摘 要 详细阐述了地铁杂散电流的形成机理及主要的防护措施。
关键词 杂散电流;腐蚀;直流供电;轻轨交通
地铁或轻轨一般采用直流电力牵引的供电方式,一般接触网(或第三轨)为正极,而走行轨兼作负回流线。由于回流线轨存在着电气阻抗,牵引电流在回流轨中产生压降,并且回流轨对地存在着电位差,回流线对道床、周围土壤介质、地下建筑物、埋设管线存在着一定的泄漏电流,泄漏电流沿地下建筑物、埋设管线等介质至负回馈点附近重新归入钢轨,此泄漏电流即称迷流,又称地铁杂散电流。地铁迷流主要是对地铁周围的埋地金属管道、电缆金属铠装外皮以及车站和区间隧道主体结构中的钢筋发生电化学腐蚀,它不仅能缩短金属管线的使用寿命,而且还会降低地铁钢筋混凝土主体结构的强度和耐久性,甚至酿成灾难性的事故。如煤气管道的腐蚀穿孔造成煤气泄漏、隧道内水管腐蚀穿孔而被迫更换等。另外,地铁迷流同时也对地铁沿线城市公用管线和结构钢筋产生“杂散电流腐蚀”,影响地铁以外沿线公共设施的安全及寿命。本文结合我公司参与的多条地铁线施工和运营维护管理的经验,针对杂散电流腐蚀机理及防护措施方面浅谈管见。
1 杂散电流腐蚀机理
1.1 杂散电流腐蚀机理
地铁迷流对埋地金属管线和混凝土主体结构中钢筋的腐蚀在本质上是电化学腐蚀,属于局部腐蚀,其原理与钢铁在大气条件下或在水溶液及土壤电解质中发生的自然腐蚀一样,都是具有阳极过程和阴极过程的氧化还原反应。www.11665.CoM即电极电位较低的金属铁失去电子被氧化而变成金属离子,同时金属周围介质中电极电位较高的去极化剂,如金属离子或非金属离子得到电子被还原。地铁直流牵引供电方式形成的迷流及其腐蚀部位如图1所示。图中,ｉ为牵引电流,ｉｘ、ｉｙ分别为走行轨回流和泄漏的迷流。
由图1可得地铁迷流所经过的路径可概括为两个串联的腐蚀电池,即
电池ｉ:ａ钢轨(阳极区)+ｂ道床、土壤+ｃ金属管线(阴极区);
电池ｉｉ:ｄ金属管线(阳极区)+ｅ土壤、道床+ｆ钢轨(阴极区)。
当地铁迷流由图1中ａ、ｄ(阳极区)的钢轨和金属管线部位流出时,该部位的金属铁便与其周围电解质发生阳极过程的电解作用,此处的金属随即遭到腐蚀。概括起来可将发生腐蚀的氧化还原反应分为两种:当金属铁周围的介质是酸性电解质,即ｐｈ<7时,发生的氧化还原反应是析氢腐蚀,以ｈ+为去极化剂;当金属铁周围的介质是碱性电解质,即ｐｈ≥7时,发生的氧化还原反应是吸氧腐蚀,以ｏ2为去极化剂。
1.2 杂散电流大小
当钢轨为悬浮系统时(指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),虽然钢轨对地采取了一系列措施,但钢轨对地泄漏电阻在工程实施中不可能无限大,一般在5～100ω·ｋｍ范围内。同时随着地铁运营时间的推移,由于受到不可避免的污染、潮湿、渗水、漏水和高地应力作用等影响,使地铁车站以及区间隧道中的轨、地绝缘性能降低或先期防护措施失效,势必增大了由走行轨泄漏到土壤介质中的杂散电流。当列车在两牵引变电所间运行时,钢轨电位如图2所示,列车位置处为阳极区,钢轨电位为正,牵引变电所附近为阴极区,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的关系不大,当钢轨对地泄漏电阻在5～100ω·ｋｍ范围内变化时,受从牵引变电所至列车位置处的钢轨纵向电压钳制,钢轨对地电位基本不变。杂散电流的大小,就是图2中的阴影区段从钢轨泄漏至地下电流密度的积分,即
2 杂散电流防护措施
