試析地鐵雜散電流防護(hù)方案

艾祖雄

摘要：雜散電流是指不按設(shè)計(jì)或規(guī)定回路進(jìn)行流動的電流，也稱為“迷流”。在地鐵牽引供電系統(tǒng)中，無論是直流電還是交流電，都會產(chǎn)生雜散電流。雜散電流如果不能得到有效的處理，久而久之會造成鐵軌腐蝕，對地鐵行車安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。因此，必須要結(jié)合地鐵雜散電流的形成原因，制定針對性的防護(hù)方案，降低雜散電流產(chǎn)生的危害，維護(hù)地鐵運(yùn)行安全。

關(guān)鍵詞：地鐵雜散電流；形成原因；防護(hù)現(xiàn)狀；技術(shù)措施

引言：

由于地鐵本身處于一個相對封閉的運(yùn)行環(huán)境，一旦因?yàn)殡s散電流干擾引發(fā)故障，不僅增加了檢查和維修工作的難度，而且更換被腐蝕的鐵軌需要花費(fèi)高昂的成本，給鐵路部門帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。地鐵作為現(xiàn)階段一種主要的出行工具，探究雜散電流防護(hù)方案，無論是在經(jīng)濟(jì)效益還是人員安全方面，都具有重要的應(yīng)用價值。文章首先對地鐵雜散電流的形成原因和危害進(jìn)行了概述，隨后就當(dāng)前雜散電流防護(hù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了幾點(diǎn)優(yōu)化方案。

一、地鐵雜散電流的成因分析

明確地鐵雜散電流的形成原因，可以為制定相應(yīng)的預(yù)防和解決措施提供參考。按照雜散電流分布位置的不同，可以將其大致分為內(nèi)部電流泄露和外界環(huán)境影響兩種形式。通過對以往地鐵雜散電流事故案例的分析，電流泄露是導(dǎo)致雜散電流的常見原因，尤其是在一些投入運(yùn)行多年的地鐵中，由于地鐵長期高負(fù)荷運(yùn)行，部分電器元件的老化速度、磨損速度超過了設(shè)計(jì)值。在這種情況下，絕緣設(shè)備損壞或是接觸不良，會導(dǎo)致部分電流泄露并經(jīng)過鐵軌傳遞到地下。同時，由于電流持續(xù)泄露，導(dǎo)致自由電子發(fā)生定向移動，埋設(shè)在地下的一些金屬管線也會受到腐蝕。除了地鐵電流泄露外，像大地自然電流、電磁輻射等外部環(huán)境因素，也有很大概率引發(fā)地鐵雜散電流。

二、地鐵雜散電流帶來的危害

1、腐蝕地鐵鐵軌

在地鐵供電系統(tǒng)中，正常情況下牽引電流流經(jīng)鐵軌后回到牽引變電所。但是如果鐵軌局部絕緣性能下降，則會導(dǎo)致牽引電流泄露。這些電流進(jìn)入到大地后，構(gòu)成了一個大型的通電回路，其中大地作為陰極，鐵軌作為陽極。陽極電子不斷的向陰極移動，從而造成了鐵軌材料的氧化腐蝕。如果鐵軌所在區(qū)域土壤的含水率較高，還會在一定程度上加速電子的移動，鐵軌腐蝕現(xiàn)象明顯加快。嚴(yán)重情況下，受到雜散電流危害的地鐵鐵軌在投入使用3-5年后，就會因?yàn)槭艿礁g、達(dá)不到安全標(biāo)準(zhǔn)而被迫進(jìn)行更換。

2、破壞埋地管線

地鐵運(yùn)行中配套使用的地下管線有給排水管道、天然氣管道和電纜等。這些管線分布在地鐵沿線的地下，滿足機(jī)車及地鐵站正常的運(yùn)營需要。而受到地鐵雜散電流的影響，這部分地下管線也容易受到腐蝕。尤其是對于靠近地表的一些管線，由于直接與雜散電流接觸，腐蝕現(xiàn)象也會更加明顯。另外，一些鋪設(shè)在地下的通信線路，也可能由于受到雜散電流的干擾影響，導(dǎo)致通信信號受到污染，影響通信質(zhì)量。

3、威脅人身安全

在牽引電流回流過程中，除了會出現(xiàn)電流泄露外，還有可能出現(xiàn)電壓異常升高的情況。由于地鐵鐵軌和結(jié)構(gòu)鋼筋之間的電壓差過大，導(dǎo)致電流逸出。雖然經(jīng)過大地電阻的削弱作用，雜散電流變小，但是站臺上或地鐵上的乘客也有可能感受到電流，對人員的健康構(gòu)成威脅。

三、地鐵雜散電流的防護(hù)現(xiàn)狀

對于地鐵工程的牽引供電系統(tǒng)，防止?fàn)恳娏鲝匿撥壭孤┏鋈バ纬呻s散電流，應(yīng)該作為首要的防護(hù)舉措。被動型保護(hù)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(jìn)行涂層和增加絕緣法蘭等鈍化防護(hù)、抬升供電牽引網(wǎng)電壓、優(yōu)化調(diào)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(shè)計(jì)混凝土鋼筋的截面積、保證全系統(tǒng)鋼筋的可靠連接等。

