广州地铁二十一号线杂散电流腐蚀防护研究

广州地铁二十一号线杂散电流腐蚀防护研究

肖桃辉

广州地铁集团有限公司，广东广州

摘要：地铁采用直流牵引供电，以钢轨回流，因钢轨对地有过渡电阻，故牵引电流有一部分在钢轨对地绝缘低位置流入道床、结构钢筋、电缆外皮等，而后又流回钢轨并返回牵引变电所，从而形成了杂散电流。有不少实例表明，杂散电流会对隧道内甚至隧道外的结构钢筋、自来水管线、煤气管线等造成电化学腐蚀危害。因此，地铁杂散电流腐蚀防护是一项重要的理论研究课题，并应用于地铁设计、施工建设中。本文分析研究广州地铁二十一号线杂散电流腐蚀防护，对其杂散电流收集网及排流设置、杂散电流监测进行介绍，提出地铁运营在减少杂散电流腐蚀防护上可采取的措施。

关键词：杂散电流；电化学腐蚀；地铁杂散电流腐蚀防护；杂散电流监测

一、地铁杂散电流的腐蚀机理

电解腐蚀是由外部的直流电流在金属和电解质间的流动而产生的，这种腐蚀是地铁中金属腐蚀的主要形式。地铁杂散电流的路径是复杂的，但可简单理解为钢轨-道床、土壤-金属管线-土壤、道床-钢轨。将钢轨、金属管线理解为阳极、阴极，道床、土壤理解为电解质，形成2个串联的电解电池：

电池1：钢轨（阳极）→道床、土壤→金属管线（阴极）

电池2：金属管线（阳极）→土壤、道床→钢轨（阴极）

杂散电流从钢轨、金属管线两个阳极流出时，会发生失掉电子的氧化反应，即该部位的金属会遭到腐蚀。

二、杂散电流分布的规律

杂散电流是沿钢轨逐渐流入道床、结构钢筋、沿线金属管线等，又逐渐流回钢轨，而不是在列车所在位置集中泄漏，又集中流回变电所。

（一）双边供电方式下，钢轨回路的中性点向牵引变电所方向偏移，阳极区范围增大，阴极区范围明显减小，如下图1所示。

图1 双边供电钢轨电位分布曲线示意图

其中u（x）为钢轨对地电位，x为该点到列车的距离，L1、L2为牵引变电所到列车的距离。

（二）牵引变电所负极附近的轨道电位为负的最大值，此处杂散电流从埋地金属结构流出，埋地金属结构为阳极，受杂散电流腐蚀最严重。

（三）牵引电流越大，钢轨对地电位越高，杂散电流也越大。

（四）钢轨对地过渡电阻越大，杂散电流越小。

（五）钢轨纵向电阻增加，钢轨对地电位增加，杂散电流也增加。

三、地铁杂散电流腐蚀防护

（一）地铁杂散电流腐蚀防护以“防”为主，即减少杂散电流的产生。

1、加强钢轨对地绝缘，钢轨采用绝缘法安装，安装点处采用绝缘水平较高的绝缘材料，并对螺栓道钉、铁垫板、扣件等部件做绝缘隔离处理；非安装点处钢轨对道床保持不小于30㎜的间隙。

2、保持牵引回流通路通畅，广州地铁二十一号线在有牵引变电所的车站靠变电所侧上、下行各设置1处回流箱汇集回流，远离变电所侧设置均流电缆连接上、下行钢轨；在非牵引变电所的车站的两端上、下行轨道间设均流电缆；在上、下行每股道2根钢轨每隔200米设均流电缆；在区间每隔500米左右在上、下行轨道间设均流电缆。

3、合理设置牵引变电所，牵引变电所之间距离越长，杂散电流越大。广州地铁二十一号线地下段中牵引变电所间距最大为金镇区间-镇龙西3.508㎞，高架段牵引所间距最大为朱山区间-山钟区间4.252㎞。

（二）设置杂散电流收集网、排流电缆及排流柜，在牵引变电所处将杂散电流收集网钢筋与牵引变电所负极母排相连，提供杂散电流返回牵引变电所的金属通路，从而限制杂散电流向地铁以外泄漏，减小杂散电流对金属管线的腐蚀。

1、广州地铁二十一号线将整体道床结构钢筋按一定要求焊接，整体道床之间用电缆连接，作为主要杂散电流收集网；将高架桥梁每个结构段的上层钢筋按一定要求焊接，作为高架桥梁内辅助杂散电流收集网；将隧道（盾构区间隧道除外）结构钢筋按一定要求焊接，作为隧道辅助杂散电流收集网。

