軌道交通系統(tǒng)雜散電流及其腐蝕控制技術(shù)初探

1、軌道交通系統(tǒng)雜散電流及其腐蝕控制技術(shù)初探摘要：人們注意軌道交通系統(tǒng)直流牽引產(chǎn)生的雜散電流會(huì)到引起埋地金屬管線和金屬構(gòu)造的劇烈腐蝕已經(jīng)有近一百年，如何防止雜散電流的腐蝕在國(guó)外已做了大量的研究。但國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究還很不夠，本文首先簡(jiǎn)要介紹了雜散電流腐蝕的歷史背景，接著對(duì)雜散電流的腐蝕機(jī)理、防護(hù)技術(shù)和監(jiān)測(cè)等進(jìn)展了闡述。關(guān)鍵詞：軌道交通、雜散電流、腐蝕控制1.引言在城市地鐵和輕軌等軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)中，一般采用直流牽引，走行軌回流，因此，不可防止會(huì)有電流從走行軌泄入大地，對(duì)地下或地面的金屬構(gòu)件如構(gòu)造鋼筋、地下管線等產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕。國(guó)內(nèi)外都有大量這方面的報(bào)道。腐蝕不僅造成大量的金屬損失，更為嚴(yán)重的是，由

2、于腐蝕的隱蔽性和突發(fā)性，一旦發(fā)惹事故，往往會(huì)造成災(zāi)難性的后果，如煤氣或石油管道的腐蝕穿孔；構(gòu)造鋼筋的腐蝕，會(huì)破壞混凝土的整體性，降低其強(qiáng)度和耐久性，給平安運(yùn)營(yíng)帶來嚴(yán)重威脅。因此，對(duì)雜散電流腐蝕必須給予足夠的重視。國(guó)外對(duì)地鐵雜散電流的腐蝕都做了較為深化的研究，但國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究還很欠缺。軌道交通系統(tǒng)中機(jī)車是一個(gè)運(yùn)動(dòng)變化的負(fù)荷，地鐵雜散電流腐蝕的介質(zhì)一般為土壤，情況千差萬別，影響腐蝕過程的因素太多，并隨時(shí)間變化，在理論分析的根底上結(jié)合大量調(diào)查研究和試驗(yàn)，才能提出有針對(duì)性的治理雜散電流的技術(shù)和方法。在分析清楚雜散電流分布的情況下，對(duì)新建的軌道交通系統(tǒng)，要在設(shè)計(jì)、施工各個(gè)階段，從實(shí)際出發(fā)，根據(jù)不同的

3、線路施工方法、線路方案、地質(zhì)狀況、不同的供電方案，相關(guān)的專業(yè)都要采取相應(yīng)的技術(shù)措施，盡量減少雜散電流。對(duì)已建成的線路或因某些原因絕緣下降而產(chǎn)生雜散電流后，應(yīng)對(duì)雜散電流腐蝕的狀況進(jìn)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采取有針對(duì)性的措施減少雜散電流對(duì)金屬構(gòu)造和管線的腐蝕。2.歷史背景世界上第一條電氣化軌道交通系統(tǒng)1835年在美國(guó)建立(brandn,vernt),該系統(tǒng)運(yùn)行在一個(gè)環(huán)形軌道上，由一個(gè)蓄電池提供動(dòng)力，由于蓄電池需要不斷充電，不合適于商業(yè)運(yùn)行。直到十九世紀(jì)末由于發(fā)電機(jī)的開展，它可以提供持續(xù)的電力，電氣化的軌道交通系統(tǒng)在商業(yè)上才變得可行。1888年在維吉尼亞州美國(guó)第一條商業(yè)運(yùn)行的電氣化鐵道投入運(yùn)行(rihnd,vi

