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地铁杂散电流腐蚀及其防护措施
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内容提示：地铁主体结构钢筋、电气设备、地铁附近的埋地管线经常遭受地铁杂散电流的电化学腐蚀。这种杂散电流腐蚀减少埋地管线使用寿命,降低地铁主体结构的耐久性和强度,有时甚至造成灾难性的事故;同时造成一定的经济损失。讨论了地铁杂散电流的危害,并给出了较为详细的减少杂散电流及其防护的方法。
1 概述
地铁具有运量大、安全舒适、运输成本低等优点,且与地面的交通工具互不干涉,因此成为解决城市交通拥挤紧张状态的有效途径。目前地铁列车牵引动力一般用直流电,由设置在沿线的牵引变电所通过架空线或第三轨向列车馈送电量,并利用走形轨作为回流线路。直流供电的地铁系统的走形轨本身具有电阻且走形轨对地做不到完全绝缘,所以有一部分电流从走形轨泄漏到大地。这部分从走形轨漏出的电流被称为杂散电流又叫迷流。（参考《建筑中文网》）
杂散电流从走形轨漏出后,经过地铁的道床流入大地,然后从大地流回钢轨回流点。若地铁附近有导电性能较好的埋地金属管线(如自来水管、煤气管道、电缆等),则有一部分杂散电流选择电阻率较低的埋地金属管线作为流通路径,在变电所附近从金属管线中流出流回变电所。对于走形轨杂散电流是在远离变电所的地方流出,对于埋地金属管线杂散电流是从变电所附近的部位流出,由于土壤或其它介质的作用,金属体有电流流出的部位发生电解,使金属体遭受电化学腐蚀。这种电化学反应易腐蚀地铁钢轨、地铁主体结构钢筋、地铁线路附近的埋地金属管线,减少埋地管线使用寿命,降低地铁主体结构的耐久性和强度,有时甚至造成灾难性的事故。钢轨埋设在地表面,易于发现损坏状况,且便于更换,所以杂散电流腐蚀对其的危害不是很大;但由于地铁主体结构钢筋和埋地金属管线埋设在地下,其腐蚀情况不易察觉,所以杂散电流腐蚀对地铁主体结构钢筋和埋地金属管线的腐蚀危害是很大的。例如从20世纪70年代开始运行的北京地铁一期工程的主体机构中的钢筋已发现有严重的杂散电流腐蚀;北京、天津地铁都有水管被侵蚀穿孔的情况;香港也曾因杂散电流腐蚀煤气管道引起煤气泄漏;在一些地铁运行历史较长的发达国家,杂散电流腐蚀同样严重,如英国曾发生过因为杂散电流腐蚀而发生的钢筋混泥土塌方事故。可见,寻求减少杂散电流腐蚀危害的方法是非常重要的。目前又是我国建设地铁的高潮时期,因此全面考虑杂散电腐蚀问题,设计合理的杂散电流防护方案具有一定的现实意义。
2 杂散电流的防护
从系统上来讲,目前杂散电流防护设计方法可分为3类:一是控制杂散电流产生的源头,减少杂散电流产生的数量,即是“堵”的方法。二是对已产生的杂散电流采取排流或其它方法减少其腐蚀危害,即“排流法”。三是对杂散电流进行实时监测,一旦发现杂散电流过高则采取一定的对策来减轻其危害,即“测”的方法。
2.1 从源头上控制杂散电流产生
2.1.1 降低回流回路的阻值
钢轨本身具有电阻,当电流流过钢轨时在电阻上就产生电位差,因钢轨对地绝缘电阻不可能是无穷大,故产生有电位差和产生杂散电流。所以要降低杂散电流的数量就要减小钢轨压降,降低钢轨压降的方法有如下几点:
① 增加走形轨的长度,减小钢轨的电阻:地铁列车走行钢轨同时作为牵引列车回流用,因此钢轨阻抗越小,从钢轨向外流失的杂散电流也越小,减少钢轨阻抗的有效办法是采用长钢轨,钢轨越长,钢轨接头就越少,钢轨的阻抗也就越小。
② 各钢轨之间应有畅通的电气连接以保证低阻值的回流路径。
③ 缩短变电所之间的距离,采用双边供电:从杂散电流的估算公式来看,杂散电流与供电距离的平方成正比,所以缩短供电距离是减少杂散电流数量非常有效的方法。
2.1.2 增加杂散电流流通路径的电阻
增加杂散电流流通路径的电阻具体的有2点措施:
