直流供电系统中杂散电流的危害与预防初探

直流供电系统中杂散电流的危害与预防初探[摘要] 本文以对杂散电流的防护应采取“以防为主,以排为辅,防排结合,加强
监测”的原则为出发点,首先,介绍了杂散电流(又称迷流)的概念、影响以及杂散电流的特点,接着对杂散电流的形成原因、形成条件做了简要介绍。

最后,对杂散电流的防护技术、方法和监测等进行了论述。

[关键词] 杂散电流轨道交通电化学腐蚀
在直流供电系统中,当直流大电流沿地面敷设的轨道流动时,理论上,做功后的直流电流应该在供电回流轨中全部回送到牵引变电所中。

但实际上,该做功后的直流电流还会有一部分泄漏到大地,而且如果大地中存在其他金属物体,还会在其上流动,最后再回到电源系统中(见图1)。

一、杂散电流的特点
1.概念
上述提及的泄漏电流,即为杂散电流(Stray Current),也称迷流。

杂散电流是指任何不按照有规则的电流通路流动的电流,导体因绝缘不良而泄漏出了这部分不规则流动的电流。

2.对周围金属物体影响及后果
直流供电系统服务的对象不同,地点不同,杂散电流对相应设施的影响与危害也不同。

从图1可以看出,杂散电流对周围金属物体如混凝土中的钢筋及其它金属构筑物产生致命的杂散电流腐蚀,它将使在直流供电系统回流点附近的钢筋锈蚀,体积膨胀,使得混凝土结构开裂,丧失强度,而且会加速金属的腐蚀,使电雷管发生先期爆炸等,造成难以预测的损失。

3.杂散电流特点
杂散电流受电气化铁路、电化学腐蚀,输油管路阴极和其他偶然因素(如管道焊接)的影响等,都可能产生杂散电流。

而只要地下的金属管线流过杂散电流,在电流流过的地方,就会造成腐蚀。

杂散电流腐蚀的本质是电解腐蚀或称电化学腐蚀,也叫电蚀。

其特点是:
(1)腐蚀激烈。

电蚀是轨道交通系统中金属腐蚀的主要腐蚀形式,其比自然腐蚀要剧烈得多。

杂散电流一旦流入埋地金属体,再从金属体流出,进入大地或水中,就会在电流流出部位发生腐蚀。

对铁制件来说,铁离子与氢氧根离子,生成氢氧化亚铁,即铁锈。

而运行中的轨道交通系统,杂散电流不断形成且为动态变化,使得金
属腐蚀更激烈。

(2)腐蚀集中于局部位置。

电蚀易在杂散电流流经的金属物体的流出点及表面有不规则形状的区域产生。

(3)金属物体有防腐层时,往往集中于防腐层的缺陷部位。

杂散电流在流经金属物体时,若该导体某处绝缘不良,又易在此处形成不规则流动的电流,形成另一股杂散电流,金属离子扩散,加速了该处金属的电解,使该处缺陷部位腐蚀加速,并导致该缺陷部位的缺陷进一步扩大。

