城市轨道交通供电系统杂散电流的治理.pdf

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1、 1 城市轨道交通供电系统 对地下金属结构电性干扰的检测和治理 林守江 (天津市嘉信技术工程公司 300204) 摘要 随着城市轨道交通系统的快速发展，城市地下管道等地下构筑物的电性干扰危害问题也越来 越突出。地铁等轨道交通的驱动系统所传送的电流可能会对周边区域内金属结构形成动态干扰；而 供电系统的接地装置可能形成静态的干扰。本文论述了应用杂散电流的检测手段，对干扰的来源、 干扰模式以及危害程度等方面进行定量的检测和评价的方法。进而提出了控制和治理干扰的手段。 关键词 电性干扰、杂散电流、干扰治理。 引言 近些年来，随着经济的飞速发展，我国大型城市的以地铁为代表轨道交通有了突飞猛进的发展。 这

2、些城市的基础设施建设给百姓出行带来了极大方便的同时，也对原已十分密集的地下设施产生了 前所未有的危害和挑战。在城市地铁和轻轨等轨道交通运输系统中，一般采用直流牵引走行轨回流 的驱动方式。一旦回流通路与大地的绝缘存在问题，巨大的直流电流会流入大地，对埋地管道等地 下金属构筑物形成剧烈的电性干扰，导致金属构筑物受到强烈的腐蚀，使得它们在短时间内发生泄 漏或损伤。电性干扰的存在严重地威胁着城市地下管道等构筑物的运行安全。 特别是城市中的埋地燃气管道，它们在城市中分布广泛，铺设密度大。一旦发生事故，往往会 造成灾难性的后果，如煤气管道的腐蚀穿孔；结构钢筋的腐蚀，会破坏混凝土的整体性，降低其强 度和耐久

3、性，给安全运营带来严重威胁。国外对地铁杂散电流的腐蚀都做了较为深入的研究，但国 内的研究还刚刚起步。轨道交通系统中机车是一个运动变化的负荷，杂散电流腐蚀的介质一般为土 壤，其情况千差万别，影响腐蚀过程的因素太多，并随时间变化，在理论分析的基础上结合大量调 查研究和试验，才能提出有针对性的治理杂散电流方法。所以，城市轨道交通供电系统对地下金属 构筑物危害的检测和治理，已经成为当前摆在城市管理者和广大防腐工作者面前的重要课题。 交通供电系统形成电性干扰的种类及危害 轨道交通系统的电流泄露，会在城市大地中形成杂散电流。所谓的杂散电流是指在规定的电路 或意图电路之外流动的电流。在规定的电路中流动的电流

4、，其中一部分自回路中流出，流入大地、 水等环境中，形成了在大地中流动的干扰电流。金属电性腐蚀的原理，同电解的情况基本是一样的， 即阳极进行氧化反应，阴极为还原反应。杂散电流从土壤进入金属管道的区域带有负电，为阴极区， 处在阴极区的管道一般不受什么影响；当杂散电流由某一点流出时管体带正电，这一区域称为阳极 区，阳极区的管体以铁离子的形式溶入周围介质中，因此阳极区的管道受到腐蚀。 杂散电流腐蚀的破坏特征是阳极区段的局部腐蚀。经验表明，1 安培直流杂散电流在钢体上流 出，一年内将导致大约9Kg的金属蚀失。而在杂散电流严重的区域，电流可达几十安培或几百安培， 可见造成的腐蚀是相当严重的。对于长距离带有

5、防腐层的埋地金属管道，流入管道的杂散电流很大， 而且电流只能从防腐层的破损处流出，因而更容易集中在管道的局部，腐蚀将是惊人的激烈。在干 扰的阴极区也可能有危害，当电位过负，如小于-1.7V 时，管道表面会析出大量氢，造成沥青类防 腐绝缘层破坏，脱落，从而使阴极区的管道也发生腐蚀破坏。 城市轨道交通对地下金属构筑物的干扰有两种主要的形态，最为典型的是因电力机车的直流牵 引系统的供电通路泄漏而导致的杂散电流，其特点是在机车运行过程中形成的。它会因为机车的运 行规律变化而变化，构成典型的动态杂散电流干扰。 图 1 电流机车铁轨泄漏的电流对管道的危害 在轨道交通供电系统的附近，会安装有接地装置。如果这