①增加轨道对地的过渡电阻:木质轨枕、枕木的端面和道钉必须经过绝缘处理或设置专门的绝缘层,轨道和接地回路之间应具有良好的绝缘,走行钢轨采用点支承等。增加杂散电流泄漏路径电阻的另一个方法是地铁系统采用不接地或二极管接地策略。
②在车辆段的检修与停车库中,每一条线路的走形轨均应使用绝缘接头与车场线路的走形轨相隔离。
2.1.3 增加埋地金属管线的阻值
敷设在地铁沿线的电力、通讯及控制测量电缆,应采用防水绝缘护套的双塑绝缘垫层;地铁中各种电缆,在隧洞中的电缆、水管等金属结构应以绝缘方式敷设;所有通向隧洞外的管线,必须装有绝缘接头或绝缘法兰。
2.2 排流保护措施
所谓排流法就是将金属结构中的杂散电流人为地使之直接回流到钢轨或变电所负极,其连接导线称为排流线。排流法又可分为直接排流法、极性排流法、强制排流法3种。其中极性排流法方法在地铁系统中应用最为广泛有效。
虽然极性排流在防止杂散电流腐蚀上起到了很好的效果,但是排流也会带来一些副作用。其一是排流会使杂散电流的数量增加,这使那些没有接排流设备的结构物的腐蚀加剧。Pigna tellip详细考察了美国费城内地铁杂散电流对地下公共设施的影响时发现排流引起了严重的干扰,拆除若干排流接头后,反而使大地杂散电流减少2000A。
其二使钢轨电位升高,其电位有可能超过容许安全电压(规定为65V)。
其三排流量过大还会带来如下的危害:当一氯化亚汞电极为基准,埋地管道的对地电位低于-2.5V时,埋地管道的保护曾被破坏的危险增大。当地中含有盐份时,铅不仅在阳极区受到腐蚀,而且在阴极区也受到腐蚀。当排流量过大时,铅皮电位变的更低,这种腐蚀会加剧。
2.3 其他杂散电流防护方法
阴极保护:阴极保护是指向金属结构物提供电流,有外加电源法和牺牲阳极法;阳极保护法:即使被保护物的电位提高到钝态电位,从而阻止杂散电流腐蚀。青木敏雄发明了一种装置,控制钢轨电压恒定,切断杂散电流产生的源头,使杂散电流减至最小。这种设备把其所在钢轨对地电压叠加到钢轨上,使钢轨上各处电压相同,从而消除钢轨电位差。
三木邦敏发明的是利用向埋地电极施加支流电流的方法来吸收杂散电流,从而达到减轻杂散电流腐蚀危害的目的。易友祥等提出了一种可以对杂散电流进行自动跟踪补偿,目的是减少杂散电流数量的积极的防护方案。
3 杂散电流的监测
为了地铁牵引回流泄漏的情况和地下金属结构受杂散电流腐蚀的程度,必须进行专门的测量工作。地铁结构与设备受杂散电流腐蚀的危险性指标,应由结构表面向周围电解质漏泄的电流密度和由此引起的电位极化偏移来确定。由于电流密度难以直接测量,所以一般是通过测量腐蚀危险性的间接指标即由杂散电流引起的结构的电位极化偏移值来判断设备受杂散电流腐蚀的情况。所需监测的参数有轨道电压、地下金属结构的极化电位、轨道过渡电阻和轨道纵向电阻等。
杂散电流测量点应设置在地铁沿线的车站站台的两侧进出站信号附近、每一个回流点处及需要进行测试的走形轨分断点处、地铁桥梁两段、地铁的尽头线和线路与车辆段的连接坡道处,并定期对监测点进行检查维护。可通过传感器将各测量点所采集的参比电极对结构钢筋及轨道对结构钢筋的电压的模拟量及时转化为数字量,再由安装在牵引变电所控制室内的监测装置传送到计算机系统,以供操作人员随时查询。
4上海地铁、深圳地铁杂散电流防护分析
4.1上海明珠线杂散电流防护系统
为防止杂散电流的干扰,上海明珠线采取的主要措施是建立畅通的牵引负极回路、回流轨采用绝缘垫、对地铁的各种管线及设备采取绝缘措施、利用整体道床内的结构钢筋构成杂散电流收集网。上海明珠线的监测系统是由杂散电流收集网测量端子、埋置式参比电极、测量信号电缆、数据转换箱以及微机监测装置构成。每个车站有3对测量端子,分别与地铁沿线测量端子和参比电极连接后经过电流排架引到变电站内的数据转换箱。微机与数据转换箱连接,对各监测点的电位进行实时监测。
4.2 深圳地铁的杂散电流防护系统
