城市轨道交通中杂散电流的危害及防护

付连著 范季陶

城市轨道交通中杂散电流的危害及防护

付连著*范季陶＊＊

介绍了城市轨道交通直流牵引供电系统中杂散电流的产生、危害、破坏机理及防护措施等要素，同时参照国内、国际标准的要求对杂散电流防护的评价指标和测试方法进行了介绍。

杂散电流;过渡电阻;防护

杂散电流又被称作迷流，是在城市轨道交通直流牵引供电回流中产生的。它对城市轨道交通系统内外金属设备、沿途管线会造成一定的危害和影响，尤其会对走行轨、道床钢筋、结构钢筋、各种金属管线等有着很强的腐蚀作用，因此，杂散电流防护成为轨道交通建设和运营过程中的一项重要内容。

1 杂散电流产生的机理

目前城市轨道交通一般采用直流牵引供电，列车电源由牵引变电所提供，通过架空接触网或接触轨送向列车，机车受流后通过走行轨回流。虽然在设计中走行轨对地要求绝缘，但由于走行轨对大地始终存在过渡电阻，因此牵引回流并非全部通过走行轨回流至牵引变电所，而是有一部分通过走行轨杂散流入道床，并由道床流向结构钢筋、电缆外皮、以及沿线的金属管线。在变电所附近，这些散在外部的电流又通过金属管线、道床等媒质流回走行轨并最终回到牵引变电所，从而形成了杂散电流，如图1所示。

腐蚀可分为自然腐蚀和电腐蚀。杂散电流引起的腐蚀属于电腐蚀，确切的说应为电解腐蚀，其原理是由于直流电流在金属和电解质间流动产生的，这是城市轨道交通中金属腐蚀的主要形式。

当杂散电流由图1中的阳极区——走行轨和金属管线流出时，都会发生失掉电子的氧化反应，该部位的金属就会遭到腐蚀。简单说来，电流从其中流出进入电解质的那部分金属极易发生腐蚀。

图1 杂散电流产生及线路结构示意图

2 杂散电流的影响和危害

1.杂散电流对城市轨道交通隧道结构钢筋及道床钢筋会产生强烈的腐蚀。根据法拉第电解定律，1A的杂散电流，每年可腐蚀钢铁金属约9.1 kg。如果这种电腐蚀长期存在，将会严重损坏地铁附近的各种结构钢筋和地下金属管线，降低其使用寿命。

2.杂散电流会破坏钢筋混凝土结构。杂散电流流过时对混凝土本身并不产生影响，但由于钢筋的存在，当钢筋受腐蚀时会产生铁锈等产物，这些产物会大大增加钢筋本身的体积，从而使混凝土内部产生强大的压力，促使混凝土结构开裂。

3.杂散电流会腐蚀沿线的金属地埋管线。由于地埋金属管线容易聚集杂散电流，故易被腐蚀，应在设计和建造过程中给予重视。另外，杂散电流还会对沿线的地埋通信电缆产生腐蚀破坏作用。

4.杂散电流产生的电压可造成人身触电。当牵引回流不畅，形成大量的杂散电流流入地中时，会造成钢轨与结构钢筋之间电压的升高，对站台上的乘客安全构成威胁。德国标准VDE0115规定，该电位差不得超过92 V。

5.若钢轨(走行轨)局部或整体对地的绝缘特性降低，则会引起钢轨对大地较大的漏泄电流，使地下杂散电流增大，引起过高的地电位，使某些设备无法正常工作，也有可能引起牵引变电所的框架保护动作或排流柜熔断器的保护。

3 杂散电流防护的主要评价指标

由于杂散电流对城市建筑和轨道交通系统本身均具有较大的腐蚀和破坏作用，为了有效地限制地铁杂散电流，降低与消除其不利影响，国家颁布了GJJ49-92《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》，欧洲颁布了EN50122-2:1999标准，对地铁杂散电流防护的相关要求作出了详细规定。

3.1 过渡电阻

钢轨对大地(或道床)的过渡电阻(或导纳)是轨道交通工程杂散电流防护领域验收检查时重要的评价指标。

标准EN50122-2:1999规定，对于铁路系统，钢轨对大地的导纳不应超过0.5 S/km，即过渡电阻不应小于2Ω·km。对于轨道交通系统，也根据建设类别规定了相应的过渡导纳限值。

GJJ 49-92《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》规定，兼用作回流的地铁走行轨与隧洞主体结构(或大地)之间的过渡电阻值，对于新建线路不应小于15Ω·km，运行线路不应小于3Ω·km。

关于过渡电阻的测试方法，GJJ 49-92规定走行轨和主体结构之间的过渡电阻值可使用接地电阻测试仪进行测量，测量工作应在停电后进行，并应断开相应的电气连接。测试完成后，应将各个闭塞区间过渡电阻的测试结果，按标准规定的方法(即按并联方式计算)折合成1 km长度走行轨的等值过渡电阻值。

标准EN50122-2:1999规定了2种过渡电阻的测试方法，均为经典的电压电流法(欧姆定律)。一种方法需要断开相邻闭塞区间的钢轨连接，这种方法的优点是测试工作相对简单，但断开连接的准备工作比较复杂。另一种方法无需断开钢轨连接，但需要多块电流表监测各个断面的流出电流，以便计算出通过道床泄漏的入地电流，该方法注入电流很大，测试电压较高，测试工作非常复杂，可在不方便断开钢轨连接的时候使用。具体测试方法参见EN50122-2:1999附录A。

