李勇 鄧琴 高全順 陳立

摘 要：闡述了地鐵雜散電流產(chǎn)生的原理和造成的的危害，介紹現(xiàn)今地鐵雜散電流防護(hù)的現(xiàn)狀，提出極性保護(hù)在地鐵的雜散電流保護(hù)中的重要意義。詳細(xì)分析各種常見的防護(hù)方法情況，對工程設(shè)計(jì)及學(xué)術(shù)學(xué)習(xí)有一定的參考價(jià)值。

中圖分類號:TN86文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1672-3791(2012)03(a)-0000-00

0 引言

牽引供電無論是交流還是直流，都會存在雜散電流問題，直流供電系統(tǒng)所產(chǎn)生的雜散電流的腐蝕效應(yīng)尤為突出，所產(chǎn)生的惡劣后果在地鐵運(yùn)行中也日益明顯。

世界各國都在關(guān)注如何對雜散電流進(jìn)行防護(hù)，以期切實(shí)解決埋地金屬腐蝕的問題。采取有效的防腐蝕措施可控制雜散電流的腐蝕，增加埋地金屬的壽命，對地鐵工程具有一定的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。

1 地鐵雜散電流的形成和危害

地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中，牽引變電所流出的電流，電力機(jī)車經(jīng)由接觸網(wǎng)或接觸軌取流，電流再通過鋼軌作回路，返回到牽引變電所。由于鋼軌很難做到完全對地絕緣，有一部分牽引電流經(jīng)由鋼軌流向大地，再返回牽引變電所，這種地下雜散電流又稱為迷流[1]。

I1-機(jī)車的牽引供電電流， I2-通過鋼軌向牽引變電所流回的電流，I3、I4-雜散電流

圖１ 雜散電流形成及腐蝕原理示意圖

雜散電流由大地進(jìn)入鋼筋時，鋼筋呈陰極狀態(tài)。如果此處的鋼筋周圍環(huán)境屬于酸性，就會發(fā)生析氫反應(yīng)，且氫氣不能由結(jié)構(gòu)里逸出，從而產(chǎn)生等靜壓力，使鋼筋與大地脫開。如果電流進(jìn)入鋼筋，使其與大地結(jié)合處產(chǎn)生可溶的堿式硅酸鹽或鋁酸鹽，則會使地鐵主體的剛性強(qiáng)度大大降低。

雜散電流由鋼筋流出時，鋼筋呈陽極狀態(tài)，并發(fā)生腐蝕。腐蝕所產(chǎn)生的物質(zhì)在陽極處堆積，最終通過機(jī)械作用排擠大地，使之開裂。

雜散電流不僅對地鐵本身的鋼筋有一定危害，對于主體附近的埋地金屬亦會產(chǎn)生腐蝕效應(yīng)，一種氧化還原的電化學(xué)反應(yīng)過程，即電化學(xué)腐蝕，也危害著相關(guān)金屬的結(jié)構(gòu)物。

2 防護(hù)的現(xiàn)狀與原理

歐洲國家一般是，當(dāng)軌道對地電壓不太高，選擇排流法防護(hù)效果小時，推薦強(qiáng)制排流法。日本則主要選擇在產(chǎn)生鋼軌對地的正值電壓大，在鋼軌附近流入埋設(shè)管的電流從遠(yuǎn)離鋼軌處的管部流出的場合使用.在這種情況下，會因負(fù)饋線比埋設(shè)管的電壓高而不能正常排流[2]。

在國內(nèi)，則是將雜散電流腐蝕防護(hù)的常規(guī)方法劃分為被動型和主動型兩種保護(hù)法。文獻(xiàn)1提到，在地鐵的直牽引供電系統(tǒng)里，雜散電流的防護(hù)準(zhǔn)則為：寓防于“測”，以堵為主，“堵”、“排”結(jié)合。

