浅析地铁轨道杂散电流的防护

浅析地铁轨道杂散电流的防护

黄海

广州市地下铁道集团有限公司510380

【摘要】作者通过阐述地铁杂散电流产生的原理和造成的危害， 介绍了现今地铁杂散电流防护的现状，提出杂散电流防护在地铁运营保护中的重要意义。

【关键词】电腐蚀   杂散电流  排流  金属结构

在城市地铁轨道交通运输系统中，一般采用直流电力牵引的供电方式，接触网(或第三轨)为正极，走行轨兼作负回流线。由于运营环境及其它因素的限制，走行轨对地设施不可能做到完全绝缘，因此会流轨对道床、周围土壤介质、地下建筑物、埋设管线存在着一定的泄漏电流，称之为杂散电流，这种电流会产生电化学腐蚀，进而减少埋地管线的使用寿命,降低地铁主体结构的耐久性和强度,在造成一定的经济损失的同时，甚至有可能成灾难性的事故。

一、地铁杂散电流的形成:

机车所需电流由牵引变电所提供，通过接触网(轨)向机车送电，并利用走行轨把牵引电流返回牵引变电所负极。由于钢轨很难做到完全对地绝缘，所以牵引电流并非全部由钢轨流回牵引变电所，而是有一部分经钢轨流向大地，再由大地流回钢轨并返回牵引变电所，从而形成杂散电流。如图一所示，I1和I2分别为一个供电区间内两个牵引变电所向机车提供的电流，I3和I4为通过走行轨分别流回两个牵引变电所的电流，I5和I6为流向大地的电流，则为杂散电流。

图一  地铁供电系统及杂散电流形成的示意图

二、地铁杂散电流的防护

目前杂散电流防护设计方法可分为3类:一是控制杂散电流产生的源头,减少杂散电流产生的数量,即是“堵”的方法。二是对已产生的杂散电流采取排流或其它方法减少其腐蚀危害,即“排”。三是对杂散电流进行实时监测,一旦发现杂散电流过高则采取一定的对策来减轻其危害,即“测”的方法。

（一）从源头上控制杂散电流的产生

1、降低回流回路的阻值

钢轨本身具有电阻,当电流流过钢轨时在电阻上就产生电位差，因钢轨对地绝缘电阻不可能是无穷大，故产生有电位差和产生杂散电流。所以要降低杂散电流的数量就要减小钢轨压降，降低钢轨压降的方法有如下三点：

①增加走形轨的长度，减小钢轨的纵向电阻：地铁列车走行钢轨同时作为

牵引列车回流用，因此钢轨纵向电阻越小，从钢轨向外流失的杂散电流也越小，减少钢轨纵向电阻的有效办法是采用长钢轨，钢轨越长，钢轨接头就越少，钢轨的电阻也就越小。

②各钢轨之间应有畅通的电气连接以保证低阻值的回流路径。

③ 缩短变电所之间的距离，采用双边供电：从杂散电流的估算公式来看，杂散电流与供电距离的平方成正比，所以缩短供电距离是减少杂散电流数量非常有效的方法。

2、增加杂散电流流通路径的电阻

     增加杂散电流流通路径的电阻具体的有两点措施:

① 增加轨道对地的过渡电阻：木质轨枕、枕木的端面和道钉必须经过绝缘处理或设置专门的绝缘层,轨道和接地回路之间应具有良好的绝缘，走行钢轨采用点支承等。增加杂散电流泄漏路径电阻的另一个方法是地铁系统采用不接地或二极管接地策略。

 ② 在车辆段的检修与停车库中，每一条线路的走形轨均应使用绝缘接头与车场线路的走形轨相隔离。

3、增加埋地金属管线的阻值

敷设在地铁沿线的电力、通讯及控制测量电缆,应采用防水绝缘护套的双塑绝缘垫层，地铁中各种电缆，在隧洞中的电缆、水管等金属结构应以绝缘方式敷设;所有通向隧洞外的管线，必须装有绝缘接头。

（二）排流保护措施

排流法是利用整体道床内结构钢筋的纵向联通形成电气连续的杂散电流主收集网,为杂散电流提供第一电气通路,杂散电流沿此通路流向牵引变电所方向,流出收集网后至钢轨,可减少杂散电流由道床向其它结构的泄漏量。如下图二所示：

图二 道床钢筋收集杂散电流示意图

排流法可分为直接排流法、极性排流法、强制排流法3种：

a．直接排流法，如下图三所示：把道床钢筋与行走轨用导线直接连接起来。这种方法不需要排流设备、结构简单、造价低。但当道床钢筋的的电位低于行走轨的电位时，行走轨电流将流入道床钢筋内，产生电流的逆向流动。因此这种排流方法只适合道床钢筋的电位永远高于走形轨的电位、不会产生逆流的场所，而这种机会不多，限制了该方法的应用。

