试析地铁杂散电流防护方案

艾祖雄

摘要：杂散电流是指不按设计或规定回路进行流动的电流，也称为“迷流”。在地铁牵引供电系统中，无论是直流电还是交流电，都会产生杂散电流。杂散电流如果不能得到有效的处理，久而久之会造成铁轨腐蚀，对地铁行车安全构成严重的威胁。因此，必须要结合地铁杂散电流的形成原因，制定针对性的防护方案，降低杂散电流产生的危害，维护地铁运行安全。

关键词：地铁杂散电流；形成原因；防护现状；技术措施

引言：

由于地铁本身处于一个相对封闭的运行环境，一旦因为杂散电流干扰引发故障，不仅增加了检查和维修工作的难度，而且更换被腐蚀的铁轨需要花费高昂的成本，给铁路部门带来严重的经济损失。地铁作为现阶段一种主要的出行工具，探究杂散电流防护方案，无论是在经济效益还是人员安全方面，都具有重要的应用价值。文章首先对地铁杂散电流的形成原因和危害进行了概述，随后就当前杂散电流防护现状的基础上，提出了幾点优化方案。

一、地铁杂散电流的成因分析

明确地铁杂散电流的形成原因，可以为制定相应的预防和解决措施提供参考。按照杂散电流分布位置的不同，可以将其大致分为内部电流泄露和外界环境影响两种形式。通过对以往地铁杂散电流事故案例的分析，电流泄露是导致杂散电流的常见原因，尤其是在一些投入运行多年的地铁中，由于地铁长期高负荷运行，部分电器元件的老化速度、磨损速度超过了设计值。在这种情况下，绝缘设备损坏或是接触不良，会导致部分电流泄露并经过铁轨传递到地下。同时，由于电流持续泄露，导致自由电子发生定向移动，埋设在地下的一些金属管线也会受到腐蚀。除了地铁电流泄露外，像大地自然电流、电磁辐射等外部环境因素，也有很大概率引发地铁杂散电流。

二、地铁杂散电流带来的危害

1、腐蚀地铁铁轨

在地铁供电系统中，正常情况下牵引电流流经铁轨后回到牵引变电所。但是如果铁轨局部绝缘性能下降，则会导致牵引电流泄露。这些电流进入到大地后，构成了一个大型的通电回路，其中大地作为阴极，铁轨作为阳极。阳极电子不断的向阴极移动，从而造成了铁轨材料的氧化腐蚀。如果铁轨所在区域土壤的含水率较高，还会在一定程度上加速电子的移动，铁轨腐蚀现象明显加快。严重情况下，受到杂散电流危害的地铁铁轨在投入使用3-5年后，就会因为受到腐蚀、达不到安全标准而被迫进行更换。

2、破坏埋地管线

地铁运行中配套使用的地下管线有给排水管道、天然气管道和电缆等。这些管线分布在地铁沿线的地下，满足机车及地铁站正常的运营需要。而受到地铁杂散电流的影响，这部分地下管线也容易受到腐蚀。尤其是对于靠近地表的一些管线，由于直接与杂散电流接触，腐蚀现象也会更加明显。另外，一些铺设在地下的通信线路，也可能由于受到杂散电流的干扰影响，导致通信信号受到污染，影响通信质量。

3、威胁人身安全

在牵引电流回流过程中，除了会出现电流泄露外，还有可能出现电压异常升高的情况。由于地铁铁轨和结构钢筋之间的电压差过大，导致电流逸出。虽然经过大地电阻的削弱作用，杂散电流变小，但是站台上或地铁上的乘客也有可能感受到电流，对人员的健康构成威胁。

三、地铁杂散电流的防护现状

对于地铁工程的牵引供电系统，防止牵引电流从钢轨泄漏出去形成杂散电流，应该作为首要的防护举措。被动型保护法即是以堵为主，也称为源控制法，一般采取的措施有：对埋地金属进行涂层和增加绝缘法兰等钝化防护、抬升供电牵引网电压、优化调整变电所位置、减小回流走形钢轨电阻、提高轨道对地的过渡电阻、合理设计混凝土钢筋的截面积、保证全系统钢筋的可靠连接等。

