直流牽引供電系統(tǒng)雜散電流的危害

摘 要：針對(duì)目前城市規(guī)模擴(kuò)大交通擁堵，軌道交通系統(tǒng)日益興起。但隨著軌道交通運(yùn)營(yíng)年限的增加，雜散電流的危害日益突出。文章主要分析直流牽引供電系統(tǒng)的組成，討論雜散電流對(duì)軌道交通的危害以及電流泄露與電位梯度對(duì)雜散電流成因的影響。

關(guān)鍵詞：軌道交通；雜散電流；直流牽引供電系統(tǒng)；危害

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市規(guī)模的擴(kuò)大，城市交通問(wèn)題也日漸突出。軌道交通以其高效、便捷等優(yōu)點(diǎn)成為各大城市緩解擁堵解決日常出行的首選。當(dāng)前，各個(gè)城市都在大興軌道交通，已緩解城市交通的擁堵問(wèn)題。

城市軌道交通大都采用直流牽引供電系統(tǒng)，列車由接觸網(wǎng)直流供電，電流通過(guò)走行軌回到變電所。在這種供電方式中，由接觸網(wǎng)、列車、走行軌形成回路。其中列車作為負(fù)載尤其特殊性，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不同的空載、重載、輕載，以及在進(jìn)站、出站、區(qū)間運(yùn)行中出現(xiàn)減速、滑行、加速、勻速等不同的運(yùn)行過(guò)程，導(dǎo)致走行軌上回流出現(xiàn)很大差別的電流，存在電壓降。因此，走行軌上會(huì)有少量的電流無(wú)法回到變電所。

這些因軌道與地面接觸不良而泄露到地下的電流在地下無(wú)規(guī)律的流動(dòng)，有些會(huì)回到變電所的負(fù)極，有一部分則不會(huì)回到牽引變電所，形成雜散電流，俗稱迷流。在地下流動(dòng)的過(guò)程中，雜散電流會(huì)對(duì)埋于地下的金屬（管線、鋼筋）造成嚴(yán)重的腐蝕。如果不積極治理，會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。因此，研究雜散電流的形成規(guī)律以及特點(diǎn)，積極治理雜散電流，降低其帶來(lái)的危害，是城市軌道交通建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的重大課題。

典型的牽引供電系統(tǒng)如圖1所示，由牽引變電所、接觸網(wǎng)、饋電線、機(jī)車、鋼軌、大地、回流線構(gòu)成直流牽引供電系統(tǒng)的供電回路。牽引供電系統(tǒng)的電壓等級(jí)為750V、1500V。整個(gè)地鐵線路分為若干個(gè)供電區(qū)間。由圖1可見，牽引變電所之間由接觸網(wǎng)相連，長(zhǎng)度為2km左右，俗稱“供電臂”。供電臂的長(zhǎng)度為所在供電區(qū)間長(zhǎng)度。牽引變電所是通過(guò)接觸網(wǎng)向列車供電的，在理想情況下，各個(gè)牽引變電所母線輸出電壓相等，均等于額定牽引電壓值，不出現(xiàn)母線電壓偏差， 牽引變電所為其連接的供電臂供電。變電所之間的供電臂不能過(guò)長(zhǎng)不能過(guò)短，若供電臂過(guò)長(zhǎng)，則電流在接觸網(wǎng)上的壓降越大，使得供電臂末端的電壓過(guò)低造成較大的電能損耗；若供電臂過(guò)短，則相同距離所需的變電所數(shù)目增加，導(dǎo)致投資過(guò)大。