2、杂散电流收集网在车站牵引变电所处引出排流端子，用电缆连接到排流柜，在杂散电流超标时适当考虑将排流柜投入，由于杂散电流收集网通路汇集大部分杂散电流，直接流回牵引变电所负极母排，减少杂散电流往其他地方泄漏；而排流过程未形成道床结构钢筋（阳极）-道床-钢轨（阴极）电池，不会对道床结构钢筋形成电化学腐蚀。

四、地铁杂散电流监测

广州地铁二十一号线设置有杂散电流监测系统，以在线监测全线杂散电流腐蚀情况。杂散电流监测系统由参比电极、整体道床收集网测试端子、隧道收集网测试端子、桥梁收集网测试端子、智能传感器、通信电缆和杂散电流监测装置组成。二十一号线在每个车站上、下行各设置7个智能传感器，每个测量点设置有1个参比电极，测试端子即利用杂散电流收集网连接端子，各传感器的测量信号通过通信电缆连接至杂散电流监测装置；在每个区间牵引所位置上、下行各设2个智能传感器。

1、参比电极具有电位稳定、不易极化的特点，不受杂散电流影响。二十一号线设置的参比电极为氧化钼电极，安装在离测量端子顺线路方向不超过0.5米的整体道床、隧道壁上。

2、测试端子有道床钢筋测防端子、隧道结构钢筋端子、桥梁钢筋端子。

3、智能传感器有分普通传感器、测流传感器、测压传感器和测距传感器。普通传感器接参比电极、测量端子和钢轨；测流传感器两根电缆连接钢轨，连接钢轨端相距1米；测压传感器接参比电极、道床钢筋测量端子，另有两根电缆连接钢轨；测距传感器接参比电极、道床钢筋测量端子和钢轨。

4、杂散电流难以直接测量，通过监测钢筋极化电压来判断，参比电极的电位不易极化，传感器及监测装置能够监测结构钢筋正向偏移参比电极的电位。因为腐蚀是一个长期作用的结果，而瞬间杂散电流的变化是杂乱无序的，测量瞬间结构钢筋对参比电极的电压不能直接反映测量点杂散电流的腐蚀情况，所以应该测量计算在一定时间内偏移参比电极电位的正向平均值(即极化电压的正向偏移平均值)。

5、广州地铁二十一号线能够监测各车站结构钢筋的极化电压正向偏移平均值，钢轨纵向电阻和钢轨对地过渡电阻。

6、理论分析牵引变电所处的结构钢筋等受杂散电流腐蚀最严重，所以地铁杂散监测在有牵引变电所车站、区间设置智能传感器及监测装置，以监测杂散电流情况。

五、地铁运营在杂散电流腐蚀防护可采取的措施

（一）地铁运营对杂散电流主要采取监测方式，每个月对杂散电流监测数据进行分析。

1、标准有：（1）结构钢筋的极化电压正向偏移平均值不应超过500mV。（2）钢轨对地过渡电阻对于运行线路不应小于3Ω·㎞。

2、当监测到某个站的结构钢筋极化电压正向偏移平均值超过500mV，适当考虑投用排流。监测的钢轨对地过渡电阻作为参考。

（二）做好均、回流系统的检修维护，接续电缆、回流电缆、均流电缆、回流箱按设计要求设置，电缆应与钢轨焊接良好，发现电缆端子脱焊应及时补焊，回流箱处电缆与回流母排连接良好，以保持牵引回流通路顺畅。

（三）做好道床连接端子的维护，端子连接电缆应齐全且与端子连接紧固密贴，对缺失的端子及时补加，以确保杂散电流收集网连接良好。

（四）定期进行隧道冲洗，需冲洗钢轨钢轨底部，以冲掉钢轨下面积累的含盐沉积物或其它杂物，需冲洗钢轨安装绝缘部件，以设备维护手段保持钢轨对地绝缘。

（五）保持混凝土整体道床的干燥，定期清理道床两侧排水沟，保证排水通畅，高架减少桥面积水，以保持道床混凝土较高电阻率而加强钢轨对地绝缘，同时也能减少轨道绝缘垫堆积含盐沉积物。

参考文献

[1] 于松伟，杨兴山，韩连祥，张巍.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M].成都：西南交通大学出版社，2008.

[2] 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

[3] CJJ 49-1992 地铁杂散电流腐蚀防护技术规程[S].北京.1993

[4] 21400-C-GDXT-06-001杂散电流说明书