现阶段国内许多城市地铁采用的杂散电流防护措施还是以“源控制法”为主，在地铁发展的早期，由于地铁系统中电气设备的数量较少，产生的杂散电流也相对较少，这种源控制法具有较高的应用优势。但是近年来随着地铁中用电设备数量增加，这种单一化的杂散电流控制模式显然难以满足防护需求。基于这一客观情况，主动式的杂散电流防护措施开始得到了推广应用。主动保护的基本原理是通过外加辅助设备（如外加电流、外界活泼金属等），主动防治杂散电流对地铁铁轨、埋线金属的腐蚀。

主动型保护措施在预防杂散电流时，也面临一些问题，例如地铁在不同的运营时段，由于运行负荷不同，或是地铁运行环境干扰等，导致杂散电流的产生量较多，而主动型保护措施单次处理杂散电流的能力有限，防护效果可能会受到影响。另外，由于地铁结构设置的特殊性，许多地铁的铁轨上没有绝缘结，在进行杂散电流防护时，也可以每隔一定的距离设置绝缘结，从而达到预防杂散电流的目的。

四、地铁杂散电流防护的几种常见优化方案

1、阴极保护法

无论是在固态还是液态状态下，通电后的外部电子总是按照从阳极流向阴极的原则进行定向移动。随着电子在阴极的逐渐积累，金属的腐蚀现象也就更加明显。阴极保护方案的原理就是切断电子的移动途径，或是及时将阴极集聚的电子转移出去。与此相对应的两种阴极保护方案分别是外加电流保护法和牺牲阳极保护法。第一种方案可以在地铁铁轨的一侧加装持续放电的电源，由于电源放电是产生的电子远远超出杂散电流，从而起到保护作用；第二种方案则是在地铁铁轨一侧安装比铁更活泼的金属，如锡、铝等，通过腐蚀锡块、铝块，达到保护铁轨的目的。

2、阳极保护法

将被保护物的电位提高到钝态电位，从而阻止腐蚀，称之为阳极保护。就是应用一种使金属向着更为阳极方向的电流使金属钝化的一种技术，但是它只适用于表现活化-钝化性能的金属和合金。在地铁系统中，即提高埋地金属设施的电位。准确的维持整个埋地金属设施所要求的电位的能力，在阳极控制中是至关重要的。如果电位过高或过低，将导致腐蚀加剧，适得其反。从实际应用效果上看，地铁杂散电流的阳极保护方案，其应用范围比阴极保护法更广，而且不需要额外增加辅助电极，这样就无形中减轻了防护成本。但是阳极保护法不适用与酸性土壤，由于酸性土壤中游离态的氯离子较多，可能会影响电子的流通性，达不到阳极保护的目的。

3、排流保护法

杂散电流对埋地金属会产生严重的腐蚀，排流保护法的基本原理就是将埋地金属和地铁铁轨连通起来，利用化学性质活泼的金属代替阳极，避免地铁铁轨腐蚀。具体的保护方案如下：首先，将道床混凝土钢筋做成电气上的杂散电流排流网，其它有可能受到杂散电流腐蚀的埋地金属做成辅助排流网，引至牵引变电所的负母排进行电气连接。由于杂散电流总是走电阻最小的通路，则会选择直接流回牵引变电所。在阳极区的范围内，减小了杂散电流从混凝土钢筋再泄露出去的可能，削弱了杂散电流流出钢筋导致的腐蚀效果。

结语：地铁杂散电流的存在，不仅会腐蚀铁轨和地下金属管线，给铁路部门造成严重的经济损失，而且还会影响地铁行车安全，威胁人们的人身健康。近年来，我国地铁通车里程数不断增加，对于杂散电流防护的重视程度也应当与时俱进的提升。在分析杂散电流成因的基础上，制定相应的防护方案，最大限度的降低杂散电流带来的危害，保障地铁行车安全。

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