地铁的杂散电流分析与防护

李昕

摘要：本文首先讨论了杂散电流的产生、危害及其对结构钢筋和埋地金属管线的腐蚀机理；利用MATLAB数学软件仿真分析了线路和环境参数对轨道电位\轨道电流以及杂散电流等的影响，找出了轨道电位、轨道电流以及杂散电流等的分布规律；接着对大连快轨3号线和广州地铁1号线的杂散电流实测数据进行了分析，验证了理论和仿真分析的正确性。最后指出了减少杂散电流泄露的途径并对比分析了多种杂散电流腐蚀防治的方法，指出了它们的优缺点。

一、直流牵引供电系统组成及其杂散电流的形成

1.1直流牵引供电系统组成

目前地铁的牵引方式采用电力牵引，其供电系统大多采用直流供电。图1所示为典型的地铁供电系统示意图。

其各部分名称及功能简述如下：

（1）牵引变电站：供给地铁一定区段内牵引用电能的变电站；

（2）馈电线：-变电所向接触网（轨）传送电能的导线；

（3）接触网（轨）：通过机车的受流器向机车提供电能的导电网；

（4）机车：动车或动车组；

（5）钢轨：用于牵引电流的回流；

（6）回流线：用以供牵引电流返回牵引变电所的导线；

图1

1---牵引变电站；2---馈电线；3---接触网（轨）；

4---机车；5---钢轨；6---回流线

1.2杂散电流的定义

正常情况下，电流应该按照人们的设计要求在指定的导体内流动，如果由于某种原因，一部分电流离开了指定的导体而在原来不应有电流的导体内流动，这部分电流就叫杂散电流。

1.3杂散电流的产生

目前城市轨道交通一般采用直流牵引供电。列车所需牵引电流由牵引变电站提供，通过牵引网（架空接触网或接触轨）送向列车，并通过走行轨作为牵引回流电路，返回到牵引变电站。尽管走行轨对地绝缘，但因为存在对地过渡电阻，所以在直流牵引供电系统中，牵引电流并非全部沿走行轨流回牵引变电站，而是有一部分由走行轨杂散流入道床，并由道床流向结构钢筋、电缆外皮、水管，甚至隧道外的水管、煤气管道等金属管线，而后又经这些金属管线流回道床，再由道床流回走行轨并返回牵引变电站，从而形成了杂散电流。

二、杂散电流的危害及腐蚀机理

2.1杂散电流的危害

地铁的杂散电流是一种有害的电流，会对地铁中的电气设备、设施的正常运行造成不同程度的影响，还会对隧道、道床的结构钢和附近的金属管线造成危害。这种危害主要表现在以下几个方面：

（1）若地下杂散电流流入电气接地装置，将会引起过高的接地电位，使某些设备无法正常工作，甚至会危及人身安全。

（2）如果走行轨的局部或整体相对与地面的绝缘性变得差了，那么这个走行轨就会泄漏更大的电流给地面，增大地下的杂散电流，这时就有可能导致牵引变电所的框架保护行为。而框架保护行为则会使得整个牵引变电所的整流机组跳闸，还会使相邻牵引变电所对应的直流馈线断路器失效，造成接触网大范围停电，从而对地铁的正常运营造成很大影响。

（3）杂散电流会对地铁隧道、道床以及其他建筑的结构钢筋和埋在附近的金属线路管道造成电腐蚀。要是这种电腐蚀存在的时间过长，会损坏在地铁附近的各种地下金属管道线路和结构钢筋组织，使结构钢筋的强度逐渐变弱，缩短了它的使用寿命，造成严重影响。

2.2杂散电流的腐蚀机理

2.2.1金属的腐蚀机理

腐蚀一般分为两种形式：化学腐蚀和电化学腐蚀。在无电流作用下产生的化学腐蚀是在潮湿和酸性环境中产生的。

2.2.2杂散电流的腐蚀过程

杂散电流会引起周围金属结构发生腐蚀，这种腐蚀称为杂散电流腐蚀。腐蚀一般分为两种形式：化学腐蚀和电化学腐蚀。在无电流作用下产生的化学腐蚀是在潮湿和酸性环境中产生的。由于电流的影响，发生在金属与周围环境（如空气、水或者土壤）间的电化学反应导致了电化学腐蚀。

2.3杂散电流腐蚀判定依据

由于地铁结构中泄露电流难以直接测量，所以腐蚀危险性指标只能采用间接指标来表示。间接指标是指由泄露电流引起的电位极化偏移（电压）值。隧道结构的外表面受杂散电流腐蚀危害的控制指标是用泄露电流引起的结构电压偏离其自然电位的数值来表示的。对于钢筋混凝土中的地铁主体结构钢筋，上述极化电压的正向偏移平均值不应超过O.5V。

三、杂散电流分布及其影响因素仿真分析

在杂散电流直接泄露至大地的杂散电流分布数学模型的推导过程中，忽略馈电线路的阻抗r，并设：Rs为走行轨纵向电阻，Ω/km；Rg为轨道与大地之间的过渡电阻，Ω•km；RD为大地纵向电阻，Ω/km；U（x）为走行轨在x处的电压，V；I（x）为走行轨在x处的电流，A；Is（x）为x处的杂散电流，A；x为距变电所的距离，km；L为机车距变电所的距离，km；I为机车取流电流，A.

