地铁杂散电流的防护与监测

摘要：杂散电流，即通过走行轨泄露、不能正常的回流，主要指泄露到地下，沿着大地回到牵引变电所或根本不回到牵引变电所，好像迷失方向一样，从而形成杂散电流。它的主要危害对象是金属结构，对其产出腐蚀并影响其寿命。本文介绍了杂散电流的产生、防护以及监测方法。

关键词：杂散电流；极化电压；腐蚀

1 引言

轨道交通是国家和城市公共基础设施，是国民经济、社会发展和提高人民生活水平，构建安全、舒适、方便的交通网络，是发展城市的必然选择。地铁作为便捷的交通方式，已经融入到日常生活中。在地铁运行过程中，杂散电流会对附近的钢结构产生一定的腐蚀，影响其使用寿命。

2 杂散电流的产生

地铁一般采用电压等级 DC 1 500 V / 750 V 牵引的供电方式，接触网为正极，走行轨为负极同时也作为回流线。一般情况下，牵引电流由正极发生，经由接触网、电客车和走形轨流回牵引变电所的负极。但在传递过程中，钢轨与道床、隧道的阻抗不是无限大 , 通过的牵引电流会产生压降 , 并且走形轨对地存在着一定的电位差 , 牵引电流不可能完全回到变电所，有一部分电流通过钢轨、土壤、附近的钢结构、地下金属管线等泄露 , 此泄漏电流称为杂散电流。当走形轨流经电流时，由于走行轨与道床及其零部件间导电性和绝缘性不佳，产生的杂散电流会重新流到钢轨，回到变电所的负极，如图 1 所示。

杂散电流通过金属器件时，金属器件各点与钢轨对大地的电位分布如图 2 所示。

图1 杂散电流重新流到钢轨及变电所的负极

图2 金属器件各点与钢轨对大地的电位分布

电化学腐蚀原理：电化学腐蚀——金属在电解质溶液中发生电化学反应的影响。

电化学腐蚀发生的条件：

（1）两极间存在金属导电通道；

（2）两极间必须有电位差；

（3）两极在电解质中，且有流动的自由离子。

化学方程式：

3 杂散电流的危害

（1）如果杂散电流流入电气接地装置，接地电位会被提高，使某些设备无法正常工作。

（2）地铁迷流主要是对电缆铠装层、埋地金属管道、隧道主体结构中的钢筋发生电化学腐蚀。它不仅能影响钢结构及金属管道的使用寿命，还会降低地铁主体结构的耐久性和强度，其造成的后果是严重的，如煤气管道泄漏、隧道内滴水等。

（3）若走行轨对地的绝缘性变差，则产生的泄漏电流将增大，会影响牵引变电所继电保护误动作，影响地铁的正常运营。

4 杂散电流防护

对杂散电流防护的原则是“以防为主，以排为辅，重点监测”。杂散电流防护是一项复杂的工程，尽管采取各样防护，也或多或少会有电流流入大地，但应尽可能采取防护的措施，将杂散电流限制到最小，这就需要我们牢记上述原则以及多个专业之间共同合作，采取不同的措施，以达到防护目的。必须对杂散电流进行实时数据采集和监测，一旦数据有异常，可以快速定位事故发生地，同时采取一定的措施，将可能产生的后果限制到最小。如果已经发生腐蚀事故，在考虑防护将变得很困难。因此，对杂散电流的防护就某种程度而言尤为重要。

为了减少杂散电流腐蚀事故，可采取以下措施：

（1）牵引变电所的位置，应满足运行的电压损失；

（2）牵引网应保证正常运行时双边供电的要求；

（3）当任一牵引变电所发生故障时，应能采取大双边供电方式；

（4）牵引变电所有排流设备，需要时进行排流；

（5）地铁运行半个小时内，地下金属结构相对参比电极本体电位正向偏移不得超过 500 mV；

（6）隧道结构金属外壳以及各种金属导线不得与钢轨有直接电气连接。

杂散电流防护的方法有很多种，但在工程实际中主要采用地下设施和地铁线路的防护。

4.1 地下设施防护

（1）地铁沿线走行轨上经常容易产生杂散电流至地下，而使地下的金属结构被腐蚀。因此，应该重点隔离走行轨与地下金属，减少它们之间的电气连接，可有效减少杂散电流。目前，主要采用覆盖绝缘层及铺设绝缘管道的方法。

（2）对于开通很早的地铁，隔离电气连接的措施可能已经失效可采取排流法，加装排流柜，使其流回变电所的负极，减少杂散电流对钢结构的腐蚀。

4.2 正线防护

（1）设置杂散电流主收集网，如图 3 所示。将地铁沿线地表钢结构充分电气连接，防止杂散电流泄入地下，腐蚀周围钢结构。

（2）设置杂散电流辅助收集网。由上图可以看出将隧道表面分布的金属结构全部连接起来同车站构成一个整体，它们之间进行有效的电气连接，可以大大减少隧道内金属被腐蚀。

（3）设置新型智能排流柜及排流端子。地铁在施工时，在走行轨下方每隔一定的距离而设置的排流网。

5 杂散电流监测

由于杂散电流无法直接测量，实际应用中通过测量结构件电位极化偏移进行判断。地铁杂散电流检测系统由传感器、参考电极、检测系统组成，监测的主要参数有本体电位、极化瞬时电位和极化电位平均值。

（1）本体电位：在没有杂散电流扰动的情况下，测量的电位分布呈一稳定值，此稳定值我们称之为自然本体电位，简称本体电位。此值的测量时间一般于每日凌晨无列车运行时进行。

（2）极化电压的正向偏移平均值不应超过 0.5 V。

5.1 杂散电流的监测方案

①分散式杂散电流监测

该系统由参考电极、接线盒、信号测量电缆、测试箱、综合测试装置和微机管理系统组成。其构成示意图如图 4 所示。

②集中式杂散电流监测

该系统由参考电极、传感器、信号转接器、智能监测装置和微机管理系统组成，如图 5 所示。

6 结语

（1）通过对杂散电流产生条件的分析，电化学腐蚀产生 OH 离子，与 Fe 反应，造成腐蚀。

（2）杂散电流不可能消失不见，应采取地下与正线相结合的防护方式，尽可能减少。

（3）集中式杂散电流监测更智能，应用较广，但成本相对来说会更高。

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(注：本文转载自《电子产品世界》2022年7月期)