6、些设施的安装位置不合适，在其周围 也形成杂散电流，对地下构筑物会产生电性干扰，其危害同样严重。所不同的是，这些干扰往往是 相对稳定的，它们基本上长期存在，对其他设施的危害较为容易确定。这种杂散电流称之为静态杂 散电流。行业标准 CJJ 49-92 的规定：隧道结构的外表面，受杂散电流腐蚀危害控制指标是由泄漏 电流引起的结构电压偏离自然电位的数值。对于地下构筑物中的钢筋，其极化电压的正向偏移平均 值不应超过 0.5V。 静态杂散电流的检测 相对而言，静态杂散电流的检测较为简单。检测手段也更为成熟。传统的地电位梯度法应用效 果较为理想。所谓地电位梯度检测法，就是使用较为精确的数字万用表，万用表的一

7、端与硫酸铜参 比电极相连，另一段与受干扰的管线测试桩相连，测量干扰地区的地面电位差。根据相关的标准就 可以确定该处杂散电流的存在程度。 2 此外，使用带存储的 SCM (Stray Current Mapping）同样是一个好的选择。它可以沿着管 道检测任何杂散电流的方向和强度。通过 SCM 的检测数据， 用户能够找出管道上的杂散电流进 入点和放电点。 根据这些检测数据， 可以确定在 管道存在的杂散电流干扰的区段， 配合现场调查 上就可以确定出静态杂散电流的来源， 进而找到 解决问题的方法。 动态杂散电流干扰的确定 城市轨道交通产生的杂散电流大多属于动 态杂散电流。 相比之下， 动态杂散电流的

8、检测和 评价就要困难得多。 这是因为， 这类杂散电流是 由于直流电流机车的供电系统而产生的，它的 图 2 使用毫伏表检测杂散电流示意图 产生与机车的运行规律密切相关。换句话说，由于轨道交通设施设计和施工等环节存在的缺陷，导 致直流驱动电流产生泄漏到大地形成杂散电流。当机车运行到此处的附近，这种杂散电路会急剧增 大；同样，当机车逐渐远离后，杂散电流会逐渐减小。这种干扰的程度会在每天的不同时段，因轨 道交通的繁忙程度不同而不同。因而，对于动态杂散电流的检测仅仅应用简单的地面电压梯度法往 往不能有效地检测出动态杂散电流的存在规律以及对某一区域内地下构筑物的危害程度、危害方式 以及治理方法。 动态杂散

9、电流的检测， 最有效的检测方法是使用多台带存储的 SCM 检测仪， 在杂散电流的可能 干扰地段布置，连续 24 小时，将记录下的检测数据，应用数据分析软件对不同时段，不同地点的检 测数据进行对比分析、相关分析，得出干扰电流的相互关系，确定杂散电流的流入流出点，从而得 到杂散电流的干扰模式。这种方法可以有效地检测出不同时段，不同地点的杂散电流的干扰规律。 图 3 使用动态 SCM 检测系统示意图 3 杂散电流干扰的控制和治理手段 就轨道交通而言，杂散电流干扰的常用控制手段是： 减小回流回路（铁轨）的电阻、增加泄漏 路径对地电阻、增加大地和金属结构之间的电阻；对于已经存在的杂散电流干扰，治理手段是

10、对地 下设施采取相应的排流措施等。 5.1 减小回流轨的电阻 从简单的电路原理可知，若回流轨电阻过高会导致轨道上的电压降增加，会导致电流泄漏的可 能性也会增加。减少沿回流轨的压降的方法有：增加回流轨的导电能力、足够的铁轨段间连接、减 少两个牵引变电所之间的距离等。 现代交通中轨道导电不是问题，可通过使用连续焊接的钢轨来实现。减少回流电阻的另一措施 是减小变电所之间的距离，这种方法可以有效减低了轨道上压降，也就有效地减少杂散电流的产生 机会。当前的轨道系统的变电所间的距离大多在 1-3 公里，变电所一般都在车站内，这在减少杂散 电流方面也是有好处的，也利于为机车加速时提供大的启动电流。 5.2

