浅谈杂散电流对城市轨道交通的危害

浅谈杂散电流对城市轨道交通的危害

摘要：当前城市地铁大都采用走行轨回流的直流牵引供电方式，在运营中将不可避免地产生杂散电流。流经大地的杂散电流会对地铁周围的埋地金属管道、通讯电缆外皮以及钢筋等造成破坏，使其发生电化学腐蚀，缩短金属管线的使用寿命，降低钢筋混凝土主体结构的整体强度，甚至酿成灾难性的地铁事故。本文主要对杂散电流对城市轨道交通的危害进行了分析探讨。

关键词：：轨道交通；杂散电流；危害；控制

引言

地铁机车通常是电牵引机车，供电系统一般为直流牵引供电。变电所通过接触网或导电轨向列车供电，接触网、机车、钢轨形成回路使牵引电流流回牵引变电所。由于钢轨与地面的绝缘不是无穷大，从钢轨中泄露的牵引回流即为杂散电流。杂散电流的大小主要取决于轨道的绝缘程度。在钢轨附近埋有地下管道、电缆和其他金属构件，杂散电流流过时，就会对金属体造成腐蚀。长期下去，会对隧道内管道造成穿孔等严重的影响，当杂散电流过大时将产生对地电压，严重时可危及人身安全还会影响周边的环境。

一、杂散电流的产生

目前，地铁的牵引供电方式一般都采用直流供电方式。牵引电流从牵引变电所（站）的正极出发，经由接触网（轨），电车以及回流轨（走行轨）返回牵引变电所（站）的负极。但是走行轨与隧道或者道床等结构钢之间的绝缘电阻并不是无限大（即不是完全的绝缘），这样牵引电流流经走行轨时不能全部经由走行轨流回到牵引变电所（站）的负极，其中就有一部分牵引电流会泄漏到隧道或道床等结构钢上，然后再经过结构钢以及大地流回牵引变电所（站）的负极，本研究把这部分泄漏到结构钢和大地上的电流称为杂散电流。城市轨道交通牵引供电系统杂散电流腐蚀原理图如图1所示。

图1城市轨道交通牵引供电系统杂散电流腐蚀原理图

二、杂散电流的危害

杂散电流腐蚀要比一般的土壤腐蚀或电偶腐蚀破坏力要强得多。杂散电流的腐蚀是长期的积累效应，大部分是穿孔形式，多发生在金属管线与钢轨的跨越交叉处以及卡固支架部位附近。据统计，旧式的运输系统设计中每300m可以产生

20A~200A的大地杂散电流；新式的运输系统设计中已经针对杂散电流作了适当的设计，以便把大地杂散电流减小到最低水平。但经济因素和其他因素的制约使杂散电流难以进一步减小。因此杂散电流引起的腐蚀仍然相当普遍地存在。总的来说，杂散电流腐蚀危害主要体现在以下几个方面：

1、杂散电流对钢轨及其附件的电腐蚀

轨道交通系统隧道内的金属结构件及其他地下金属设施对杂散电流有汇聚作用，杂散电流在其中流进、流出会产生严重的电腐蚀。由于这些腐蚀往往产生于内部，从外观很难发现，一旦发现，已经腐蚀透了，必须更换钢轨，造成较大的经济损失，危害更大。

2、杂散电流对钢筋混凝土金属结构物的电腐蚀

杂散电流通过混凝土时对混凝土本身并不产生影响。但因为混凝土中存在钢筋，杂散电流从混凝土中进入钢筋，又从钢筋流入混凝土，在电流离开钢筋返回混凝土的部位，钢筋呈阳性并发生腐蚀，腐蚀产生物排挤混凝土而使之开裂，破坏了混凝土的整体强度和使用寿命。如果混凝土内的钢筋直接与钢轨有点接触，更容易受到杂散电流的腐蚀。

3、杂散电流对埋地管线的电腐蚀

地铁系统附近的埋地管线主要有自来水管、石油管线、液化气管线等，这些管线由于存在金属结构，在投入使用一段时间后都会受到杂散电流的不同程度的腐蚀，对人民群众的生活和生命财产造成严重的影响。

4、杂散电流会危及地铁乘客的安全

在站台上，当轨道交通车厢与站台之间的电位差很高时，人在上车时就会有触电的危险。为了保护乘客和铁路员工的安全，免遭钢轨和结构钢间存在的接触电压的损害，德标准VDE0115中规定：轨道与结构钢间的电位差（接触电压）不得超过92V。

5、杂散电流会烧毁排流设备，从而影响地铁安全运营

在施工时一般会在轨道与枕木之间加有绝缘物来隔离，一旦绝缘物遭到破坏，轨道与排流网短路，此时将会产生较大的杂散电流，通过排流网、排流柜流回牵引变电所，由于排流柜中的核心元件排流二极管的容量有限，一般通流能力不超过200A，过大的杂散电流可能烧毁排流柜，广州地铁曾经出过类似的事故。

6、杂散电流对通信的影响

电车的受电弓（靴）会产生的电猝发和浪涌，对附近的通信设备和精密仪器造成干扰。杂散电流的存在会产生电位差，从而影响测量和通信数据的传送。

VOV和CISPR（国际无线电干扰特委会）都认为距离接触导线周围10m内存在场强干扰无线电的传送。对于市区内的各种电车来说这一点都有可能影响到设备的正常运营。特别是在雷雨天气，这种干扰会有累积效果。

三、轨道交通系统中杂散电流的控制措施

1、对地铁系统本身采取的措施

1.1采用较高等级牵引供电电压

杂散电流的大小和牵引电流有较大关系。牵引电流越大，相应产生的杂散电流也就越大。我国目前已通车和在建的地铁项目牵引电压均采用了DC1500V或者DC750V，同等需用功率下，由于DC1500V电压等级牵引电流小于DC750V，因此产生的杂散电流也要小。

1.2缩短牵引变电所间距

轨道交通牵引供电系统中，牵引变电所间距越短，其间运行车辆越少，可以减少轨道泄漏电流，并降低轨道电位。杂散电流的大小与牵引变电所之间距离的平方成正比，因此减小牵引变电所的间距是限制杂散电流产生的有效方法。在地铁运营区段，牵引变电所供电应采取双边供电，尽量避免单边供电。

1.3增加走行轨过渡电阻

增加轨地过渡电阻对减少杂散电流的数量至关重要，而走行轨绝缘性能的好坏又是过渡电阻大小的关键。提高走行轨过渡电阻的主要措施有：增加钢轨的绝缘性、道床与结构钢筋间设置防水层等。

1.4减小走行轨纵向电阻

当回流轨道纵向电阻减少时，根据电流总是流经小电阻路径这一特性，电流从轨道流入大地的数量就会减少，更大部分的电流从走行轨流向变电所，从而减少了杂散电流的数量并降低了轨道电位。减少纵向电阻的主要措施有：增大钢轨横截面积、将短钢轨焊接成长钢轨和加设均流线等。

2、排流法

对于新建城市轨道交通工程，无论源控法还是排流法都不是独立存在的，研究者只有依靠两者间的相互结合，才能更加有效地控制甚至避免杂散电流对轨道交通系统的损害。为了有效减少杂散电流的产生，一般通过加强走行轨对地绝缘、保证牵引回流畅通等方法来实现。但随着投入运行时间的推移，当走行轨对地绝缘水平逐渐下降时，杂散电流就有可能会超标，这时候就需要投入使用排流装置。在工程建设中，需要设置合理的杂散电流收集网及其排流装置，必要时可将杂散电流引回牵引变电所的负极。鉴于源控法是被动型防治杂散电流方法，而排流法