4、rginia)，在十年內(nèi)，在美國(guó)有數(shù)千公里的電氣化鐵路投入運(yùn)行，幾乎同時(shí)，人們?cè)诎l(fā)如今電氣化鐵道的附近的地下管線和電纜遭到嚴(yán)重腐蝕，此外鐵路當(dāng)局也注意到鐵軌和道釘遭到腐蝕的情況。起初，人們認(rèn)為腐蝕是由土壤的化學(xué)成分造成的，很快人們就得出結(jié)論，土壤的化學(xué)組成不可能造成如此嚴(yán)重的腐蝕，此后的一些調(diào)查發(fā)現(xiàn)，從電氣化鐵路運(yùn)行軌道泄漏的電流是造成腐蝕的主要原因。許多早期的研究提出了一些實(shí)在可行的在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下可能最好的消除雜散電流影響的工程解決方案。但大多數(shù)方案都會(huì)對(duì)附近的設(shè)施造成災(zāi)難性的影響，一個(gè)常見的做法是將軌道連接到附近的與之平行的水管或其它管線上，想法是給電流提供一個(gè)金屬通路，減少通過鐵軌和

5、其它鐵路構(gòu)造的電流。這種方法雖然減輕了雜散電流對(duì)鐵路構(gòu)造本身的腐蝕，但由于將軌道連接到附近的設(shè)施上，必然有電流通過臨近的設(shè)施，在電流分開返回軌道時(shí)，將會(huì)對(duì)臨近的構(gòu)造造成腐蝕。直到1910年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局開場(chǎng)了長(zhǎng)達(dá)11年的關(guān)于雜散電流腐蝕的研究。1921年推薦采用以下方法在軌道交通公司一方減少雜散電流的泄漏：1.足夠的雙軌間的連接。2.在考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)的情況下，盡量減小變電所之間的間隔 。3.隔離負(fù)饋線鋼軌。4.使用四軌牽引供電系統(tǒng)。前三項(xiàng)措施被應(yīng)用在許多軌道交通系統(tǒng)中，使雜散電流下降。第四項(xiàng)措施沒有被廣泛采用，可能是因?yàn)榻⒌谒能壭枰黾油顿Y。不久就意識(shí)到雜散電流腐蝕仍然發(fā)生，仍然需要采取進(jìn)一

6、步的措施控制雜散電流的泄漏，特別是地下的構(gòu)造。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的報(bào)告推薦了幾條對(duì)地下構(gòu)造適用的措施，它們是：1.在軌道附近的新建構(gòu)造要仔細(xì)選擇位置。2.防止電纜與管線和其它構(gòu)造接觸。3.管線和電纜的金屬鎧裝要絕緣。4.對(duì)構(gòu)造使用絕緣涂層。5.使受腐蝕影響的構(gòu)造互相連接并與地鐵的回流電路相連這些措施代表了當(dāng)時(shí)最好的減少雜散電流和腐蝕方法。其根本原理到目前為止仍然有效，并且形成了當(dāng)今雜散電流控制設(shè)計(jì)的基矗然而對(duì)上述第5項(xiàng)措施需進(jìn)一步說明，地鐵構(gòu)造和回流電路之間的連接只能作為其它措施的補(bǔ)充或一個(gè)臨時(shí)措施。因?yàn)樗档土嘶亓鞯碾娮柙黾恿穗s散電流的數(shù)量，排流不應(yīng)作為高軌地電阻的替代。現(xiàn)代的排流也不是簡(jiǎn)單的直

7、接排流，而往往是將排流和軌道電位的限制與接地結(jié)合等綜合考慮的智能排流。1920年以后，電氣化軌道交通系統(tǒng)的建立數(shù)量大幅下降，雜散電流腐蝕問題沒有可以進(jìn)一步的深化研究。直到二十世紀(jì)50年代和60年代，大量新建的快速軌道交通系統(tǒng)，大大增加了雜散電流的腐蝕，使雜散電流腐蝕和控制又成為一個(gè)重要的課題。3.雜散電流腐蝕機(jī)理金屬材料與其環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)的和電化學(xué)的反響而引起材料的退化和破壞稱為金屬的腐蝕。與機(jī)械磨損不同，多數(shù)情況下，金屬材料的腐蝕破壞是由于它逐漸喪失了金屬特性，由單質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)上更為穩(wěn)定的化合態(tài)。腐蝕過程中金屬原子喪失電子，發(fā)生了氧化反響，金屬腐蝕的必要條件是存在氧化劑。金屬腐蝕有不同的

