直流供電方式中雜散電流腐蝕的防護

李 巖

(中國鐵建電氣化局集團北方工程有限公司，云南 昆明 650000)

1 概述

近些年我國國民經(jīng)濟高速發(fā)展，各大中型城市的交通擁堵現(xiàn)象日趨嚴重，于是地鐵在各個城市紛紛開工建設(shè)。一般情況下，地鐵系統(tǒng)采用直流供電，這就導致了雜散電流的出現(xiàn)，就一定要關(guān)注雜散電流的危害，其對地下埋設(shè)的金屬管道、建筑主體結(jié)構(gòu)鋼筋的危害以及防護措施。加強對雜散電流腐蝕危害及防治措施的研究，可以保證地鐵及周邊的管線、建筑物的安全，延長它們的使用壽命。本文從雜散電流腐蝕產(chǎn)生的原理、腐蝕的危害及雜散電流的防護措施等幾個方面進行探討。

2 雜散電流腐蝕的原理

我國地鐵的供電電壓基本上都是采用750 V和1 500 V的直流。牽引變電所通過整流之后提供直流電，直流電通過接觸軌(第三軌)或者架空接觸網(wǎng)向地鐵車輛輸送，然后利用走行軌再回流到牽引變電所。在理論上走行軌對地是絕緣的，但由于施工工藝、周邊環(huán)境、絕緣材料的材質(zhì)及老化等各方面的原因，走行軌不可能做到對地面完全絕緣。在這種情況下，部分的電流必然會從走行軌泄漏到大地，從而形成了雜散電流。

雜散電流從走行軌泄漏到大地，然后會從大地流回走行軌。如果附近有導電性能良好的埋地金屬管線、結(jié)構(gòu)鋼筋等金屬體，有一部分雜散電流會流過電阻率較低的金屬體，在流通過程中，電流會對金屬管線、結(jié)構(gòu)鋼筋等金屬體造成腐蝕。圖1所示就是雜散電流的流通路徑。

雜散電流腐蝕屬于電化學腐蝕，是一種氧化還原反應(yīng)，金屬體失去電子而被氧化(陽極反應(yīng)過程)，介質(zhì)中的物質(zhì)從金屬體表面獲得電子而被還原(陰極反應(yīng)過程)，雜散電流腐蝕從根本上說就是電解電池作用引起金屬體腐蝕。

走行軌、金屬管線及結(jié)構(gòu)鋼筋均為電子導體，大地為離子導體，如圖1所示，隨著電流的流動，電子在A點和C點流出，那么金屬體和大地一起組成的界面為陽極，電流在B點和D點流入，那么大地與金屬體一起組成的界面為陰極，雜散電流流過的路徑可以看成是兩個電解電池串連在一起，即：

電池1(AB)：走行軌(陽極)—土壤—金屬體(陰極)。

電池2(CD)：金屬體(陽極)—土壤—走行軌(陰極)。

在屬于陽極的區(qū)域，隨著電流的流動，金屬體表面發(fā)生陽極氧化反應(yīng)，金屬體內(nèi)的金屬原子放出電子而轉(zhuǎn)變成離子態(tài)，即發(fā)生電解腐蝕。也就是說，在雜散電流的流通路徑中，雜散電流流出區(qū)域的金屬就會遭到電化學腐蝕，對圖1來說，走行軌上的A點和金屬體上的C點就是發(fā)生雜散電流腐蝕的區(qū)域。

3 雜散電流腐蝕的危害

地鐵的雜散電流不同程度的影響著地鐵中電氣設(shè)備的正常運行，如果雜散電流的流通路徑上出現(xiàn)電氣接地，就會導致接地電位出現(xiàn)過高的現(xiàn)象，使得一些電氣設(shè)備不能正常工作。

地鐵的雜散電流會對走行軌、附近的金屬管線、隧道、橋梁和整體道床的結(jié)構(gòu)鋼筋等造成危害，導致它們的強度逐漸降低、使用壽命縮短，造成一定的經(jīng)濟損失。走行軌一般鋪設(shè)在地表面，發(fā)生腐蝕現(xiàn)象容易發(fā)現(xiàn)，而且走行軌在運行中會磨損，一般會視磨損的情況定期更換,因此雜散電流腐蝕對走行軌的影響較小。對附近的金屬管線和結(jié)構(gòu)鋼筋來說，它們被埋設(shè)在地下,被腐蝕的情況難以被察覺。因此雜散電流的腐蝕對結(jié)構(gòu)鋼筋、金屬管線等的危害是需要重點關(guān)注的。

法拉第電解第一定律說明，“在電極上析出(或溶解)的物質(zhì)的質(zhì)量m同通過電解液的總電量Q(即電流強度I與通電時間t的乘積)成正比電。”

m=KIt。

其中，I為陽極流出的電流，A;t為流過電流的時間，s;K為電化當量，kg/(A·s)。

可見，金屬被腐蝕的速度取決于通過金屬被腐蝕區(qū)域的電流值。按照鋼鐵的電化當量2.89×10-7kg/(A·s)來計算，當1 A的雜散電流流過鋼鐵類設(shè)施時，一年的時間約腐蝕掉9.1 kg。北京城軌公司曾經(jīng)提供的數(shù)據(jù)是車輛起動時產(chǎn)生的雜散電流達到100 A以上，所以必須重視雜散電流腐蝕所造成的危害。

4 雜散電流腐蝕的防護

防護雜散電流的腐蝕，一般是遵循“以堵為主，以排為輔，堵排結(jié)合，加強監(jiān)測”的原則，防護措施主要是以下三類：

1)“堵”：從雜散電流的來源上控制，減少雜散電流的產(chǎn)生。

2)“排”：采用排流的方法或者其他方法，減少雜散電流對金屬體的腐蝕。

3)“測”：對雜散電流的狀態(tài)進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)雜散電流過高的情況。