深圳地铁杂散电流防护系统的防护原则是“以堵为主,以排为辅,防排结合,加强监测”。堵的措施有钢轨下加绝缘垫、使用绝缘扣件、枕轨下加绝缘垫、道岔处加强绝缘等。排流的措施是将每个道床结构段内部的纵向钢筋搭接处以焊接方式焊接,形成可靠电气连接,形成主要的杂散电流收集网;同时将隧道结构钢筋实现可靠焊接,形成辅助杂散电流收集网;车辆段引入线与正线间、停车库内钢轨与库外钢轨间设单向导通设备。深圳地铁杂散电流监测系统是由参考电极、整体道床测量端子、车站隧道测量端子、信号电缆、信号测量端子箱、信号盒及微机综合测试装置构成。
地铁具有运量大、安全舒适、运输成本低等优点,且与地面的交通工具互不干涉,因此成为解决城市交通拥挤紧张状态的有效途径。目前地铁列车牵引动力一般用直流电,由设置在沿线的牵引变电所通过架空线或第三轨向列车馈送电量,并利用走形轨作为回流线路。直流供电的地铁系统的走形轨本身具有电阻且走形轨对地做不到完全绝缘,所以有一部分电流从走形轨泄漏到大地。这部分从走形轨漏出的电流被称为杂散电流又叫迷流。（参考《建筑中文网》）
杂散电流从走形轨漏出后,经过地铁的道床流入大地,然后从大地流回钢轨回流点。若地铁附近有导电性能较好的埋地金属管线(如自来水管、煤气管道、电缆等),则有一部分杂散电流选择电阻率较低的埋地金属管线作为流通路径,在变电所附近从金属管线中流出流回变电所。对于走形轨杂散电流是在远离变电所的地方流出,对于埋地金属管线杂散电流是从变电所附近的部位流出,由于土壤或其它介质的作用,金属体有电流流出的部位发生电解,使金属体遭受电化学腐蚀。这种电化学反应易腐蚀地铁钢轨、地铁主体结构钢筋、地铁线路附近的埋地金属管线,减少埋地管线使用寿命,降低地铁主体结构的耐久性和强度,有时甚至造成灾难性的事故。钢轨埋设在地表面,易于发现损坏状况,且便于更换,所以杂散电流腐蚀对其的危害不是很大;但由于地铁主体结构钢筋和埋地金属管线埋设在地下,其腐蚀情况不易察觉,所以杂散电流腐蚀对地铁主体结构钢筋和埋地金属管线的腐蚀危害是很大的。例如从20世纪70年代开始运行的北京地铁一期工程的主体机构中的钢筋已发现有严重的杂散电流腐蚀;北京、天津地铁都有水管被侵蚀穿孔的情况;香港也曾因杂散电流腐蚀煤气管道引起煤气泄漏;在一些地铁运行历史较长的发达国家,杂散电流腐蚀同样严重,如英国曾发生过因为杂散电流腐蚀而发生的钢筋混泥土塌方事故。可见,寻求减少杂散电流腐蚀危害的方法是非常重要的。目前又是我国建设地铁的高潮时期,因此全面考虑杂散电腐蚀问题,设计合理的杂散电流防护方案具有一定的现实意义。
2 杂散电流的防护
从系统上来讲,目前杂散电流防护设计方法可分为3类:一是控制杂散电流产生的源头,减少杂散电流产生的数量,即是“堵”的方法。二是对已产生的杂散电流采取排流或其它方法减少其腐蚀危害,即“排流法”。三是对杂散电流进行实时监测,一旦发现杂散电流过高则采取一定的对策来减轻其危害,即“测”的方法。
2.1 从源头上控制杂散电流产生
2.1.1 降低回流回路的阻值
钢轨本身具有电阻,当电流流过钢轨时在电阻上就产生电位差,因钢轨对地绝缘电阻不可能是无穷大,故产生有电位差和产生杂散电流。所以要降低杂散电流的数量就要减小钢轨压降,降低钢轨压降的方法有如下几点:
① 增加走形轨的长度,减小钢轨的电阻:地铁列车走行钢轨同时作为牵引列车回流用,因此钢轨阻抗越小,从钢轨向外流失的杂散电流也越小,减少钢轨阻抗的有效办法是采用长钢轨,钢轨越长,钢轨接头就越少,钢轨的阻抗也就越小。
② 各钢轨之间应有畅通的电气连接以保证低阻值的回流路径。
③ 缩短变电所之间的距离,采用双边供电:从杂散电流的估算公式来看,杂散电流与供电距离的平方成正比,所以缩短供电距离是减少杂散电流数量非常有效的方法。
2.1.2 增加杂散电流流通路径的电阻
增加杂散电流流通路径的电阻具体的有2点措施:
①增加轨道对地的过渡电阻:木质轨枕、枕木的端面和道钉必须经过绝缘处理或设置专门的绝缘层,轨道和接地回路之间应具有良好的绝缘,走行钢轨采用点支承等。增加杂散电流泄漏路径电阻的另一个方法是地铁系统采用不接地或二极管接地策略。