二、杂散电流形成条件
1.形成原因
我们知道,电流的产生都是由于有电位差的存在,杂散电流也同样。

在回流钢轨中,电流由高电位流向低电位,如图1。

也就是机车为高电位,牵引变电所为低电位。

钢轨对地有一定的过渡电阻,如此,因电位差和过渡电阻的存在形成了对地的泄漏电流。

轨道交通系统中,机车又是一个运动变化的负荷,地铁杂散电流腐蚀的介质一般为土壤,情况千差万别,影响腐蚀过程的因素太多,并随时间变化而变化。

我们知道,金属材料与其环境介质发生化学的和电化学的反应而引起材料的退化和破坏称为金属的腐蚀。

多数情况下,金属材料的腐蚀破坏是由于它逐渐丧失了金属特性,由单质转变为热力学上更为稳定的化合态,导致金属腐蚀。

腐蚀过程中金属原子丢失电子,发生了氧化反应。

而直流供电系统的阴阳极在符合条件下形成腐蚀电池,金属开始发生电化学腐蚀。

2.电化学腐蚀的条件
杂散电流的危害主要通过电化学腐蚀表现的。

金属腐蚀的必要条件是存在氧化剂,电化学腐蚀也同样。

而杂散电流是金属在电解质溶液或潮湿金属表面发生破坏的条件之一,电化学腐蚀的主要特点就是在腐蚀过程中存在有电流。

其发生应具备以下四个条件:(1)存在阳极和阴极;(2)阴阳极间存在电位差;(3)阴阳极间有金属电流通路;(4)阴阳极浸在电解质中,且有流动的自由离子。

一旦具备以上条件,且为全部条件,腐蚀电池即形成,金属电蚀发生。

3.电化学腐蚀反应过程
腐蚀电池形成后,在阳极,金属被氧化形成离子进入电解质中,同时释放电子。

一般金属导体多为铁金属,电蚀反应通常为:
三、杂散电流的防护
因杂散电流对金属物体电蚀而影响安全生产,对其的研究也进一步加大。

1921年,美国国家标准局采用了一些方法来减少轨道交通公司一方杂散电流的泄漏。

推荐了几条对地下结构适用的措施:
(1)轨道附近的新建结构位置选择;(2)电缆与管线和其他结构避免接触;(3)管线和电缆的金属铠装需绝缘;(4)结构使用绝缘涂层;(5)受腐蚀影响的结构相互连接并与地铁的回流电路相连。

以上这些措施代表了当时最好的减少杂散电流及其腐蚀的方法,基本原理目前仍然有效。

其中最后一项中的连接只是一个其它措施的补充或一个临时措施。

它降低了回流电阻,增加了杂散电流数量,排流不作为高轨地电阻的替代。

1.防护原则
杂散电流在工程设计中应当采取“以防为主,以排为辅,防排结合,坚强监测”的原则,相关专业协调配合,针对不同专业部门采取相应的措施,以减少杂散电流。

(1)“以防为主”。

就是控制所有可能的杂散电流泄漏路径,减少其进入轨道交通系统的主体结构、设备以及沿线附近相关设施的结构钢筋。

(2)“以排为辅”。

杂散电流的存在是现实的,在“防”的基础上,必须考虑如何来“排”。

为此,设置杂散电流的收集系统。

这个收集系统为杂散电流从回流轨上泄漏后遇到的第一道小电阻的回流通道,该通道可将其尽量限制在本系统内部,防止其向本系统以外泄漏,从而实现“排”。

2.杂散电流的控制
随着科学技术的不断发展,杂散电流控制技术日臻完善。

不过,现代杂散电流控制技术基本遵从美国国家标准局1921年报告相同的基本原则和要点,目前又应用了一些现代的先进技术,如采用新的道床材料和电力电子技术等。

一般地,这些控制措施被分为两类:
(1)改进轨道交通系统;(2)改进轨道交通系统附近的地下结构。

为实现以上控制目的,目前主要通过以下一项或多项措施来实现:①减小回流轨的电阻。

减少沿回流轨的压降的方法有:增加回流轨的截面积;足够的轨道之间的连接;减少两个牵引变电所之间的距离等;②增加泄漏路径对地电阻。

这是减小杂散电流非常有效的措施;③增加大地和地下金属结构之间的电阻;④增加地下金属结构的电阻。

3.杂散电流的监测
轨道交通部门利用杂散电流监测数据来决定采用什么样的控制措施。

杂散电流的监测可以用目测连接电缆的状况,以保持回流轨的低电阻;也可请专业人员对特殊的地段进行杂散电流腐蚀状况的查勘。

杂散电流的调查,一般是指轨道交通系统的结构如车站处的的轨道对地电阻和腐蚀电势。

其它杂散电流的监测包括轨道对地电压、泄漏电流、指定的金属结构对负母线的电压和从牵引变电所馈出的总电流等的测量。

这些测量用于对当前杂散电流和杂散电流腐蚀的评估。

中华人民共和国行业标准——地铁杂散电流防护技术规程CJJ 49-92的规定:隧道结构的外表面,受杂散电流腐蚀危害控制指标是由泄漏电流引起的结构电压偏离自然电位数值。