4.1 控制源頭，減少雜散電流產(chǎn)生

根據(jù)實踐經(jīng)驗，雜散電流的電流大小與列車的牽引電流值成正比、與走行軌的縱向電阻值成正比、與列車到牽引所的距離的平方成正比、與走行軌的對地過渡電阻值成反比。所以，可以采取以下措施，減少雜散電流的產(chǎn)生：

1)降低走行軌電阻值。

讓負載電流的大部分通過走行軌回流，是減小雜散電流的關(guān)鍵措施。如果走行軌的電阻較大，回流電流經(jīng)過時在走行軌上產(chǎn)生的電壓就大，走行軌對大地的電位差相應(yīng)也增大，泄漏的雜散電流隨之增加。降低走行軌的縱向電阻值，可以采用焊接短鋼軌組成長鋼軌、軌縫之間增加可靠的電氣連接和走行軌之間加設(shè)均流線平衡電流等措施。

2)增大走行軌與道床、其他主體結(jié)構(gòu)之間的過渡電阻。

走行軌對大地的絕緣水平，決定了雜散電流的大小。可采取改善混凝土配料、加強鋼軌與軌枕的絕緣連接、改善道床混凝土結(jié)構(gòu)等方法，提高走行軌對整體道床的絕緣水平，增大過渡電阻。在必要的情況下，還可以在整體道床和其他主體結(jié)構(gòu)之間設(shè)置絕緣層，減少從整體道床流向建筑主體結(jié)構(gòu)鋼筋的雜散電流。

3)適當縮短變電所之間的距離,采用雙邊供電。

適當縮短牽引變電所之間的距離，而且使牽引變電所向區(qū)間實行雙邊供電。另外，在車輛段及停車場等場所單獨設(shè)置牽引變電所，而且場、段內(nèi)與正線線路的供電之間相互絕緣。

4)采用較高的牽引電壓。

我國地鐵的牽引供電系統(tǒng)中，一般是采用DC 750 V和DC 1 500 V這兩種電壓來供電。在相同的功率下，如果直流牽引電壓較高，負荷電流值就相對較低，能夠減少電流的泄漏，從而減少雜散電流。所以相對來說，采用DC 1 500 V的供電電壓可以減少雜散電流的產(chǎn)生。

4.2 排流法

建立雜散電流的收集排流系統(tǒng)，利用低阻值的回流通路，人為地將泄漏的雜散電流引回變電所負母排，可以大大減少繼續(xù)向外泄漏的雜散電流。

設(shè)置排流網(wǎng)，在一定程度上其實是增加了雜散電流的泄漏，而且排流網(wǎng)的實質(zhì)就是通過結(jié)構(gòu)鋼筋把雜散電流收集起來。其實結(jié)構(gòu)鋼筋本身就是需要重點保護的對象，而設(shè)置排流網(wǎng)收集的雜散電流在結(jié)構(gòu)鋼筋上流動必然存在一定的安全隱患。對于這個安全隱患，在工程上一般采用“防、排結(jié)合”的方式，只是利用這些結(jié)構(gòu)鋼筋組成針對雜散電流收集的網(wǎng)絡(luò)，并且在整體道床結(jié)構(gòu)與車站、隧道和橋梁等建筑主體結(jié)構(gòu)之間增加設(shè)置絕緣隔離板，這樣既保留了排流網(wǎng)也盡可能避免雜散電流流入其他建筑主體結(jié)構(gòu)中。

4.3 陰極保護法

可以分為兩種：一是犧牲陽極陰極保護法；二是外加電流陰極保護法。

1)犧牲陽極陰極保護法。

將更容易失去電子的金屬(例如鎂、鋁、鋅等)或者合金與被保護的金屬連接，使流過電流的方向時使該金屬上的電子轉(zhuǎn)移到被保護的金屬上去，被保護金屬由原來的陽極轉(zhuǎn)變成為陰極,不再被電腐蝕從而得到保護。

2)外加電流陰極保護法。

通過外加穩(wěn)定的直流電源，選用一些特定的材料作為輔助陽極接電源的正極，將需要保護的金屬作為陰極接電源的負極，通過電源的作用，使被保護的金屬處于陰極電位，從而受到保護。

4.4 雜散電流的監(jiān)測

通過完備的雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)視和測量雜散電流的大小。這是雜散電流防護的一種輔助手段，通過監(jiān)測雜散電流的分布及漏泄情況，及時做出整改預案、消除隱患。

雜散電流其實很難直接測量，一般只是通過測量金屬體的電位極化偏移值，以此來判斷金屬體被雜散電流腐蝕的情況。監(jiān)測的參數(shù)主要有四個，分別是走行軌的電壓、走行軌的縱向電阻、走行軌的過渡電阻和地下金屬體的極化電位等。各測量點采集參比電極對結(jié)構(gòu)鋼筋、走行軌對結(jié)構(gòu)鋼筋的電壓的模擬量，再通過傳感器將模擬量及時轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,然后由牽引變電所內(nèi)安裝的監(jiān)測裝置傳送到計算機系統(tǒng),操作人員可以隨時查詢。

5 結(jié)語

雜散電流的防護在地鐵的設(shè)計、建設(shè)和運營過程中是一個重要問題，雜散電流的分布規(guī)律必須根據(jù)實際情況分析，設(shè)計出最為合理的雜散電流防護方案。本文簡單的闡述了雜散電流的產(chǎn)生、危害及防護措施，但對于地鐵雜散電流的防護這個復雜的問題，需要結(jié)合工程的實際情況，具體問題具體分析，以減少雜散電流腐蝕的危害。