从公式(1)中可得出杂散电流的总量基本上只与全线钢轨正电位及钢轨对地泄漏电阻有关,因此降低钢轨电位及增大钢轨泄漏电阻是防护杂散电流的基础;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,是防护杂散电流的重要措施。
防护杂散电流一般采取“以防为主,以排为辅,防排结合,加强监测”的综合防护措施,即(1)防:减少回流轨纵向电阻,降低钢轨电位和提高回流轨对地过渡电阻,确保畅通的牵引回流系统,隔离和控制所有的杂散电流泄漏途径,减少杂散电流进入地铁的主体结构、设备及相关的设施;(2)排:在回流轨的整体道床中设置杂散电流收集网,通过杂散电流的收集和排流系统,提供杂散电流返回至变电所负极的金属通路,以减少杂散电流向外泄漏。(3)测:监视和测量杂散电流的大小,为运营维护提供依据,设计完备的杂散电流检测系统。限于篇幅有限,本文结合“防”和“排”两方面内容综合阐述防护杂散电流措施。
2.1降低钢轨电位方案或确保畅通的牵引回流系统措施
在列车运行密度和列车取流一定的情况下,钢轨电位由供电区间回流通路的电阻定。减小回流通路电阻的主要措施是减小牵引变电所间距,保证回流通路畅通,增设辅助回流线,减小牵引回流通路电阻,运营中正线牵引网尽量采用“双边”供电等。
在满足供电负荷、供电质量及工程投资控制要求前提下,可适当调整变电所数量和设置位置,尽量使牵引变电所布置均匀。
减少以钢轨纵向电阻为主的回流系统电阻的措施包括正线钢轨采用重轨,且焊接为无缝长钢轨,若短钢轨间采用螺栓连接,则两根钢轨之间必须加焊一根铜电缆,回流电缆应与钢轨可靠焊接,回流电缆根数留有一定裕量;走行轨间设均流线,平衡上、下行钢轨电流,降低走行轨电位;道岔与辙岔的连接部位通过铜连接引线可靠焊接。
对于车辆段和停车场,根据实际工程条件,通过设置多个回流点,使牵引电流就近回流,减小回流通路电阻,控制产生杂散电流总量。
2.2 增大钢轨泄漏电阻措施
钢轨泄漏电阻的大小与杂散电流成反比,可把保证钢轨有较高泄漏电阻作为轨道交通防护杂散电流根本的措施。
钢轨泄漏电阻主要由下述两方面因素确定:一是钢轨绝缘安装点的绝缘电阻,二是钢轨与道床表面的空隙距离及道床环境条件。当然泄漏电阻也受与钢轨连接电缆绝缘情况、电化区段与非电化区段钢轨隔离效果等影响。
钢轨绝缘安装一般是通过在钢轨与道床间设绝缘垫,紧固螺栓通过绝缘套管安装在道床上等措施实现的,并且钢轨底部与道床之间间隙不得小于《地铁杂散电流防护规程》中的规定。
由于粉尘、潮湿、油污、风沙雨雪(高架和地面区段)等影响,会降低泄漏电阻,使杂散电流增加。因此道床设计中应设计良好的排水方案,运营中应定期打扫,保持道床的清洁,以避免钢轨泄漏电阻降低。
另外与轨道专业配合,设计受外界污染影响少、绝缘水平较高的绝缘安装措施,如在安装点钢轨带绝缘靴套的绝缘安装方案,或整体带玻璃钢(或其他绝缘材料)衬套轨枕的绝缘性能好,便于运营清扫的绝缘安装措施等。
2.3 杂散电流的流通路径控制措施
杂散电流对金属结构的腐蚀主要有4个方面:即钢轨、道床结构钢筋、隧道结构钢筋、地网及地铁外部其他公共设施。杂散电流首先从钢轨泄漏至道床结构,再从道床结构向其他结构如隧道、车站结构泄漏。
利用整体道床内结构钢筋的纵向联通形成电气连续的杂散电流主收集网,为杂散电流提供第一个电气通路,杂散电流沿此通路流向牵引变电所方向,流出收集网后至钢轨,可减少杂散电流由道床向其它结构的泄漏量。
另外在工程条件许可情况下,地下区段道床与隧道(或其他结构间)设置素混凝土层,以增大道床与其他结构间泄漏电阻,减少杂散电流向其他结构泄漏量。
