李 岩

(中国铁建电气化局集团北方工程有限公司，云南 昆明 650000)

1 概述

近些年我国国民经济高速发展，各大中型城市的交通拥堵现象日趋严重，于是地铁在各个城市纷纷开工建设。一般情况下，地铁系统采用直流供电，这就导致了杂散电流的出现，就一定要关注杂散电流的危害，其对地下埋设的金属管道、建筑主体结构钢筋的危害以及防护措施。加强对杂散电流腐蚀危害及防治措施的研究，可以保证地铁及周边的管线、建筑物的安全，延长它们的使用寿命。本文从杂散电流腐蚀产生的原理、腐蚀的危害及杂散电流的防护措施等几个方面进行探讨。

2 杂散电流腐蚀的原理

我国地铁的供电电压基本上都是采用750 V和1 500 V的直流。牵引变电所通过整流之后提供直流电，直流电通过接触轨(第三轨)或者架空接触网向地铁车辆输送，然后利用走行轨再回流到牵引变电所。在理论上走行轨对地是绝缘的，但由于施工工艺、周边环境、绝缘材料的材质及老化等各方面的原因，走行轨不可能做到对地面完全绝缘。在这种情况下，部分的电流必然会从走行轨泄漏到大地，从而形成了杂散电流。

杂散电流从走行轨泄漏到大地，然后会从大地流回走行轨。如果附近有导电性能良好的埋地金属管线、结构钢筋等金属体，有一部分杂散电流会流过电阻率较低的金属体，在流通过程中，电流会对金属管线、结构钢筋等金属体造成腐蚀。图1所示就是杂散电流的流通路径。

杂散电流腐蚀属于电化学腐蚀，是一种氧化还原反应，金属体失去电子而被氧化(阳极反应过程)，介质中的物质从金属体表面获得电子而被还原(阴极反应过程)，杂散电流腐蚀从根本上说就是电解电池作用引起金属体腐蚀。

走行轨、金属管线及结构钢筋均为电子导体，大地为离子导体，如图1所示，随着电流的流动，电子在A点和C点流出，那么金属体和大地一起组成的界面为阳极，电流在B点和D点流入，那么大地与金属体一起组成的界面为阴极，杂散电流流过的路径可以看成是两个电解电池串连在一起，即：

电池1(AB)：走行轨(阳极)—土壤—金属体(阴极)。

电池2(CD)：金属体(阳极)—土壤—走行轨(阴极)。

在属于阳极的区域，随着电流的流动，金属体表面发生阳极氧化反应，金属体内的金属原子放出电子而转变成离子态，即发生电解腐蚀。也就是说，在杂散电流的流通路径中，杂散电流流出区域的金属就会遭到电化学腐蚀，对图1来说，走行轨上的A点和金属体上的C点就是发生杂散电流腐蚀的区域。

3 杂散电流腐蚀的危害

地铁的杂散电流不同程度的影响着地铁中电气设备的正常运行，如果杂散电流的流通路径上出现电气接地，就会导致接地电位出现过高的现象，使得一些电气设备不能正常工作。

地铁的杂散电流会对走行轨、附近的金属管线、隧道、桥梁和整体道床的结构钢筋等造成危害，导致它们的强度逐渐降低、使用寿命缩短，造成一定的经济损失。走行轨一般铺设在地表面，发生腐蚀现象容易发现，而且走行轨在运行中会磨损，一般会视磨损的情况定期更换,因此杂散电流腐蚀对走行轨的影响较小。对附近的金属管线和结构钢筋来说，它们被埋设在地下,被腐蚀的情况难以被察觉。因此杂散电流的腐蚀对结构钢筋、金属管线等的危害是需要重点关注的。

法拉第电解第一定律说明，“在电极上析出(或溶解)的物质的质量m同通过电解液的总电量Q(即电流强度I与通电时间t的乘积)成正比电。”

m=KIt。

其中，I为阳极流出的电流，A;t为流过电流的时间，s;K为电化当量，kg/(A·s)。

可见，金属被腐蚀的速度取决于通过金属被腐蚀区域的电流值。按照钢铁的电化当量2.89×10-7kg/(A·s)来计算，当1 A的杂散电流流过钢铁类设施时，一年的时间约腐蚀掉9.1 kg。北京城轨公司曾经提供的数据是车辆起动时产生的杂散电流达到100 A以上，所以必须重视杂散电流腐蚀所造成的危害。