列車由接觸網(wǎng)取流，電流又經(jīng)走行軌回到牽引變電所。由于鋼軌無(wú)法做到對(duì)地完全絕緣，所以有一部分電流未經(jīng)走行軌回到牽引變電所，而是經(jīng)由鋼軌流入大地，再由大地回到牽引變電所，這一部分電流就是雜散電流。鋼軌對(duì)地絕緣越差，則雜散電流越大。雜散電流受外界環(huán)境影響因素很多，較難確定其具體量。雖然產(chǎn)生雜散電流的原因很多，但可以歸結(jié)出主要兩點(diǎn)：電流泄露和電位梯度。形成雜散電流的主要原因之一是鋼軌無(wú)法對(duì)地完全絕緣造成電流泄露。另一原因是存在電位梯度。若金屬置于一電位分布不均勻的電場(chǎng)中，其內(nèi)部自由電子會(huì)在電場(chǎng)的作用下發(fā)生定向移動(dòng)，從而造成電子與陽(yáng)離子的分離，這就是由于存在電位梯度。由電位梯度產(chǎn)生的雜散電流，通常是由于埋設(shè)管線附近埋有施加陰極保護(hù)的管線，它會(huì)在其周圍空間形成電場(chǎng)，在受干擾管線中感應(yīng)電勢(shì)差，從而產(chǎn)生雜散電流。

城市軌道交通系統(tǒng)建設(shè)之初就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到雜散電流會(huì)造成的危害，在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中采取各種方法加強(qiáng)走行軌與大地的絕緣以防止電流泄露。在軌道交通運(yùn)行初期，走行軌與大地的絕緣程度高，泄露電流較小，則雜散電流較少。但隨著時(shí)間的增加，軌道交通運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，絕緣材料的老化，同時(shí)受到自然環(huán)境的各種侵蝕，污染等因素的影響。走形軌對(duì)地絕緣程度越來(lái)越差，從而造成雜散電流的增大。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，1A的雜散電流可造成33.5kg鉛、16kg銅、9.13kg鐵和3kg鋁的腐蝕。在雜散電流干擾比較嚴(yán)重的區(qū)段，電流可達(dá)幾十安培甚至幾百安培。在這種情況下，壁厚8～9mm的鋼管，快則2-3個(gè)月就會(huì)穿孔，因此，雜散電流造成的腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重。某個(gè)區(qū)段中較大的雜散電流，不僅可能使車站、區(qū)間隧道和周邊建筑主體結(jié)構(gòu)中的鋼筋發(fā)生電化學(xué)腐蝕，也會(huì)對(duì)周邊建筑物整體強(qiáng)度和耐久性大大降低，甚至?xí)霈F(xiàn)開裂、下沉；也可能使地鐵系統(tǒng)內(nèi)的埋地金屬管線和各種城市用公共金屬管道（水、電、油、氣管道等）在自然腐蝕的環(huán)境下又受到電腐蝕的作用，產(chǎn)生很嚴(yán)重的局部腐蝕。因此，如不采取有效的防護(hù)措施，不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)上的巨大損失，甚至?xí)劤蔀?zāi)難性的事故。由于國(guó)內(nèi)采用的直流牽引供電方式，所以雜散電流對(duì)各城市軌道交通危害嚴(yán)重，北京地鐵一期出現(xiàn)過(guò)主體結(jié)構(gòu)鋼筋嚴(yán)重腐蝕，隧道內(nèi)水管腐蝕穿孔。香港地鐵因雜散電流造成管道腐蝕穿孔，造成煤氣泄漏事故。在國(guó)外也存在嚴(yán)重雜散電流腐蝕問(wèn)題。有因雜散電流造成鋼筋混凝土塌方，有因雜散電流造成水管腐蝕穿孔等事故。由于城市軌道交通工程一旦完工投入運(yùn)行，隨著運(yùn)營(yíng)年限的增加，因雜散電流的腐蝕再對(duì)工程進(jìn)行翻修更換難度巨大且投資較多。因此，研究雜散電流的分布與大小，分析雜散電流腐蝕規(guī)律，研制應(yīng)對(duì)防范措施，無(wú)疑具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]曹阿林.埋地金屬管線的雜散電流腐蝕防護(hù)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2010.

[2]李建民.城市軌道交通供電系統(tǒng)雜散電流檢測(cè)與控制[J].儀表技術(shù)與傳感器，2007，10：73-78.

[3]周偉.直流牽引供電系統(tǒng)雜散電流分布與防護(hù)[D].成都：西南交通大學(xué)，2007.

[4]龐原冰.城市軌道交通雜散電流研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2008.

作者簡(jiǎn)介：秦亞玲（1981，10-），女，陜西省吳堡縣，本科，講師，研究方向：電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)及城市軌道交通供電系統(tǒng)。