對于地鐵工程的牽引供電系統(tǒng)，防止?fàn)恳娏鲝匿撥壭孤┏鋈バ纬呻s散電流，應(yīng)該作為首要的防護(hù)舉措。被動型保護(hù)法即是以堵為主，也稱為源控制法，一般采取的措施有：對埋地金屬進(jìn)行涂層和增加絕緣法蘭等鈍化防護(hù)[3]、抬升供電牽引網(wǎng)電壓、優(yōu)化調(diào)整變電所位置、減小回流走形鋼軌電阻、提高軌道對地的過渡電阻、合理設(shè)計(jì)混凝土鋼筋的截面積、保證全系統(tǒng)鋼筋的可靠連接等。

在地鐵運(yùn)行了若干年之后，因?yàn)榄h(huán)境的破壞和設(shè)備的老化等原因，“源控制法”會逐漸失效，這時，就十分必要采用主動型保護(hù)法，以保護(hù)日益損耗的地鐵設(shè)施。主動型保護(hù)法的原理是將埋地金屬中的雜散電流引至回流通路，抑或者用保護(hù)設(shè)備產(chǎn)生的電流將雜散電流相互作用而抵消，從而減小雜散電流的腐蝕。

在地鐵的一些特殊地段，由于設(shè)備運(yùn)行環(huán)境和人為操作等,引起雜散電流泄漏的原因較多，會采用一定的單向?qū)ㄑb置，來進(jìn)行防護(hù),例如在停車場和列車檢修庫中。另外,軌道由于電氣系統(tǒng)運(yùn)行的原因,在此位置設(shè)有絕緣節(jié)。即，在軌道上設(shè)置絕緣結(jié)，并在絕緣結(jié)兩端連接單向?qū)ㄑb置，保證軌道電流不斷流。這樣,不但解決了絕緣節(jié)的電氣連接問題,也解決了雜散電流防護(hù)的難題[4]。

3 主動型保護(hù)法

現(xiàn)在一般的保護(hù)方法有：陰極保護(hù)法、陽極保護(hù)法、排流法等。

3.1 陰極保護(hù)法

CJJ49-92《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》中定義：陰極保護(hù)是電化學(xué)保護(hù)的一種，通過向金屬結(jié)構(gòu)表面輸入陰極電流，使其電位向負(fù)極化，并保持在比自然腐蝕電位更負(fù)的數(shù)值，以達(dá)到防腐蝕的目的。

在埋地金屬的防護(hù)中,陰極保護(hù)是比較理想和有效的,陰極保護(hù)有外加電流保護(hù)和犧牲陽極保護(hù)兩種方式。一般工程上是將涂層與陰極保護(hù)組合，成為聯(lián)合保護(hù)。

具體而言，犧牲陽極保護(hù)除具有陰極防護(hù)作用外，還是很好的接地排流手段[5]。 該方式適用面廣，工程操作簡單，使用比較安全，可以完全避免將雜散電流流入埋地金屬，是國內(nèi)目前使用較多的一種排流方式。但缺點(diǎn)是排流功率小、保護(hù)距離較短，有待改進(jìn)。

3.2 陽極保護(hù)法

將被保護(hù)物的電位提高到鈍態(tài)電位，從而阻止腐蝕，稱之為陽極保護(hù)。就是應(yīng)用一種使金屬向著更為陽極方向的電流使金屬鈍化的一種技術(shù)，但是它只適用于表現(xiàn)活化-鈍化性能的金屬和合金。在地鐵系統(tǒng)中，即提高埋地金屬設(shè)施的電位。

準(zhǔn)確的維持整個埋地金屬設(shè)施所要求的電位的能力，在陽極控制中是至關(guān)重要的。如果電位過高或過低，將導(dǎo)致腐蝕加劇，適得其反。

陽極保護(hù)的主要優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用范圍廣，操作費(fèi)用低，作用能力強(qiáng)，能夠保護(hù)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，幾乎不需要輔助電極。但陽極保護(hù)只適用于表現(xiàn)鈍態(tài)的金屬腐蝕體系，在不能鈍化或含氯離子的介質(zhì)中不能使用[6]，而且還有一個主要的缺點(diǎn)是致鈍需要很大的電流。