图三   直接排流法

b.极性排流法，如下图四所示。基于道床钢筋的电位低于走形轨电位的情况在现实中普遍存在。为防止逆流进而产生了另一种排流的方法，即极性排流法，电流只能从道床钢筋流向走形轨，在此回路中应该还包含单向导通的二极管、RV压敏电阻、快速熔断器FU、负荷开关FQ等等装置，这种装置可称为排流柜。极性排流法安装方便，应用广泛。

图四  极性排流法

c.强制排流法，如下图五所示。就是在道床钢筋和行走轨的电气接线中加入能提供直流电流的排流装置，促进排流的方法。通过强制将道床钢筋和行走轨导通，杂散电流无需达到二极管的阀值即可从道床钢筋流向行走轨。强制排流法防护范围大，但需要外加电源，且外加电源后对走形轨本身的牵引回流有一定的影响。

图五  强制排流法

（三）杂散电流实时监测系统

为了监控地铁牵引回流泄漏的情况和地下金属结构受杂散电流腐蚀的程度,必须进行专门的测量工作。地铁结构与设备受杂散电流腐蚀的危险性指标,应由结构表面向周围电解质漏泄的电流密度和由此引起的电位极化偏移来确定。由于电流密度难以直接测量,所以一般是通过测量腐蚀危险性的间接指标即由杂散电流引起的结构的电位极化偏移值来判断设备受杂散电流腐蚀的情况。所需监测的参数有监测点、杂散电流、本位电压和轨道电压等。

四、梅花园站杂散电流防护整改

广州地铁线网轨电位偏高或频繁动作，通过现场大量测试、实验以及阶段性成果综合分析得出牵引回流钢轨电阻过大（实测值相比设计值）为其主要原因，为此供电部将三北线燕塘-南方医院区间负回流钢轨电阻作为整改点进行整改， 整改工作内容主要为：负回流电缆加装、负回流母排加装，具体如下:

（一）变电所电缆层负回流母排、电缆敷设加装

在梅花园站电缆层加装负回流母排，用于轨行区负回流电缆至变电所电源负极转接，母排与电缆层水泥板采用高压绝缘子ZN-10/8型安装，母排型号：2（2条）*10mm(厚) *120mm（宽）*1000mm（长），从轨行区进入负回流150mm2电缆、母排到变电所负极柜的400mm2电缆均与母排间采用螺栓连接，梅花园站-燕塘、梅花园站-南方医院上、下行两条轨道共8回共24根150 mm2负回流电缆至梅花园电缆层负极母排；同时对电缆每隔一米进行电缆卡固定，母排至变电所负极柜电缆采用两回5*400 mm2电缆连接，其中一段敷设于电缆层电缆支架，其余走电缆层地面段采用每隔一米进行电缆卡固定，其中上、下行150 mm2电缆从轨行区洞口汇合后经电缆井转接至地面上后进入变电所电缆层，具体见下图，

（二）轨行区负回流母排加装

梅花园站-燕塘、梅花园站-南方医院上、下行轨行区共8处（轨行区公里标上行024、下行023处）安装负回流转接母排，母排与隧道壁间采用高压绝缘子ZN-10/8型安装，母排型号：8（8条）*10mm(厚) *120mm（宽）*600mm（长），由轨行区转接母排至梅花园电缆层母排处回流电缆3*150mm2与母排采用螺栓连接，如下图所示，图中上行及下行其余7处如法炮制，同样的安装方法进行安装。

轨行区转接铜排至钢轨采用6*150mm2电缆连接，钢轨连接处对每根150mm2电缆进行3*150 mm2分头后采用光焊连接至钢轨上。

（三）电缆敷设及加装

对梅花园站-燕塘、梅花园站-南方医院上、下行轨行区负回流3*150mm2电缆（约180米，电缆焊接标志上行023、下行024处）敷设沿隧道壁33kV电缆支架安装，按照原有电缆绑扎点进行固定绑扎，如下图所示。

本部分以广州地铁三号线燕塘-梅花园区间为工程试验对象，讲述杂散电流治理的一个方法：与钢轨平行敷设三条150平方电缆，以降低电流回流路径的阻抗，从而减小杂散电流。围绕杂散电流的治理“以堵为主、以排为辅、防排结合、加强监测”的基本原理，从排的角度对杂散电流进行治理。

五、结论

杂散电流会对埋地的金属管线和隧道钢结构产生电化学腐蚀危害，严重威胁到埋地的金属管线和隧道钢结构的安全，缩短埋地的金属管线和隧道钢结构的使用寿命。因此必须采取防护措施对杂散电流产生的电化学腐蚀进行控制。“堵”、“排”、“测”三个环节环环相扣，对每一个环节的要求落到实处，必定能最大程度的降低杂散电流对埋地的金属管线的危害。

 （作者简介：黄海，广州市地下铁道集团有限公司运营事业总部综合大修部生产安全室，安全助理，城市轨道交通供电助理工程师）

参考文献

[1]CJJ/T49-2020地铁杂散电流腐蚀防护技术标准

[2]山西省电力公司，电力电缆，中国电力出版社，2011，09第一版

[3]马振良，变电检修工，中国电力出版社，2007，07 第一版

[4]广州地铁变电所安全规程

[5]地铁杂散电流腐浊防护技术规程