8、分類方法，按照反響的化學(xué)屬性可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕是金屬外表與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生直接的化學(xué)反響而引起的破壞，其特點(diǎn)是反響過程中沒有電流產(chǎn)生。電化學(xué)腐蝕是金屬在電解質(zhì)溶液或潮濕金屬外表發(fā)生的破壞。與化學(xué)腐蝕相比電化學(xué)腐蝕在進(jìn)展過程中有電流產(chǎn)生。電化學(xué)腐蝕的發(fā)生一般應(yīng)具備以下四個(gè)缺一不可條件：1.必須有陰極和陽極。2.陰極和陽極之間必須有電位差。3.陰極和陽極之間必須有金屬的電流通道。4.陰極和陽極必須浸在電解質(zhì)中，該電解質(zhì)中有流動(dòng)的自由離子。一旦具備以上條件，腐蝕電池即形成。換言之，金屬開場(chǎng)發(fā)生電化學(xué)腐蝕。然而，上述四項(xiàng)條件中，我們只要阻止其中一項(xiàng)，即可阻止金屬的電化學(xué)腐蝕。而電化學(xué)腐蝕

9、是軌道交通系統(tǒng)金屬腐蝕的主要腐蝕形式。雜散電流又稱迷流，雜散電流引起的腐蝕比自然腐蝕要?jiǎng)×业枚?。雜散電流一旦流入埋地金屬體，再從金屬體流出，進(jìn)入大地或水中，那么在電流流出的部位陽極區(qū)發(fā)生腐蝕。在陽極，金屬被氧化形成離子進(jìn)入電解質(zhì)，同時(shí)釋放電子，對(duì)鐵來說，一般反響如下：2fe?2fe2+4e在充氣的電解質(zhì)中，在陰極發(fā)生如下反響：2+h2+4e?4h.在缺氧或酸性環(huán)境中，將發(fā)生如下反響，有氫氣析出：4h2+4e?4h+2h2鐵離子和氫氧根離子生成氫氧化亞鐵，或進(jìn)一步生成我們經(jīng)?？吹降蔫F銹。由雜散電流引起的腐蝕簡(jiǎn)稱電蝕，有如下特點(diǎn)：腐蝕劇烈腐蝕集中于部分位置當(dāng)有防腐層時(shí)，往往集中于防腐層的缺陷部位4

10、.雜散電流的控制現(xiàn)代雜散電流控制技術(shù)根本遵從和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局1921年報(bào)告一樣的根本原那么和要點(diǎn),但應(yīng)用了一些現(xiàn)代的先進(jìn)技術(shù),如采用新的道床材料和電力電子技術(shù)等。通常,這些控制措施被分為兩類:(1)改良軌道交通系統(tǒng)(2)改良軌道交通系統(tǒng)附近的地下構(gòu)造主要通過以下一項(xiàng)或多項(xiàng)措施來實(shí)現(xiàn):減小回流軌的電阻增加泄漏途徑對(duì)地電阻增加大地和地下金屬構(gòu)造之間的電阻增加地下金屬構(gòu)造的電阻前兩項(xiàng)措施和改良軌道交通系統(tǒng)有關(guān),將在下面進(jìn)一步討論。后兩項(xiàng)措施和改良地下金屬構(gòu)造有關(guān),將不展開討論。1減小回流軌的電阻假如回流軌電阻高，將導(dǎo)致軌道壓降增加，在一定的軌-地回路電阻下，將導(dǎo)致雜散電流泄漏增加。減少沿回流軌的壓降

11、的方法如下：增加回流軌的截面積足夠軌道之間的連接減少兩個(gè)牽引變電所之間的間隔 歷史上，在國(guó)外軌道的截面積是一個(gè)問題，因?yàn)閲?guó)外早期電氣化的軌道交通系統(tǒng)經(jīng)常是建在已有的用馬拉的有軌車的軌道上。而這些軌道截面積較小，沒有提供為回流提供足夠的低阻通路。目前，國(guó)內(nèi)外所有的軌道交通系統(tǒng)都使用了較大截面積的軌道，它可以為回流提供足夠低的回流電阻，因此，軌道的截面積不是現(xiàn)代軌道交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)問題。第二項(xiàng)減小運(yùn)行軌的電阻的重要措施是為回流提供一個(gè)連續(xù)的電氣通路。這是通過使用連續(xù)焊接的鋼軌來實(shí)現(xiàn)，這已成為新建軌道交通系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)做法?；蛘呤褂秒娎|將不連續(xù)的軌道連接起來，這種做法常用在舊的軌道交通系統(tǒng)和特殊的軌道