因此這種技術(shù)發(fā)展有些緩慢，在地鐵系統(tǒng)也一般不選擇用這種保護(hù)方式。

3.3 排流保護(hù)法

排流保護(hù)法主要是為保護(hù)埋地金屬而采取的防護(hù)措施。當(dāng)雜散電流從鋼筋流出時，才會對鋼筋有腐蝕作用,而雜散電流流出的區(qū)域主要集中在牽引變電所附近的陰極區(qū)。

其基本原理是將被保護(hù)的埋地金屬和鋼軌的陽極區(qū)用導(dǎo)線連接起來，從而相當(dāng)于將埋地金屬與鋼軌短路，使被保護(hù)的埋地金屬變?yōu)殛帢O性的，進(jìn)而防止金屬發(fā)生陽極腐蝕。

排流法的一般做法是，將道床混凝土鋼筋做成電氣上的雜散電流排流網(wǎng)，其它有可能受到雜散電流腐蝕的埋地金屬做成輔助排流網(wǎng)，引至牽引變電所的負(fù)母排進(jìn)行電氣連接。由于雜散電流總是走電阻最小的通路，則會選擇直接流回牽引變電所，這樣，在陽極區(qū)的范圍內(nèi)，有力地減小了雜散電流從混凝土鋼筋再泄露出去的可能,削弱了雜散電流流出鋼筋導(dǎo)致的腐蝕效果。

早期的地鐵將是埋地金屬與鋼軌直接在牽引變電所附近相連,稱為直接排流法,后來發(fā)展到加二極管的單向?qū)ㄅ帕鳎ㄟx擇排流法）、加直流電源的強(qiáng)制排流法等[7]。

3.4 其他

在實(shí)踐中，工程的防腐蝕還廣泛采用加強(qiáng)排流法，即排流防護(hù)和陰極保護(hù)的組合方法。它的陽極接地是用和整流器的正端子和鋼軌相連接的陰極站代替，電源負(fù)極和被防護(hù)的設(shè)施相連接。加強(qiáng)排流電路電能消耗很小，也無需陰極保護(hù)的設(shè)備，是不同于陰極保護(hù)的。同樣，它也不同于排流保護(hù)，優(yōu)點(diǎn)是不僅在鋼軌的陽極區(qū)，而且在雜散電流分布的任何區(qū)域，甚至在無雜散電流時均可用于防護(hù)。

還有種由陰極保護(hù)法發(fā)展而來的防蝕器防護(hù)法。防蝕器的原理一般是輔助（犧牲）陽極，且使流過的電流的方向是使被保護(hù)物（原陽極）成為陰極，不再被電蝕，從而得到有效的保護(hù)。它的防護(hù)電流主要靠電極，即防蝕器本身的溶解作用完成的。電極主要是由鎂的特殊合金制成。

4 結(jié)語

雜散電流防護(hù)系統(tǒng)對于地鐵的正常運(yùn)行非常重要。在城市軌道交通建成運(yùn)營后，應(yīng)該重視雜散電流防護(hù)系統(tǒng)的功能，及時監(jiān)測分析相關(guān)的數(shù)據(jù)，采取加強(qiáng)維護(hù)、合理排流等措施，將雜散電流的腐蝕降低到最小。

從國內(nèi)現(xiàn)狀著點(diǎn)，特別是工程實(shí)際中調(diào)查來看，大多是直接使用單向?qū)ㄑb置，來進(jìn)行雜散電流腐蝕的防護(hù)。這是很大的一個問題。

應(yīng)加強(qiáng)地鐵的雜散電流防護(hù)技術(shù)的科研，并重視與工程實(shí)踐的合作，開發(fā)出一系列雜散電流防護(hù)系統(tǒng)與設(shè)備的成套裝置，切實(shí)落實(shí)于工程的設(shè)計(jì)應(yīng)用與施工運(yùn)營中，減少地鐵雜散電流的腐蝕所造成的損失。

參考文獻(xiàn)

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