在回流轨下方穿越的金属管线也要进行绝缘处理,避免杂散电流经此泄漏至其他结构。
主收集网不可能收集所有的杂散电流,其它少量杂散电流继续泄漏至隧道或其他结构,利用隧道钢筋(内衬墙钢筋)纵向联通形成电气通路,则成为杂散电流遇到的第二个电气畅通通路(即辅助收集网),并沿此通路至牵引变电所方向,在牵引变电所区域(阴极区)流回至道床钢筋,并流回至钢轨,减少杂散电流向地铁以外泄漏。
由外界引入地铁内或由地铁内引出至地铁外的金属管线均应进行绝缘处理后,方可引入或引出,避免杂散电流经此向地铁外泄漏。
2.4 结构钢筋腐蚀防护措施
金属构件电化学腐蚀防护是控制金属体流出至电介质的电流密度在防护范围之内。主要措施是减少进入金属体的杂散电流量;为金属体提供至电源负极的金属通路,减少杂散电流流出金属表面的电流密度;确定合理的道床、隧道收集网(结构钢筋)表面积,控制杂散电流流出至电介质的密度。
地铁杂散电流防腐蚀对结构钢筋的保护是分层次的,其重要性对地铁结构设施而言,其顺序是隧道钢筋、道床钢筋和钢轨。钢轨是可更换设备,道床钢筋从结构上讲可重修,而隧道钢筋应避免修复。从地铁结构层次上讲,利用腐蚀钝化原理防腐蚀的重点在道床收集网,隧道收集网是作为后备收集网而起作用。因为尽管靠近钢轨的道床收集网的截面积相对隧道收集网要小,在所收集的杂散电流较多而其截面较小的情况下,若能控制道床钢筋处于腐蚀钝化状态,则下层隧道收集网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,下层其他结构设施肯定也没有被杂散电流腐蚀的危险。
利用道床结构钢筋作为收集网的目的:一是减少杂散电流继续向下扩散至隧道、车站和大地等结构的数量;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。因为道床结构钢筋是杂散电流从钢轨上泄漏后遇到的第一道电阻较小的畅通电气通路,可将杂散电流尽量限制在本系统内部,可防止杂散电流继续向本系统以外泄漏。若将道床钢筋纵向焊接及连接形成一层纵向电气通路,并得到经计算确定的截面,使得自道床钢筋流出的电流密度控制在腐蚀钝化状态范围内时,尽管有一定数量杂散电流流出钢筋,但却不会使道床结构钢筋受到腐蚀。
同样的原理,通过对隧道结构钢筋进行焊接及连接形成纵向电气连续通路后,对于从道床钢筋中继续泄漏的杂散电流起到二次收集作用,由于隧道结构钢筋截面更宜做大,从而使其更宜达到腐蚀钝化状态。
2.5 排流柜设置方案
只有当杂散电流从钢筋流出时才对钢筋产生腐蚀,而杂散电流流出的区域集中在阴极区(即在牵引变电所附近),若在牵引变电所处将结构钢筋或其他可能受到杂散电流腐蚀的金属结构与钢轨或牵引变电所负母排相连,由于杂散电流总是走电阻最小的通路,而直接流至牵引变电所,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。
排流法一般有将金属结构与钢轨直接在牵引变电所附近相连的直接排流法、加二极管的单向导通排流、加直流电源的强制排流等。但排流法存在如下缺点:当采用排流法时钢轨系统称之为接地系统,当有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,因钢轨纵向电压的钳制作用使得两牵引变电所间钢轨的最高对地电位增加了一倍,两牵引变电所间几乎成为阳极区,简单看杂散电流总量增加了近4倍。由于杂散电流的总量增加太多,除牵引变电所附近钢筋腐蚀减少外,在区间的钢轨腐蚀将上升。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。