12、段如渡線和岔線。此外，每隔一定的間隔 將兩條軌道并聯(lián)起來，進(jìn)一步減小軌道電阻，這是一項(xiàng)有效的措施。第三項(xiàng)用來減少回流電阻的措施是減小變電所之間的間隔 。減小變電所之間的間隔 這就減低了軌道壓降，當(dāng)然雜散電流就減少了。當(dāng)今電力牽引的軌道交通系統(tǒng)，變電所之間的間隔 大多在1-3公里左右。國(guó)外一些舊的軌道交通系統(tǒng)也按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展改造。同時(shí)，牽引變電所一般都在車站內(nèi)，這在減少雜散電流方面也是有好處的，因?yàn)樵谲囌靖浇鼮榱私o機(jī)車加速，機(jī)車需要的電流是很大的，而回流軌的長(zhǎng)度很短，從而回流軌的壓降是最小的。2增加泄漏途徑對(duì)地電阻增加泄漏途徑對(duì)地電阻是減小雜散電流非常有效的措施。常用的四項(xiàng)增加泄漏途徑電阻的措

13、施是：1增加軌道對(duì)地電阻，2使用不接地或二極管接地的回流電路，3車輛段的軌道的絕緣隔離，4正線軌道的分段處理。由于用于軌道和絕緣材料的進(jìn)展，使得設(shè)計(jì)高的軌道對(duì)地電阻變得容易了，主要是通過使用絕緣軌道扣件和絕緣墊。第二項(xiàng)增加泄漏途徑對(duì)地電阻的措施是使用不接地或二極管接地的供電系統(tǒng)。一般來說，軌道交通得供電系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)成直接接地、二極管接地或不接地，每一種系統(tǒng)都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。直接接地系統(tǒng)，歷史上曾經(jīng)用于老式的軌道交通系統(tǒng)，它是19世紀(jì)末期“將所有的物體連接到一起，讓電流通過哲學(xué)的應(yīng)用。直接接地系統(tǒng)在現(xiàn)代軌道交通系統(tǒng)中已經(jīng)沒有使用，主要是用于它引起的問題比它解決的問題多。直接接地系統(tǒng)的主要特性是將變

14、電所的地線和整流柜的負(fù)母線通過金屬相連，不存在軌道和大地的絕緣。這樣的設(shè)計(jì)允許雜散電流在整流柜的負(fù)母線和任何地下金屬通路之間流通。結(jié)果導(dǎo)致雜散電流腐蝕經(jīng)常發(fā)生在軌道、軌道扣件、隧道、橋梁和其它軌道交通系統(tǒng)的構(gòu)造等處。直接接地的唯一好處是整流柜負(fù)極的電壓和大地的電壓一樣。這樣就消除了車站站臺(tái)和大地之間有電壓的危險(xiǎn)。這個(gè)電壓處理不好對(duì)乘客是有危險(xiǎn)的。不接地系統(tǒng)代表了牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一個(gè)極端。不接地系統(tǒng)在大地和變電所的整流柜的母線之間沒有直接得金屬相連。軌道扣件的絕緣對(duì)維持高的軌道對(duì)地電阻同樣重要。從理論上講，不接地系統(tǒng)的雜散電流應(yīng)該足夠低，只要沿軌道沒有發(fā)生軌道對(duì)地短路。實(shí)際上，由于系統(tǒng)有成千

15、上萬得扣件，短路確實(shí)存在。另外，一些特殊的線路通常是很難做到完全絕緣的。不接地系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)是在站臺(tái)和大地之間可能形成足夠高的電壓。然而，目前由于高速斷路器、過壓保護(hù)設(shè)備和站臺(tái)絕緣措施的進(jìn)展，大大的減小了危險(xiǎn)。二極管接地系統(tǒng)是直接接地系統(tǒng)和不接地系統(tǒng)的折中。它常用來消除由直接接地系統(tǒng)引起的雜散電流腐蝕問題，但電壓可保持在平安程度上。二極管接地系統(tǒng)通過二極管電路使整流柜的母線與變電所的地線相連。二極管電路到達(dá)一定的門檻電壓允許電流從地線流向整流柜的負(fù)母線。門檻電壓根據(jù)變電所的詳細(xì)情況可調(diào)。二極管接地系統(tǒng)同樣要求遵從上面推薦的方法，如維持高的軌道對(duì)地電阻等。對(duì)二極管接地系統(tǒng)雜散電流腐蝕仍然可能發(fā)生