3.2 钢轨的回流阻抗

钢轨的回流阻抗应尽可能的低，以便使牵引回流尽可能多的畅通流回牵引变电所，减少杂散电流的泄漏。GJJ 49-92规定:回流走行轨应焊接成长钢轨，其连接质量应符合有关标准规定，且能满足相应等级钢轨纵向电阻值的要求。回流走行轨系统中，每处扼流变压器所增加的电阻值不应超过36 m长度轨道的等值电阻。

标准EN50121-2:1999规定，钢轨在焊接处或连接处引入的电阻不应超过整个纵向电阻的5%。

3.3 监测

监测可以动态地评价金属设施受杂散电流腐蚀的危害程度。GJJ 49-92规定:电腐蚀危险性的直接定量指标为漏泄电流密度;腐蚀危险性的间接指标为漏泄电流引起的结构电位极化偏移(电压)值，该值应取列车运行高峰时间内测得的小时平均值。隧洞结构的外表面，受杂散电流腐蚀危害的控制指标是由漏泄电流引起的结构电压偏离其自然电位数值。对于钢筋混凝土质地铁主体结构钢筋，上述极化电压的正向偏移平均值不应超过0.5 V。

4 杂散电流的防护措施

杂散电流的防护设计应采取“以防为主，以排为辅，防排结合，加强监测”的原则。

4.1 防

杂散电流腐蚀防护首先是“以防为主”，其目的是从源头上根本控制和减小杂散电流漏泄量。具体做法如下。

1.合理的设置牵引变电所，所间距离不宜过长，同时牵引网采用双边供电模式，因为杂散电流值与列车到牵引变电所的距离的平方成正比。

2.加强走行轨对地绝缘，如走行轨下设置绝缘垫，走行轨对地保持一定间隙，设置道床排水沟，合理设置钢轨下面的道床混凝土层的厚度。

3.保持牵引回路的畅通，使牵引电流尽可能多地通过钢轨或专门的回流线流回变电所，减少其对地漏泄，进而从根本上减少杂散电流的产生，如采用重钢轨，降低钢轨连接处的阻抗，设置均流线等措施。

4.重视日常维护，如定时清扫线路上的油污、杂物等，保持走行轨的清洁和绝缘水平良好。

5.对地埋金属管线，应采用绝缘方式进行敷设，如设置绝缘保护层、绝缘套管等。对于穿越轨道交通系统的管线应在系统内外接口处设置绝缘接头或绝缘法兰等。必要时，经过论证也可采用阴极保护或保护阳极等防护方法。

4.2 排

随着建成线路运行时间的增加，走行轨对地的绝缘水平会下降，杂散电流有可能会超标，此时可以适当考虑投入排流装置，因此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，以便在必要时将杂散电流引回牵引变电所负极。在城市轨道交通设计中，通常将道床钢筋和结构钢筋用作排流网，收集由钢轨漏泄出来的杂散电流，并在变电所内设置杂散电流排流柜，当监测到道床结构钢筋极化电位值超过设定数值时，排流柜投入运行，道床收集网开始排流，使之通过排流网直接流回牵引变电所。排流只能作为一种应急手段。

4.3 监测

监测就是指设计完备的杂散电流监测系统，监视、测量杂散电流的大小，为运营维护提供依据。监测的主要内容包括漏泄量及极化电位。杂散电流监测系统的构成方式目前可分为分散式和集中式2类。

分散式监测系统由测试端子、参比电极、信号电缆、信号盒、便携式综合测试装置构成。其监测方法是通过便携式综合测试装置，在各个测点分别进行人工测量，主要是测量结构钢筋极化电压偏移值和道床钢筋极化电压偏移值，最后将测量值汇总在一起，传送到综合测试装置中。

集中式监测系统由参比电极、信号电缆、传感器、数据转换器、监测装置和上位计算机组成，如图2。

图2 杂散电流集中式监测系统组成框图

集中式监测系统是将杂散电流监测纳入电力监控系统(SCADA)统一进行管理。由电力监控系统对全线车站及区间的杂散电流进行监测和数据采集，并进行数据统计、整理和存档。控制中心调度员可通过电力监控系统的画面对全线车站及区间的结构钢筋极化电压和道床钢筋极化电压的实时数据和历史数据进行查询，如车站或区间某点杂散电流(极化电压)超标，系统自动产生报警，提醒调度员及时处理。目前广州地铁、深圳地铁、武汉地铁等均采用了集中式杂散电流监测系统。

［1］于松伟，杨兴山．城市轨道交通供电系统设计原理与应用［M］．北京:西南交通大学出版社，2008．

［2］中华人民共和国建设部．CJJ49-92杂散电流腐蚀防护技术规程［M］．北京:中国计划出版社，1993．

The paper expounded the generation，risk，damage mechanism，and protection measures of stray current in DC traction system of urban rail transit．Furthermore，the paper introduced the assessment parameters and testingmethods according to domestic and international standards．

Stray current;Transition resistance;Prevention

*中国铁道科学研究院科研开发处助理研究员，100081北京

＊＊中国铁道科学研究院通信信号研究所助理研究员，100081北京

2011-10-21

(责任编辑:张利)