对于钢筋混凝土地铁主体结构的钢筋,上述极化电压的正向偏移平均值不应超过0.5V。

一般轨道交通系统的杂散电流监测系统主要是监测杂散电流对结构钢筋的腐蚀可能性,所以其主要是监测结构钢筋的极化电压值。

4.目前减少杂散电流的方法
直流供电系统中,减少杂散电流的方法根据供电对象不同有特殊的方法,但总体上有基本的原理和方法。

下面,以目前地铁一般采取的方法来说明减少杂散电流的方法。

(1)减小钢轨阻抗。

地铁列车走行钢轨同时作为牵引列车回流用,因此钢轨阻抗越小,从钢轨向外流失的杂散电流也越小,减少钢轨阻抗的有效办法之一是采用长钢轨,钢轨越长,钢轨接头就越少,钢轨的阻抗也就越小。

对钢轨接头除了用鱼尾板螺栓连接外,再在两根钢轨之间用2根120mm 2 以上的绝缘铜电缆连接。

(2)走行钢轨采用点支承。

减小钢轨阻抗,可以有效减小杂散电流。

但是如果,钢轨与地面接触面大,且电阻小,对杂散电流的控制仍然不够。

为此走行钢轨采用点支承,即用混凝土软枕作为支承,来减少钢轨与地面的接触面。

(3)钢轨与地绝缘。

同时,钢轨与地绝缘越好,杂散电流也就越小。

目前采取在钢轨与混凝土软枕之间、紧固用螺栓与混凝土软枕之间、扣件与混凝土软枕之间绝缘,要求每公里轨道对杂散电流收集网的泄漏电阻值大于10Ω。

(4)设置杂散电流收集网。

比如,上海地铁电动车辆采用直流供电,其额定电压为1500V、额定在引电流高达3000A。

虽然兼作回流的走行钢轨与地之间采取了绝缘措施,又采用长钢轨,钢轨接头处加焊铜电缆,但钢轨本身具有电阻,当电流流过钢轨时在电阻上就产生电位差,且钢轨对地绝缘电阻不可能处于无穷大,于是就产生了杂散电流。

当其进入地铁隧道的结构钢筋及与隧道绝缘不良的金属管道、支架、桥架等时,在有电解质的情况下,这些金属设备将受到电腐蚀。

为此,在地铁混凝土软枕下的道床内设置杂散电流收集网。

杂散电流收集网由上、下两排纵向钢筋组成,每排钢筋为5根φ12mm钢筋,每隔50m用一根φ25mm以上的横向钢筋将5根纵向钢筋焊接成一整体,同时用两根φ20mm钢筋把上、下2根横向连接钢筋焊成一体,如图2所示。

上排的5根钢筋除了起杂散电流收集作用外,还起固定混凝土软枕的作用。

(5)排流柜的应用。

牵引变电所安装的排流柜在排流系统中起着重要的作用。

排流柜能有效地防止杂散电流对高架现浇混凝土简支箱梁内钢筋、隧道内结构钢筋、整体道床结构钢筋以及沿线金属设备的电腐蚀破坏,同时可防止杂散电流向轨道交通外部泄漏,是保护轨道交通地下公共环境的有效方法。

5.防止杂散电流的方法
由杂散电流的防护原则可以知道,上述措施能使杂散电流大大减小,它只是针对杂散电流的“排”而言的.所以关键还是要“防”。

而针对不同的直流系统工作环境,有不同的防止方法。

(1)铁路线路。

目前通用的方法是:①走行轨焊接成100m以上的长轨,相邻两轨间,接缝应采用可靠的铜引线连接。

钢轨和扣件之间,扣件和钢轨之间采用绝缘橡胶垫。

走行轨采用点支撑,混凝土垫块应高于整体道床,轨道下平面和道床之间有30mm间隙;②轨道固定螺纹道钉应采用玻璃钢套管,其单只的绝缘电阻应大于4MΩ;③隧道内走行轨对地的过渡电阻应大于15Ω/k m。