2.6 盾构区间防护杂散电流方案
盾构法区间隧道迷流设计原理是指将管片内钢筋全部电气联通,并通过铁垫圈将电气连接点良好引出。以后在隧道管片的拼装中通过铁螺栓和螺母将各隧道管片中钢筋全部电气联通,形成一个等电位的法拉第网,对地铁杂散电流进行电气屏蔽,以防止地铁杂散电流向外泄露和对地铁基础结构的腐蚀。但在实际施工过程中,混凝土灌浆于各螺栓之间,仅靠螺栓、螺母的机械连接实现电气上的完全导通连接是很难的,与管片采用绝缘隔离措施相比,反而更加大了杂散电流对盾构管片内部结构钢筋的腐蚀风险。
2.7 高架区段防护杂散电流方案
区间高架桥梁一般采用简支梁,桥梁与桥墩间有橡胶支座,起到了电气上的绝缘,表面上可避免杂散电流扩散,但若在个别区段采用其他桥梁结构,梁墩间没有绝缘支座,或高架车站采用“桥建合一”的结构,就必然形成某“点”的集中接地,成为防护杂散电流的薄弱环节。因此,高架区间要采用梁墩间设置橡胶支座的桥梁结构,且高架车站尽量采用“桥建分离”的结构型式。
2.8 车辆段及停车场杂散电流防护措施
车辆段和停车场均位于地面,经过出入线与正线连接。车辆段内线路主要包括停车列检库、月检库线路和库外线路。库外线路采用碎石道床,无法设置杂散电流收集网,检修库内线路较库外线路防护条件更差,加上车辆段建筑较多,并设有维修基地、生活及工作设备、各类管线较多,运营环境特殊,相对正线来讲,车辆段和停车场是防护杂散电流的薄弱环节。
但车辆段和停车场内车速较低,牵引电流较小,杂散电流泄漏水平较低,基于此特点,车辆段和停车场的防护杂散电流措施一般应从钢轨回流及降低钢轨电位考虑,一般采取措施如下:
(1)降低车辆段(停车场)杂散电流主要泄漏总量措施
车辆段(停车场)与正线间设置绝缘轨缝及单向导通装置,限制正线区段钢轨电流通过车辆段(停车场)内的钢轨回流,可降低车辆段(停车场)内部杂散电流泄漏水平;检修库、停车库内外线路间设置绝缘轨缝及单向导通装置,限制钢轨电流通过库内钢轨泄漏。
(2)就近回流措施
车辆段(停车场)范围较小、线路密集,根据实际工程条件,通过设置多个回流点,使牵引电流就近回流,可起到限制钢轨电流泄漏。
(3)均匀电流、降低钢轨电位的措施
根据车辆段(停车场)内线路密集的特点,可通过均流电缆的适当设置,使钢轨电流均匀分布,达到限制钢轨电流泄漏和降低钢轨电位的作用。
2.9杂散电流的日常维护
地铁运营后,每月应定期对全线轨道线路清扫,保持线路清洁干燥。如果全线钢轨泄漏阻抗普遍降低,简单清扫或维护不能解决问题,则应开启牵引变电所的排流柜,使杂散电流收集网与牵引变电所负极柜单向联通,避免结构钢筋受迷流腐蚀。
如果综合测试系统监测到排流柜电流出现异常增大,且持续时间较长,则是回流系统出现电气导通“断点”或“集中泄漏区段”所引起,应及时检查相应区段回流系统,将“断点”处连接至设计要求标准,或对“集中泄漏点”进行恢复处理,检查钢轨是否为积水、灰尘污染或钢轨安装绝缘设备损坏引起,并及时清扫或对绝缘设备进行维护。
3 结束语
随着我国城市地铁或轻轨交通快速发展,人们越来越重视地铁防护杂散电流,需要指出的是地铁防护杂散电流是个系统工程,需要多个专业在设计、施工和运营共同配合,一方面加强各自专业防护措施,一方面探索更加积极地预防方案。
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