地铁杂散电流防护_浅析地铁杂散电流的防护
时间：2019-05-06 03:22:34 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
摘 要：阐述了地铁杂散电流产生的原理和造成的的危害，介绍现今地铁杂散电流防护的现状，提出极性保护在地铁的杂散电流保护中的重要意义。详细分析各种常见的防护方法情况，对工程设计及学术学习有一定的参考价值。
中图分类号:TN86文献标识码:A文章编号:1672-3791(2012)03(a)-0000-00
0 引言
牵引供电无论是交流还是直流，都会存在杂散电流问题，直流供电系统所产生的杂散电流的腐蚀效应尤为突出，所产生的恶劣后果在地铁运行中也日益明显。
世界各国都在关注如何对杂散电流进行防护，以期切实解决埋地金属腐蚀的问题。采取有效的防腐蚀措施可控制杂散电流的腐蚀，增加埋地金属的寿命，对地铁工程具有一定的经济和环保效益。
1 地铁杂散电流的形成和危害
地铁直流牵引供电系统中，牵引变电所流出的电流，电力机车经由接触网或接触轨取流，电流再通过钢轨作回路，返回到牵引变电所。由于钢轨很难做到完全对地绝缘，有一部分牵引电流经由钢轨流向大地，再返回牵引变电所，这种地下杂散电流又称为迷流[1]。
I1-机车的牵引供电电流， I2-通过钢轨向牵引变电所流回的电流，I3、I4-杂散电流
图１ 杂散电流形成及腐蚀原理示意图
杂散电流由大地进入钢筋时，钢筋呈阴极状态。如果此处的钢筋周围环境属于酸性，就会发生析氢反应，且氢气不能由结构里逸出，从而产生等静压力，使钢筋与大地脱开。如果电流进入钢筋，使其与大地结合处产生可溶的碱式硅酸盐或铝酸盐，则会使地铁主体的刚性强度大大降低。
杂散电流由钢筋流出时，钢筋呈阳极状态，并发生腐蚀。腐蚀所产生的物质在阳极处堆积，最终通过机械作用排挤大地，使之开裂。
杂散电流不仅对地铁本身的钢筋有一定危害，对于主体附近的埋地金属亦会产生腐蚀效应，一种氧化还原的电化学反应过程，即电化学腐蚀，也危害着相关金属的结构物。
2 防护的现状与原理
欧洲国家一般是，当轨道对地电压不太高，选择排流法防护效果小时，推荐强制排流法。日本则主要选择在产生钢轨对地的正值电压大，在钢轨附近流入埋设管的电流从远离钢轨处的管部流出的场合使用.在这种情况下，会因负馈线比埋设管的电压高而不能正常排流[2]。
在国内，则是将杂散电流腐蚀防护的常规方法划分为被动型和主动型两种保护法。文献1提到，在地铁的直牵引供电系统里，杂散电流的防护准则为：寓防于“测”，以堵为主，“堵”、“排”结合。
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[3]、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。
在地铁运行了若干年之后，因为环境的破坏和设备的老化等原因，“源控制法”会逐渐失效，这时，就十分必要采用主动型保护法，以保护日益损耗的地铁设施。主动型保护法的原理是将埋地金属中的杂散电流引至回流通路，抑或者用保护设备产生的电流将杂散电流相互作用而抵消，从而减小杂散电流的腐蚀。
在地铁的一些特殊地段，由于设备运行环境和人为操作等,引起杂散电流泄漏的原因较多，会采用一定的单向导通装置，来进行防护,例如在停车场和列车检修库中。另外,轨道由于电气系统运行的原因,在此位置设有绝缘节。即，在轨道上设置绝缘结，并在绝缘结两端连接单向导通装置，保证轨道电流不断流。这样,不但解决了绝缘节的电气连接问题,也解决了杂散电流防护的难题[4]。
3 主动型保护法
现在一般的保护方法有：阴极保护法、阳极保护法、排流法等。
3.1 阴极保护法
CJJ49-92《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》中定义：阴极保护是电化学保护的一种，通过向金属结构表面输入阴极电流，使其电位向负极化，并保持在比自然腐蚀电位更负的数值，以达到防腐蚀的目的。
