杂散电流的分析和研究

杂散电流的分析和研究材料学09 汪家斌09080225

广义的说,不按照规定回路流回电流源的电流都可称为杂散电流。电气化铁路、交、直流高压输电系统等都能产生杂散电流。它对金属的损耗属于电化学腐蚀范畴。金属失去电子被氧化,介质中的其它离子得到电子被还原。杂散电流分为直流型和交流型。直流杂散电流造成的管地电压高达8~9V,是普通自然腐蚀的(几百毫伏)的几百倍。如果1A的电流从钢管表面流向土壤溶液,那么一年就会溶解钢铁9kg。即壁厚为7~8mm的钢管, 4 ~5个月就可发生腐蚀穿孔。交流电引起的腐蚀大约为直流电的1%或更小。但当交、直流杂散电流叠加作用时,交流部分可引起电极表面的去极化作用,加速绝缘层的老化和使防腐层的剥离,形成穿孔。有时还会使阴极保护无法在控制电位的范围内正常进行,使牺牲阳极发生极性逆转,保护失效。城市中杂散电流的现象复杂多变,特点表现在: (1)电流强度大; (2)杂散电流源不易消除; (3)形式多样从单一的直流,交流到直交混杂; (4)电力设备使用量年年加大,给排流增大了难度。

杂散电流不光对管道造成影响,而且对地铁(轻轨),建筑物,钢架桥,矿山等同样造成大量的破坏。使得道床加速老化,混凝土中的钢筋出现腐蚀,大桥主体钢架结构出现穿孔,矿山设备加速损坏。杂散电流排流系统属于基础应用型研究, 2008年香港举行的IET-ICRE2008年会上[13],伊朗科技大学教授M.Niasati和

A.Gholami作了关于直流轨道交通下杂散电流的控制的发展历程和展望

[14](O-verview of stray current control in DC railway sys-tems)。2007年在法国城市里摩日(Limoges)举办的第一届《环境中的杂散电流》(stray current in our en-vironment)的专题讨论会,从学术和工业两方面讨论当前遇到的问题并至力于解决杂散电流带来的危害。在总结前人排流以难验的基础之上,结合保护环境的新要求,提出新的理念和方法,尝试使用新的手段来提高排流的效果。从杂散电流机理,排流方法和排流设备等方面进行了综合论述。

1杂散电流产生的主要因素和防护方法

在地铁工程实施中,虽然全线钢轨采取对地绝缘,在任何地点不直接接地或通过其它装置接地,但钢轨对地泄漏电阻率仍不可能无限大,一般在5~100Ω·km范围。当

列车在两牵引所间运行时,

图1 钢轨的电位分布示意图

钢轨电位如图1所示,列车位置处为阳极区,钢轨电位为正;牵引所附近为阴极区,钢轨电位为负。钢轨电位产生的原因是牵引回流电流在钢轨上产生了纵向电压。研究表明,钢轨电位的大小,与钢轨泄漏电阻率的关系不大。当钢轨对地泄漏电阻率在5~100Ω·km变化时,钢轨对地电位基本不变,这是由于钢轨对地泄漏电阻远大于从牵引所至列车位置的钢轨

纵向电阻。杂散电流强度的大小,就是图1中阴影区段从钢轨泄漏至地下的电流密度的积分。

全线杂散电流的总量基本上只与全线钢轨正电2防止杂散电流对钢筋腐蚀的原理

1.1利用腐蚀钝化状态

杂散电流对金属构件(结构钢筋和金属管线)的腐蚀为电化学腐蚀。当杂散电流进入金属构件时,对其不产生腐蚀;而当杂散电流从金属构件流出至非金属介质时,对其产生腐蚀。对于结构钢筋,其腐蚀的原理是钢筋与其周围的水泥硅酸盐发生电化学反应,钢筋释放铁离子与周围电解质反应生成其它化合物。若电流密度小于0.6 mA/dm2,则电化学反应发生后会在钢筋表面形成一层白色的化合物。该化合物的电阻率较大。随着时间的延续,当该化合物厚度达到一定程度时,就会成为包裹钢筋的一层外绝缘层,从而阻止钢筋与外部水泥硅酸盐电解质的继续接触,阻止了杂散电流对钢筋的继续腐蚀。该状态称为腐蚀钝化状态。通过合理的措施使钢筋处于腐蚀钝化状态,这是杂散电流防护设计的重要内容。因此,为杂散电流提供至牵引变电所负极的畅通金属通路,尽量减少杂散电流流出金属构件的电流密