現(xiàn)階段國內(nèi)許多城市地鐵采用的雜散電流防護(hù)措施還是以“源控制法”為主，在地鐵發(fā)展的早期，由于地鐵系統(tǒng)中電氣設(shè)備的數(shù)量較少，產(chǎn)生的雜散電流也相對較少，這種源控制法具有較高的應(yīng)用優(yōu)勢。但是近年來隨著地鐵中用電設(shè)備數(shù)量增加，這種單一化的雜散電流控制模式顯然難以滿足防護(hù)需求?；谶@一客觀情況，主動式的雜散電流防護(hù)措施開始得到了推廣應(yīng)用。主動保護(hù)的基本原理是通過外加輔助設(shè)備（如外加電流、外界活潑金屬等），主動防治雜散電流對地鐵鐵軌、埋線金屬的腐蝕。

主動型保護(hù)措施在預(yù)防雜散電流時，也面臨一些問題，例如地鐵在不同的運(yùn)營時段，由于運(yùn)行負(fù)荷不同，或是地鐵運(yùn)行環(huán)境干擾等，導(dǎo)致雜散電流的產(chǎn)生量較多，而主動型保護(hù)措施單次處理雜散電流的能力有限，防護(hù)效果可能會受到影響。另外，由于地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)置的特殊性，許多地鐵的鐵軌上沒有絕緣結(jié)，在進(jìn)行雜散電流防護(hù)時，也可以每隔一定的距離設(shè)置絕緣結(jié)，從而達(dá)到預(yù)防雜散電流的目的。

四、地鐵雜散電流防護(hù)的幾種常見優(yōu)化方案

1、陰極保護(hù)法

無論是在固態(tài)還是液態(tài)狀態(tài)下，通電后的外部電子總是按照從陽極流向陰極的原則進(jìn)行定向移動。隨著電子在陰極的逐漸積累，金屬的腐蝕現(xiàn)象也就更加明顯。陰極保護(hù)方案的原理就是切斷電子的移動途徑，或是及時將陰極集聚的電子轉(zhuǎn)移出去。與此相對應(yīng)的兩種陰極保護(hù)方案分別是外加電流保護(hù)法和犧牲陽極保護(hù)法。第一種方案可以在地鐵鐵軌的一側(cè)加裝持續(xù)放電的電源，由于電源放電是產(chǎn)生的電子遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出雜散電流，從而起到保護(hù)作用；第二種方案則是在地鐵鐵軌一側(cè)安裝比鐵更活潑的金屬，如錫、鋁等，通過腐蝕錫塊、鋁塊，達(dá)到保護(hù)鐵軌的目的。

2、陽極保護(hù)法

將被保護(hù)物的電位提高到鈍態(tài)電位，從而阻止腐蝕，稱之為陽極保護(hù)。就是應(yīng)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(shù)，但是它只適用于表現(xiàn)活化-鈍化性能的金屬和合金。在地鐵系統(tǒng)中，即提高埋地金屬設(shè)施的電位。準(zhǔn)確的維持整個埋地金屬設(shè)施所要求的電位的能力，在陽極控制中是至關(guān)重要的。如果電位過高或過低，將導(dǎo)致腐蝕加劇，適得其反。從實(shí)際應(yīng)用效果上看，地鐵雜散電流的陽極保護(hù)方案，其應(yīng)用范圍比陰極保護(hù)法更廣，而且不需要額外增加輔助電極，這樣就無形中減輕了防護(hù)成本。但是陽極保護(hù)法不適用與酸性土壤，由于酸性土壤中游離態(tài)的氯離子較多，可能會影響電子的流通性，達(dá)不到陽極保護(hù)的目的。

3、排流保護(hù)法

雜散電流對埋地金屬會產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕，排流保護(hù)法的基本原理就是將埋地金屬和地鐵鐵軌連通起來，利用化學(xué)性質(zhì)活潑的金屬代替陽極，避免地鐵鐵軌腐蝕。具體的保護(hù)方案如下：首先，將道床混凝土鋼筋做成電氣上的雜散電流排流網(wǎng)，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(wǎng)，引至牽引變電所的負(fù)母排進(jìn)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。在陽極區(qū)的范圍內(nèi)，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(dǎo)致的腐蝕效果。

結(jié)語：地鐵雜散電流的存在，不僅會腐蝕鐵軌和地下金屬管線，給鐵路部門造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，而且還會影響地鐵行車安全，威脅人們的人身健康。近年來，我國地鐵通車?yán)锍虜?shù)不斷增加，對于雜散電流防護(hù)的重視程度也應(yīng)當(dāng)與時俱進(jìn)的提升。在分析雜散電流成因的基礎(chǔ)上，制定相應(yīng)的防護(hù)方案，最大限度的降低雜散電流帶來的危害，保障地鐵行車安全。

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