在埋地金属的防护中,阴极保护是比较理想和有效的,阴极保护有外加电流保护和牺牲阳极保护两种方式。一般工程上是将涂层与阴极保护组合，成为联合保护。
具体而言，牺牲阳极保护除具有阴极防护作用外，还是很好的接地排流手段[5]。 该方式适用面广，工程操作简单，使用比较安全，可以完全避免将杂散电流流入埋地金属，是国内目前使用较多的一种排流方式。但缺点是排流功率小、保护距离较短，有待改进。
3.2 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。
阳极保护的主要优点是应用范围广，操作费用低，作用能力强，能够保护复杂的结构，几乎不需要辅助电极。但阳极保护只适用于表现钝态的金属腐蚀体系，在不能钝化或含氯离子的介质中不能使用[6]，而且还有一个主要的缺点是致钝需要很大的电流。
因此这种技术发展有些缓慢，在地铁系统也一般不选择用这种保护方式。
3.3 排流保护法
排流保护法主要是为保护埋地金属而采取的防护措施。当杂散电流从钢筋流出时，才会对钢筋有腐蚀作用,而杂散电流流出的区域主要集中在牵引变电所附近的阴极区。
其基本原理是将被保护的埋地金属和钢轨的阳极区用导线连接起来，从而相当于将埋地金属与钢轨短路，使被保护的埋地金属变为阴极性的，进而防止金属发生阳极腐蚀。
排流法的一般做法是，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，这样，在阳极区的范围内，有力地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。
早期的地铁将是埋地金属与钢轨直接在牵引变电所附近相连,称为直接排流法,后来发展到加二极管的单向导通排流（选择排流法）、加直流电源的强制排流法等[7]。
3.4 其他
在实践中，工程的防腐蚀还广泛采用加强排流法，即排流防护和阴极保护的组合方法。它的阳极接地是用和整流器的正端子和钢轨相连接的阴极站代替，电源负极和被防护的设施相连接。加强排流电路电能消耗很小，也无需阴极保护的设备，是不同于阴极保护的。同样，它也不同于排流保护，优点是不仅在钢轨的阳极区，而且在杂散电流分布的任何区域，甚至在无杂散电流时均可用于防护。
还有种由阴极保护法发展而来的防蚀器防护法。防蚀器的原理一般是辅助（牺牲）阳极，且使流过的电流的方向是使被保护物（原阳极）成为阴极，不再被电蚀，从而得到有效的保护。它的防护电流主要靠电极，即防蚀器本身的溶解作用完成的。电极主要是由镁的特殊合金制成。
4 结语
杂散电流防护系统对于地铁的正常运行非常重要。在城市轨道交通建成运营后，应该重视杂散电流防护系统的功能，及时监测分析相关的数据，采取加强维护、合理排流等措施，将杂散电流的腐蚀降低到最小。
从国内现状着点，特别是工程实际中调查来看，大多是直接使用单向导通装置，来进行杂散电流腐蚀的防护。这是很大的一个问题。
应加强地铁的杂散电流防护技术的科研，并重视与工程实践的合作，开发出一系列杂散电流防护系统与设备的成套装置，切实落实于工程的设计应用与施工运营中，减少地铁杂散电流的腐蚀所造成的损失。
参考文献
[1] 李威.地铁杂散电流腐蚀监测及防护技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2004.10.
[2] 高敬宇、易凡，地铁及轻轨杂散电流腐蚀的防护措施[J]，天津理工学院学报，1993-3，12（1）：32-35.
[3] 战鹏.地铁杂散电流对钢筋混凝土结构腐蚀影响及防护[D].北京交通大学,2009：59.
[4] 郝卫国，城市轨道交通杂散电流的防护[J]，城市轨道交通研究，2004（6）：53-55.
[5] 刘凯，马丽敏，陈志东等.埋地管道的腐蚀与防护综述[J].管道技术与设备，2007（4）:36-42.
[6] 王立新，李勇.阳极保护技术控制腐蚀[J].山西化工，1999，19（4）：62-63.
[7] 马笑松.地铁杂散电流的腐蚀及防护影响分析[J].城市轨道交通研究,2007(6):64-66.
