站和隧道結構鋼筋作為排流網被接入排流柜中，同時變電所接地母排也被接入排流柜中,該做法違背了相關國家標準。

1.2 設備制造因素

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、雜散電流監測裝置等設備組成。這些設備的性能、功能設置的優劣將直接影響雜散電流腐蝕防護工程功能及作用的發揮。

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規程》中第3.0.5條規定：隧洞結構的外表面，受雜散電流腐蝕危害的控制指標是由漏泄電流引起的結構電壓偏離其自然電位數值。對于鋼筋混凝土質地鐵主體結構的鋼筋，上述極化電壓的正向偏移平均值不應超過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。

在實際工程運用中，設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置為整點和半點的情況，即：如從10:00開始采集數據，按1 s或每2 s采集1次極化電壓數據，當10:30時，將10:00—10:30范圍內的所有采集數據進行30 min平均值計算；當11:00時，再對10:30—11:00范圍內的所有采集數據進行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置則無法監測到雜散電流腐蝕超標的情況，更無法據此進行相應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[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重要的作用。當參比電極出現異?；驌p壞情況時，所得到的極化電壓值亦會出現錯誤。

由于軌道交通線路上的參比電極數量眾多，如果雜散電流監測裝置不能對參比電極出現的異常進行告警，則當參比電極出現損壞或本體電位數據異常時，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據的正確性造成影響。

1.3 施工因素

除了設計和設備制造因素外，施工也是影響雜散電流腐蝕防護工程的一個重要環節。

1.3.1 隱蔽工程的施工質量與工序檢測

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的敷設，車站、區間隧道主體結構防水層的設置，以及地下車站每個結構段內縱向結構鋼筋的電氣連通。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 施工現場設施設備的防護

在雜散電流腐蝕防護工程施工交付時，經常出現回流電纜、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，其價格較為昂貴，引得不少不法分子前來盜竊。此類事情的發生反映了施工單位對于施工現場設施設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 對故障報警的反應與處理速度

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

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工程，不僅僅依靠供電專業，它需要多專業相互協作和共同維護。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，看似是軌道工務專業的職責，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，經常會發生由于屏蔽門處站臺絕緣帶絕緣不佳或車站結構滲漏水造成屏蔽門與車站主體結構接觸，從而導致屏蔽門打火的情況[8]，為了快速消除此打火現象，運營維護人員經常通過常閉車站鋼軌電位限制裝置來解決。看似該故障已經得到了解決，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 設計方面的對策

2.1.1 未設置排流柜的設計方案的相應對策

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，設施設備相對較新(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，道床排水系統設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，應考慮投入排流裝置。而且根據GB50157—2013《地鐵設計規范》中15.7.5條規定：牽引變電所應設置雜散電流監測及排流設施，應根據雜散電流的監測情況，決定是否將排流設施投入使用[3]。

原有方案已經設置了雜散電流收集網，因此針對該方案的解決對策就是增加排流柜。排流柜被設置在牽引變電所內，是雜散電流腐蝕防護的重要設備，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構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，根據不同的占空比組成可調的限流電阻；直流接觸器用于控制排流柜是否投入使用；熔斷器用于發生短路或過載時對排流柜內元器件進行保護；電流傳感器用于檢測排流網電流的大??；二極管是排流柜的核心元件，利用其正向導通、反向截止的特性實現雜散電流的極性排流[10]。同時，控制器通過控制IGBT的導通和斷開來調節電阻器的電阻值，使排流柜排流處于理想狀態[11]。

圖3 排流柜原理

2.1.2 將車站與區間隧道結構鋼筋作為排流網的設計方案的相應對策

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

采取的相應對策如下：利用整體道床結構鋼筋的可靠電氣連接，形成雜散電流排流網；整體道床結構縫兩側分別引出結構鋼筋連接端子作為雜散電流排流網的連接端子；設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置1個排流端子。地下車站、區間隧道結構鋼筋不再作為排流網，而是將地下車站、區間隧道結構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、下行整體道床結構鋼筋接入排流柜即可。

2.2 設備制造方面的對策

2.2.1 30 min平均電壓計算周期的相應對策

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生雜散電流腐蝕情況時，亦能被監測裝置捕捉到，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對策

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

2.3 施工方面的對策

采取的施工對策如下：

(1) 嚴格把控施工質量，特別是隱蔽工程的施工質量。

(2) 隱蔽工程在隱蔽前應進行驗收，驗收合格后方能進行隱蔽。

(3) 每道施工工序之間應進行交接檢驗，在進行下道工序前，上道工序必須經過檢測或驗收，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) 施工單位應做好施工現場設施設備的防護工作。

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與處理速度。

(2) 應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、結構、給排水、通信和信號等多種專業。因此在設計、施工及運營維護中，任何一個環節出現疏漏，都會導致雜散電流腐蝕防護工程出現問題，造成對軌道交通自身及周邊設施設備的腐蝕及危害。希望在今后的相關工程中，各專業人員能環環相扣、密切協作，將雜散電流腐蝕防護工程做得更好。