11、增加形成杂散电流的回路电阻 增加可能形成杂散电流回路的电阻是减小杂散电流非常有效的措施。常用增加泄漏路径电阻的 措施是：增加轨道对地电阻、使用不接地或二极管接地的回流电路、车辆段轨道进行绝缘隔离。由 于绝缘材料的进步，通过使用绝缘轨道扣件和绝缘垫，使得设计高的轨道对地电阻变得很容易。二 极管接地系统常用来消除由直接接地系统引起的杂散电流腐蚀问题。具体做法是通过二极管电路使 整流柜的母线与变电所的地线相连。二极管电路达到一定的门槛电压允许电流从地线流向整流柜的 负母线，可使电压保持在安全水平上。增加杂散电流路径电阻更为常用的措施是对车辆段的轨道进 行绝缘隔离和对正线上杂散电流泄漏集中的区域的轨道

12、进行绝缘隔离，也就是使轨道对地电阻的增 加。将车辆段和正线隔离避免了正线运行轨较高的电压施加在车辆段的轨道上，而车辆段的轨道电 压一般较低，这对降低车辆段的杂散电流是有效的。 此外，对于已经运行的轨道系统，治理已经存在的杂散电流就是在合适的位置引入排流装置。 这种做法尽管不如前几项措施那样经济有效，但对于受技术和环境等因素限制的很多场合不失一种 有效的减轻电性干扰危害，保护地下管道等金属构筑物安全的选择。通过对可能存在的杂散电流进 行检测之后，在合适的位置补建排流装置，可以选择的排流方式如下表 1 所示。 5.3 排流效果的评定 基于对杂散电流的检测结果，通过建立排流设施可以进行杂散电流的有效

13、治理。排流保护效果 的评定，可以采用排流前后正电位平均值的变化来评定排流保护的效果。 %100 = 前 后前 V VV 式中： 一排流保护前后正电位平均值下降率，% V前一排流前正电位平均值，V后一排流后正电位平均值，V 4 排流评价点一般不少于三个，评价点应包括排流点、干扰缓解大的点、干扰缓解小的点，其它 点可根据情况选择。 表 1. 直流干扰的排流保护方式 方式 直接排流 极性排流 强制排流 接地排流 示意图 应用条件 1.被干扰管道上有稳 定的阳极区； 2.直流供电所接地体 或负回归线附近 被干扰管道上管地 电位正负交变 管-轨电位差较小 不能直接向干扰源排流 优 点 1.简单经济 2.

14、效果好 1. 安装简便 2. 应用范围广 3. 不要电源 1. 保护范围大 2. 可用于其他方式无效特 殊场合； 3. 电车停运时可对管道提 供阴极保护 1.应用范围广， 可适应各 种情况 2.对其他设施干扰较小； 3.可提供部分保护电流 (采用牺牲阳极接地时) 缺 点 应用范围有限 当管道距铁轨较远 时，保护效果差 1.加剧铁轨电蚀； 2.对铁轨电位分布影响较大 3.需要电源 1.效果稍差 2.需要辅助接地床 结论 轨道交通产生的杂散电流对城市地下金属结构、管线设施腐蚀造成的危害是极为严重的，必须 引起应有重视。轨道交通的机车是一个运动变化的负荷，加之市区地下设施众多而土壤环境又是千 差万别

15、，影响因素过多，都对杂散电流的检测和治理构成严峻的挑战。但是，只要在理论分析的基 础上结合现场调查研究和试验，采取有针对性的检测和治理技术和手段，将危害控制在可以接受的 水平是完全可能的。此外，在摸清地下已有设施分布的情况下，在系统的设计施工等阶段，从实际 出发根据不同施工方法、线路供电方案、地质状况分别对相关的专业采取不同的技术措施尽量减少 杂散电流的产生，应是更为合理的选择。总之，结合科学的检测监测通过科学合理的治理手段，将 对地下结构的腐蚀危害降至最低水平，为城市的发展和市民的生命财产安全提供强有力的保障是每 一个防腐工作者义不容辞的责任。 参考文献 1 Dr. Thomas J. Barlo and Dr. Alan D. Zdunek，Stray Current Corrosion in Electrified Rail Systems - Final Report， May, 1995. 2 林守江译， 应用SCM技术对市区受杂散电流干扰管线的评价 加拿大雷迪公司 2004年10 月 3 北京地下铁道科学技术研究所，地铁杂散电流防护技术规程，中国计划出版社，1993 年 4 胡士信，阴极保护工程手册，北京：化学工业出版社，1999 年。 5