轨道交通系统杂散电流及其腐蚀控制技术初探(二)

轨道交通系统杂散电流及其腐蚀控制技术初探（二）

起的破坏，其特点是反应过程中没有电流产生。电化学腐蚀是金属在电解质溶液或潮湿金属表面发生的破坏。与化学腐蚀相比电化学腐蚀在进行过程中有电流产生。

电化学腐蚀的发生一般应具备以下四个缺一不可条件：

1.必须有阴极和阳极。

2.阴极和阳极之间必须有电位差。

3.阴极和阳极之间必须有金属的电流通道。

4.阴极和阳极必须浸在电解质中，该电解质中有流动的自由离子。

一旦具备以上条件，腐蚀电池即形成。换言之，金属开始发生电化学腐蚀。然而，上述四项条件中，我们只要阻止其中一项，即可阻止金属的电化学腐蚀。而电化学腐蚀是轨道交通系统金属腐蚀的主要腐蚀形式。杂散电流又称迷流，杂散电流引起的腐蚀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，则在电流流出的部位（阳极区）发生腐蚀。在阳极，金属被氧化形成离子进入电解质，同时释放电子，对铁来说，一般反应如下：

2Fe2Fe2++4e

在充气的电解质中，在阴极发生如下反应：

O2+H2O+4e4OH.

在缺氧或酸性环境中，将发生如下反应，有氢气析出：

4H2O+4e4OH+2H2

铁离子和氢氧根离子生成氢氧化亚铁，或进一步生成我们经常看到

的铁锈。

由杂散电流引起的腐蚀简称电蚀，有如下特点：

腐蚀激烈

腐蚀集中于局部位置

当有防腐层时，往往集中于防腐层的缺陷部位

4.杂散电流的控制

现代杂散电流控制技术基本遵从和美国国家标准局1921年报告相同的基本原则和要点，但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。通常，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

主要通过以下一项或多项措施来实现：

减小回流轨的电阻

增加泄漏路径对地电阻

增加大地和地下金属结构之间的电阻

增加地下金属结构的电阻

前两项措施和改进轨道交通系统有关，将在下面进一步讨论。后两项措施和改进地下金属结构有关，将不展开讨论。

1）减小回流轨的电阻

如果回流轨电阻高，将导致轨道压降增加，在一定的轨-地回路电阻下，将导致杂散电流泄漏增加。减少沿回流轨的压降的方法如下：增加回流轨的截面积

足够轨道之间的连接

减少两个牵引变电所之间的距离

历史上，在国外轨道的截面积是一个问题，因为国外早期电气化的轨道交通系统经常是建在已有的用马拉的有轨车的轨道上。而这些轨道截面积较小，没有提供为回流提供足够的低阻通路。目前，国内外所有的轨道交通系统都使用了较大截面积的轨道，它能够为回流提供足够低的回流电阻，因此，轨道的截面积不是现代轨道交通系统设计的一个问题。第二项减小运行轨的电阻的重要措施是为回流提供一个连续的电气通路。这是通过使用连续焊接的钢轨来实现，这已成为新建轨道交通系统的标准做法。或者使用电缆将不连续的轨道连接起来，这种做法常用在旧的轨道交通系统和特殊的轨道段如渡线和岔线。此外，每隔一定的距离将两条轨道并联起来，进一步减小轨道电阻，这是一项有效的措施。第三项用来减少回流电阻的措施是减小变电所之间的距离。减小变电所之间的距离这就减低了轨道压降，当然杂散电流就减少了。当今电力牵引的轨道交通系统，变电所之间的距离大多在1-3公里左右。国外一些旧的轨道交通系统也按照这个标准进行改造。同时，牵引变电所一般都在车站内，这在减少杂散电流方面也是有好处的，因为在车站附近为了给机车加速，机车需要的电流是很大的，而回流轨的长度很短，从而回流轨的压降是最小的。

2）增加泄漏路径对地电阻

增加泄漏路径对地电阻是减小杂散电流非常有效的措施。常用的四项增加泄漏路径电阻的措施是：（1）增加轨道对地电阻，（2）使用不接

地或二极管接地的回流电路，（3）车辆段的轨道的绝缘隔离，（4）正线轨道的分段处理。由于用于轨道和绝缘材料的进展，使得设计高的轨道对地电阻变得容易了，主要是通过使用绝缘轨道扣件和绝缘垫。第二项增加泄漏路径对地电阻的措施是使用不接地或二极管接地的供电系统。一般来说，轨道交通得供电系统可以设计成直接接地、二极管接地或不接地，每一种系统都有优点和缺点。

直接接地系统，历史上曾经用于老式的轨道交通系统，它是19世纪末期将所有的物体连接到一起，让电流通过哲学的应用。直接接地系统在现代轨道交通系统中已经没有使用，主要是用于它引起的问题比它解决的问题多。直接接地系统的主要特性是将变电所的地线和整流柜的负母线通过金属相连，不存在轨道和大地的绝缘。这样的设计允许杂散电流在整流柜的负母线和任何地下金属通路之间流通。

结果导致杂散电流腐蚀经常发生在轨道、轨道扣件、隧道、桥梁和其它轨道交通系统的结构等处。直接接地的唯一好处是整流柜负极的电压和大地的电压一样。这样就消除了车站站台和大地之间有电压的危险。这个电压处理不好对乘客是有危险的。不接地系统代表了牵引供电系统设计的另一个极端。不接地系统在大地和变电所的整流柜的母线之间没有直接得金属相连。轨道扣件的绝缘对维持高的轨道对地电阻同样重要。从理论上讲，不接地系统的杂散电流应该足够低，只要沿轨道没有发生轨道对地短路。实际上，由于系统有成千上万得扣件，短路确实存在。另外，一些特殊的线路通常是很难做到完全绝缘的。不接地系统的一个缺点是在站台和大地之间可能形成足够高的电压。然而，目前由

于高速断路器、过压保护设备和站台绝缘措施的进展，大大的减小了危险。

二极管接地系统是直接接地系统和不接地系统的折中。它常用来消除由直接接地系统引起的杂散电流腐蚀问题，但电压可保持在安全水平上。二极管接地系统通过二极管电路使整流柜的母线与变电所的地线相连。二极管电路达到一定的门槛电压允许电流从地线流向整流柜的负母线。门槛电压根据变电所的具体情况可调。二极管接地系统同样要求遵从上面推荐的方法，如维持高的轨道对地电阻等。对二极管接地系统杂散电流腐蚀仍然可能发生，特别是轨道和轨道扣件处，其处的高的轨道对地电阻很难保持，此外，对于二极管接地系统，当回流轨的电压达到门槛电压以后，就会有电流流过。国外曾有设计寿命为35年的轨道，由于杂散电流腐蚀和轨道裂缝不得不7年就更换。其它两项增加泄漏路径电阻的措施是对车辆段的轨道进行绝缘隔离和对正线上杂散电流泄漏集中的区域的轨道进行绝缘隔离。对轨道的绝缘隔离导致这一段轨道对地电阻的增加。将车辆段和正线隔离避免了正线运行轨较高的电压施加在车辆段的轨道上，而车辆段的轨道电压一般较低，这对降低车辆段的杂散电流是有效的。

5.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。杂散电流的监测可是简单的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调查。但现代新建的轨道交通系统都要求预留测防端子和预装参考电极，在需