在走行轨下的混凝土整体道床中敷设纵向钢筋,总截面应不小于1600mm2。

且纵向钢筋接头间应焊接,每隔5m做横向连接,在整体道床伸缩缝处排流钢筋断开,也需要引出端子。

潮湿的环境会加速电化腐蚀,需要杜绝道床表面积水。

(2)电缆桥架。

比如,上海地铁工程采用了金属电缆桥架,要求桥架每个支架对隧道本结构钢筋之间的绝缘电阻不小于10kΩ。

为此支架固定时采用绝缘膨胀螺栓。

(3)动力、照明配管。

还是以上海地铁为例,其动力、照明配管全部采用阻燃PVC管,从而避免杂散电流对保护管的电腐蚀。

(4)车站给排水管道。

①进人车站的所有给排水管道在进入车站前应加入一段2m长绝缘管进行绝缘隔离,绝缘管设在车站外侧,离主体结构150mm;②出地铁区间的给排水管道应设一段长度2m的UPVC塑料绝缘管后,才能引出地面,绝缘骨应设在干燥和易于查看检修的地点;③从水人按出的水行存水系处加装一段近绝缘管,使水管系统与水泵-电动机组在电气上绝缘;④区间隧道的给排水在电气上要连通,并且在有变电所的车站将水管两端接至接地极;⑤穿越道床的给排水管用UPVC塑料绝缘管。

(5)车站环控系统。

①安装在金属风门上的电气装置应采用绝缘法安装;②安装在同一台金属机座上的电动机-风机组,在安装时应利用橡胶避雷装置进行绝缘。

由风机引出的金属送排风管道要加一段短绝缘风管,使风管系统与电动机-风机组在电气上绝缘。

(6)地铁明挖车站、矩形隧道以及圆形隧道主体结构。

①地铁明挖车站和矩形隧道主体结构钢筋应作电气连接;②地铁圆形隧道各环管片内钢筋在环向和纵向要求构成一个电气连接回路。

(7)单向导通装置。

在轨道交通停车场和列车检修库中,由于运行环境复杂以及人为因素,引起杂散电流泄漏的原因较多。

另外,轨道由于电气系统运行的原因,在此位置设有绝缘节。

因此,单向导通装置的采用,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。

(8)其它。

电缆铠装只准外端接地;保护接地PE线不得重复接地;地铁车站、变电所内的交流、直流高低压开关柜、变压器、动力照明配电箱等全部采用与主体结构钢筋绝缘的安装方法,并单独从接地排引绝缘接地线进行接地保护。

杂散电流所造成的危害较为严重,因此需要在理论分析的基础上结合现场调查研究和试验,采取有针对性的治理杂散电流的技术和方法。

总之,对杂散电流的腐蚀及其可能造成的严重后果必须给予足够的重视,贯彻“以防为主,以排为辅,防排结合,加强监测”的原则,将杂散电流的腐蚀防护和系统的接地、人身和设备安全、结构的耐久性等统一考虑,以保障直流供电系统正常运行。

参考文献:
[1]中华人民共和国建设部.CJJ49-92地铁杂散电流腐蚀防护技术规程.北京:中国建筑工业出版社.
[2]北京地下铁道科学技术研究所.地铁杂散电流防护技术规程.北京:中国计划出版社,1993.
[3]胡士信.阴极保护工程手册.北京:化学工业出版社,1999.
[4]张刚毅.电力内外线工程.北京:中国铁道出版社,2008.
[5]陈海军.电力牵引供变电技术.北京:中国铁道出版社,2008.
[6]李威.地铁杂散电流的监测与防治.北京:城市轨道交通研究.。