4 杂散电流腐蚀的防护

防护杂散电流的腐蚀，一般是遵循“以堵为主，以排为辅，堵排结合，加强监测”的原则，防护措施主要是以下三类：

1)“堵”：从杂散电流的来源上控制，减少杂散电流的产生。

2)“排”：采用排流的方法或者其他方法，减少杂散电流对金属体的腐蚀。

3)“测”：对杂散电流的状态进行实时监测，及时发现杂散电流过高的情况。

4.1 控制源头，减少杂散电流产生

根据实践经验，杂散电流的电流大小与列车的牵引电流值成正比、与走行轨的纵向电阻值成正比、与列车到牵引所的距离的平方成正比、与走行轨的对地过渡电阻值成反比。所以，可以采取以下措施，减少杂散电流的产生：

1)降低走行轨电阻值。

让负载电流的大部分通过走行轨回流，是减小杂散电流的关键措施。如果走行轨的电阻较大，回流电流经过时在走行轨上产生的电压就大，走行轨对大地的电位差相应也增大，泄漏的杂散电流随之增加。降低走行轨的纵向电阻值，可以采用焊接短钢轨组成长钢轨、轨缝之间增加可靠的电气连接和走行轨之间加设均流线平衡电流等措施。

2)增大走行轨与道床、其他主体结构之间的过渡电阻。

走行轨对大地的绝缘水平，决定了杂散电流的大小。可采取改善混凝土配料、加强钢轨与轨枕的绝缘连接、改善道床混凝土结构等方法，提高走行轨对整体道床的绝缘水平，增大过渡电阻。在必要的情况下，还可以在整体道床和其他主体结构之间设置绝缘层，减少从整体道床流向建筑主体结构钢筋的杂散电流。

3)适当缩短变电所之间的距离,采用双边供电。

适当缩短牵引变电所之间的距离，而且使牵引变电所向区间实行双边供电。另外，在车辆段及停车场等场所单独设置牵引变电所，而且场、段内与正线线路的供电之间相互绝缘。

4)采用较高的牵引电压。

我国地铁的牵引供电系统中，一般是采用DC 750 V和DC 1 500 V这两种电压来供电。在相同的功率下，如果直流牵引电压较高，负荷电流值就相对较低，能够减少电流的泄漏，从而减少杂散电流。所以相对来说，采用DC 1 500 V的供电电压可以减少杂散电流的产生。

4.2 排流法

建立杂散电流的收集排流系统，利用低阻值的回流通路，人为地将泄漏的杂散电流引回变电所负母排，可以大大减少继续向外泄漏的杂散电流。

设置排流网，在一定程度上其实是增加了杂散电流的泄漏，而且排流网的实质就是通过结构钢筋把杂散电流收集起来。其实结构钢筋本身就是需要重点保护的对象，而设置排流网收集的杂散电流在结构钢筋上流动必然存在一定的安全隐患。对于这个安全隐患，在工程上一般采用“防、排结合”的方式，只是利用这些结构钢筋组成针对杂散电流收集的网络，并且在整体道床结构与车站、隧道和桥梁等建筑主体结构之间增加设置绝缘隔离板，这样既保留了排流网也尽可能避免杂散电流流入其他建筑主体结构中。

4.3 阴极保护法

可以分为两种：一是牺牲阳极阴极保护法；二是外加电流阴极保护法。

1)牺牲阳极阴极保护法。

将更容易失去电子的金属(例如镁、铝、锌等)或者合金与被保护的金属连接，使流过电流的方向时使该金属上的电子转移到被保护的金属上去，被保护金属由原来的阳极转变成为阴极,不再被电腐蚀从而得到保护。

2)外加电流阴极保护法。

通过外加稳定的直流电源，选用一些特定的材料作为辅助阳极接电源的正极，将需要保护的金属作为阴极接电源的负极，通过电源的作用，使被保护的金属处于阴极电位，从而受到保护。

4.4 杂散电流的监测

通过完备的杂散电流监测系统，实时监视和测量杂散电流的大小。这是杂散电流防护的一种辅助手段，通过监测杂散电流的分布及漏泄情况，及时做出整改预案、消除隐患。

杂散电流其实很难直接测量，一般只是通过测量金属体的电位极化偏移值，以此来判断金属体被杂散电流腐蚀的情况。监测的参数主要有四个，分别是走行轨的电压、走行轨的纵向电阻、走行轨的过渡电阻和地下金属体的极化电位等。各测量点采集参比电极对结构钢筋、走行轨对结构钢筋的电压的模拟量，再通过传感器将模拟量及时转化为数字量,然后由牵引变电所内安装的监测装置传送到计算机系统,操作人员可以随时查询。

5 结语

杂散电流的防护在地铁的设计、建设和运营过程中是一个重要问题，杂散电流的分布规律必须根据实际情况分析，设计出最为合理的杂散电流防护方案。本文简单的阐述了杂散电流的产生、危害及防护措施，但对于地铁杂散电流的防护这个复杂的问题，需要结合工程的实际情况，具体问题具体分析，以减少杂散电流腐蚀的危害。