16、，特別是軌道和軌道扣件處，其處的高的軌道對(duì)地電阻很難保持，此外，對(duì)于二極管接地系統(tǒng)，當(dāng)回流軌的電壓到達(dá)門檻電壓以后，就會(huì)有電流流過。國(guó)外曾有設(shè)計(jì)壽命為35年的軌道，由于雜散電流腐蝕和軌道裂縫不得不7年就更換。其它兩項(xiàng)增加泄漏途徑電阻的措施是對(duì)車輛段的軌道進(jìn)展絕緣隔離和對(duì)正線上雜散電流泄漏集中的區(qū)域的軌道進(jìn)展絕緣隔離。對(duì)軌道的絕緣隔離導(dǎo)致這一段軌道對(duì)地電阻的增加。將車輛段和正線隔離防止了正線運(yùn)行軌較高的電壓施加在車輛段的軌道上，而車輛段的軌道電壓一般較低，這對(duì)降低車輛段的雜散電流是有效的。5.雜散電流的監(jiān)測(cè)軌道交通部門利用雜散電流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來決定采用什么樣的控制措施。雜散電流的監(jiān)測(cè)可是簡(jiǎn)單的目測(cè)連

17、接電纜的狀況，以保持回流軌的低電阻，也可請(qǐng)專業(yè)人員對(duì)特殊的地段進(jìn)展雜散電流腐蝕狀況的調(diào)查。但現(xiàn)代新建的軌道交通系統(tǒng)都要求預(yù)留測(cè)防端子和預(yù)裝參考電極，在需要時(shí)可裝備雜散電流的檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)雜散電流腐蝕的可能性進(jìn)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。雜散電流的調(diào)查一般是指軌道交通系統(tǒng)的構(gòu)造如車站處的的軌道對(duì)地電阻和腐蝕電勢(shì)。其它雜散電流的監(jiān)測(cè)包括對(duì)軌道對(duì)地電壓、泄漏電流、指定的金屬構(gòu)造對(duì)負(fù)母線的電壓和從牽引變電所饋出的總電流等的測(cè)量。這些測(cè)量用于對(duì)當(dāng)前雜散電流和雜散電流腐蝕的評(píng)估。中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)地鐵雜散電流防護(hù)技術(shù)規(guī)程jj49-92的規(guī)定：隧道構(gòu)造的外外表，受雜散電流腐蝕危害控制指標(biāo)是由泄漏電流引起的構(gòu)造電壓偏離自然

18、電位數(shù)值。對(duì)于鋼筋混凝土地鐵主體構(gòu)造的鋼筋，上述極化電壓的正向偏移平均值不應(yīng)超過0.5v。一般軌道交通系統(tǒng)的雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是監(jiān)測(cè)雜散電流對(duì)構(gòu)造鋼筋的腐蝕可能，因此主要監(jiān)測(cè)構(gòu)造鋼筋的極化電壓。6.完畢語鑒于雜散電流對(duì)地下金屬構(gòu)造、管線設(shè)施的腐蝕極為嚴(yán)重，如每安培電流每年可使鋼鐵腐蝕約9.1kg因此，它所造成的危害將是極為嚴(yán)重的，軌道交通系統(tǒng)中機(jī)車是一個(gè)運(yùn)動(dòng)變化的負(fù)荷，地鐵雜散電流腐蝕的介質(zhì)一般為土壤，情況千差萬別，影響腐蝕過程的因素太多，并隨時(shí)間變化，但只要我們?cè)诶碚摲治龅母咨辖Y(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究和試驗(yàn)，采取有針對(duì)性的治理雜散電流的技術(shù)和方法。在分析清楚雜散電流分布的情況下，在軌道交通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工各個(gè)階段，從實(shí)際出發(fā)，根據(jù)不同的線路施工方法、線路方案、地質(zhì)狀況、不同的供電方案，分別