利用通过建立数学模型以及MATLAB数学软件仿真分析轨道电位、轨道电流以及杂散电流的分布规律，并研究各个线路和环境参数对它们的影响。仿真参数的取值范围：

（1）对于直流1500V供电的机车，其取流电流为：（500一2000）A；

（2）两相邻变电所之间的距离：（l.5一4）km；

（3）轨道与大地之间的过渡电阻：（0一100）Ω•km；

（4）走形轨纵向电阻：（0.0001一l）Ω/km；

（5）大地纵向电阻：（0.0001一l）Ω/km；

这个过程中，各量的变化趋势己大幅减缓，但是杂散电流的数值还是比较大，同样需要采取处理措施。当轨地过渡电阻从3Ω•km增加到巧15Ω•km过程中，轨道电位缓慢增加到12V；轨道电流上升至799.5A；泄露杂散电流总量减少至0.5A；轨道与大地之间的跨接电流减少至0.8A.这个过程中，杂散电流的数值已比较小，带来的危害也不大。当轨地过渡电阻大于15Ω•km时，轨道电位!轨道电流、泄露杂散电流总量以及轨道与大地之间的跨接电流的变化己经非常小了，杂散电流的数值也非常小，此时的杂散电流是安全的。可见，轨地过渡电阻对杂散电流分布的影响极大。

四、杂散电流腐蚀防护措施

杂散电流腐蚀防护的措施主要包括源控法和排流法。

通过对杂散电流产生原因及腐蚀过程的分析，可以知道，提高走行轨对地绝缘以及保持牵引回流畅通是治理杂散电流泄露的两种直接方法。

4.1“防”——源控法

杂散电流腐蚀防护是“以防为主”，其主要目的是从源头上根本控制和减小杂散电流泄露量。影响杂散电流大小的因素主要有：牵引电流、牵引变电站之间的距离、走行轨的纵向电阻值、对地过渡电阻。

4.2“排”——排流法

在工程建设时，适当设置合理的杂散电流收集网及排流装置，可以在必要时将杂散电流引回牵引变电站的负极。

电压传感器SV1用于检测结构钢筋电位，当检测被保护的金属结构的极化电位处于安全状态时，杂散电流监测系统向排流装置发出停止排流的命令。当需要排流时，监测系统确定排流量，并把排流量的数值传送给排流柜控制器。控制器监测排流电流小于给定值时，控制IGBT连续导通；当检测排流电流大于给定值时，控制IGBT连续关断。

五、结论

轨道交通系统中机车是一个运动变化的负荷，地铁杂散电流腐蚀的介质一般为土壤，情况千差万别，影响腐蚀过程的因素太多，并随时间变化，但只要我们在理论分析的基础上结合现场调查研究和试验，采取有针对性的治理杂散电流的技术和方法。在分析清楚杂散电流产生原因及腐蚀过程的情况下，在轨道交通系统的设计、施工各个阶段，从实际出发，根据不同的线路施工方法、线路方案、地质状况、不同的供电方案，采取不同的技术措施，可以尽量减少杂散电流。

地铁杂散电流腐蚀的监测和防治，是地铁设计、建设、运营维护中必须考虑的问题，而杂散电流的腐蚀是一个长期积累的结果，给研究工作带来一定难度。在地铁工程建设中，应把地铁杂散电流防护系统尽可能做到完善，减少杂散电流的产生及限制杂散电流的扩散。在运营维护中，按照设置的监测系统及方案，定期测试及维护，发现问题，及时处理。

尽管地铁杂散电流的腐蚀性大，但只要采取科学合理的措施，一定能有效地降低杂散电流腐蚀的损失，防止危及地铁主体结构及管线结构。通过一系列的防、排、监测等方法的配合采用，基本上能防止杂散电流的危害，起到保护轨道交通及附近地下公共环境的作用。

参考文献：

[1]地铁杂散电流腐蚀防护技术规程（CJJ49-42）.

[2]朱孝信地铁的杂散电流腐蚀与防护，1997

[3]王勇.地铁的杂散电流防护措施分析，2001