度,阻止杂散电流对其腐蚀,是杂散电流防护的重要措施。

1.2控制杂散电流流通途径

图 2 杂散电流流通途径的示意图

如图2所示,杂散电流首先从钢轨泄漏至道床,再泄漏至隧道结构和其它结构。因此,应从道床结构着手来限制杂散电流向其它结构泄漏。

如果将道床钢筋纵向焊接形成一层纵向电气通路,并赋于道床钢筋一定的截面,使道床钢筋流出的电流密度控制在钝化状态内(0.6 mA/dm2)时,则尽管有一定数量杂散电流流出钢筋,却不会使道床结构钢筋受到腐蚀。利用道床钢筋可达到两个目的:一是减少了杂散电流继续向下扩散至隧道钢筋和大地;二是由于道床钢筋本身有一定的截面,从而使杂散电流密度较小而使自身处于腐蚀的钝化状态。同理,通过对隧道结构钢筋进行焊接以形成纵向电气连续通路后,对于从道床钢筋中漏泄的杂散电流起到二次收集作用。由于隧道结构钢筋截面更大,从而使得其腐蚀钝化状态更易达到。显而易见,由于道床钢筋更靠近钢轨,是杂散电流的第一层收集网,而截面积相对隧道收集网要小,若能控制道床钢筋处于腐蚀钝化状态,则下层收集网的隧道钢筋肯定也处于腐蚀钝化状态。即只要道床收集网达到了腐蚀防护要求,下层其它结构设施肯定也没有被杂散电流腐蚀的危险。所以,利用腐蚀钝化原理防腐蚀的重点在于道床收集网,隧道收集网是作为后备收集网而起作用。随着地铁的长年运营,在钢轨对地泄漏电阻逐渐减少后,即使道床钢筋受腐蚀了,隧道钢筋也可不受腐蚀。对地铁杂散电流的防护是分层次的。对地铁结构设施防护重要性的顺序是隧道钢筋、道床钢筋、钢轨。钢轨是可更换设备,道床钢筋从结构上讲也是可以重修的,而隧道钢筋则无论如何应避免结构性修复施工。所以,为重点保护隧道钢筋,在有条件时将其焊接成网是必要的。

1.3排流法

只有当杂散电流从钢筋流出时才会对钢筋产生腐蚀,而杂散电流流出的区域集中在阴极区(在牵引所附近)。若在牵引所将结构钢筋或其它可能受到杂散电流腐蚀的金属结构与钢轨或牵引所负母排相连,则由于杂散电流总是走电阻最小的通路而直接流至牵引所,从而在阳极区范围内大大减小了杂散电流从钢筋再扩散至混凝土的可能,减少了杂散电流流出钢筋导致的电化学反应。该方法称为排流法(见图3)。地铁早期将金属结构与钢轨直接在牵引所附近相连,称为直接排流法,后来发展到加二极管的单向导通排流、加直流电源的强制排流法等。

图3排流法防护示意图

但排流法有其缺点:由于采用排流法时,电流从钢筋沿排流电缆(经二极管)流至负母排时,原来负母排的负电位变为接近零电位,从而因钢轨纵向电压的钳制作用使得两牵引所间钢轨的最高对地电位增加了一倍,两牵引所间几乎全部成为阳极区;简单地看,杂散电流总量增加到近三倍(根据某轨道交通杂散电流模拟结果,在远期运营列车对数较高时,设

排流柜较不设排流柜的杂散电流约增加一倍)。由于杂散电流的总量增加太多,除牵引所附近钢筋腐蚀减少外,在区间的钢轨腐蚀量将上升。所以说排流法是一把双刃剑,既有其有利的一面,也有其不利的一面。故在地铁系统开通初期,将排流柜投入运行是弊大于利,是没有必要的。只有在将来随着地铁运营年份的增加,钢轨泄漏电阻减小至严重影响道床收集网防腐能力时,才考虑将排流柜投入运行。

2地铁杂散电流分布模型

地铁由多个区间隧道组成,对每个地铁供电区段至少有两个变电所供电,因此列车在轨道上运行时负荷会发生变化。由于每个区段的地质条件不同,轨地过渡电阻