②在车辆段的检修与停车库中,每一条线路的走形轨均应使用绝缘接头与车场线路的走形轨相隔离。
2.1.3 增加埋地金属管线的阻值
敷设在地铁沿线的电力、通讯及控制测量电缆,应采用防水绝缘护套的双塑绝缘垫层;地铁中各种电缆,在隧洞中的电缆、水管等金属结构应以绝缘方式敷设;所有通向隧洞外的管线,必须装有绝缘接头或绝缘法兰。
2.2 排流保护措施
所谓排流法就是将金属结构中的杂散电流人为地使之直接回流到钢轨或变电所负极,其连接导线称为排流线。排流法又可分为直接排流法、极性排流法、强制排流法3种。其中极性排流法方法在地铁系统中应用最为广泛有效。
虽然极性排流在防止杂散电流腐蚀上起到了很好的效果,但是排流也会带来一些副作用。其一是排流会使杂散电流的数量增加,这使那些没有接排流设备的结构物的腐蚀加剧。Pigna tellip详细考察了美国费城内地铁杂散电流对地下公共设施的影响时发现排流引起了严重的干扰,拆除若干排流接头后,反而使大地杂散电流减少2000A。
其二使钢轨电位升高,其电位有可能超过容许安全电压(规定为65V)。
其三排流量过大还会带来如下的危害:当一氯化亚汞电极为基准,埋地管道的对地电位低于-2.5V时,埋地管道的保护曾被破坏的危险增大。当地中含有盐份时,铅不仅在阳极区受到腐蚀,而且在阴极区也受到腐蚀。当排流量过大时,铅皮电位变的更低,这种腐蚀会加剧。
2.3 其他杂散电流防护方法
阴极保护:阴极保护是指向金属结构物提供电流,有外加电源法和牺牲阳极法;阳极保护法:即使被保护物的电位提高到钝态电位,从而阻止杂散电流腐蚀。青木敏雄发明了一种装置,控制钢轨电压恒定,切断杂散电流产生的源头,使杂散电流减至最小。这种设备把其所在钢轨对地电压叠加到钢轨上,使钢轨上各处电压相同,从而消除钢轨电位差。
三木邦敏发明的是利用向埋地电极施加支流电流的方法来吸收杂散电流,从而达到减轻杂散电流腐蚀危害的目的。易友祥等提出了一种可以对杂散电流进行自动跟踪补偿,目的是减少杂散电流数量的积极的防护方案。
3 杂散电流的监测
为了地铁牵引回流泄漏的情况和地下金属结构受杂散电流腐蚀的程度,必须进行专门的测量工作。地铁结构与设备受杂散电流腐蚀的危险性指标,应由结构表面向周围电解质漏泄的电流密度和由此引起的电位极化偏移来确定。由于电流密度难以直接测量,所以一般是通过测量腐蚀危险性的间接指标即由杂散电流引起的结构的电位极化偏移值来判断设备受杂散电流腐蚀的情况。所需监测的参数有轨道电压、地下金属结构的极化电位、轨道过渡电阻和轨道纵向电阻等。
杂散电流测量点应设置在地铁沿线的车站站台的两侧进出站信号附近、每一个回流点处及需要进行测试的走形轨分断点处、地铁桥梁两段、地铁的尽头线和线路与车辆段的连接坡道处,并定期对监测点进行检查维护。可通过传感器将各测量点所采集的参比电极对结构钢筋及轨道对结构钢筋的电压的模拟量及时转化为数字量,再由安装在牵引变电所控制室内的监测装置传送到计算机系统,以供操作人员随时查询。
4上海地铁、深圳地铁杂散电流防护分析
4.1上海明珠线杂散电流防护系统
为防止杂散电流的干扰,上海明珠线采取的主要措施是建立畅通的牵引负极回路、回流轨采用绝缘垫、对地铁的各种管线及设备采取绝缘措施、利用整体道床内的结构钢筋构成杂散电流收集网。上海明珠线的监测系统是由杂散电流收集网测量端子、埋置式参比电极、测量信号电缆、数据转换箱以及微机监测装置构成。每个车站有3对测量端子,分别与地铁沿线测量端子和参比电极连接后经过电流排架引到变电站内的数据转换箱。微机与数据转换箱连接,对各监测点的电位进行实时监测。
4.2 深圳地铁的杂散电流防护系统
深圳地铁杂散电流防护系统的防护原则是“以堵为主,以排为辅,防排结合,加强监测”。堵的措施有钢轨下加绝缘垫、使用绝缘扣件、枕轨下加绝缘垫、道岔处加强绝缘等。排流的措施是将每个道床结构段内部的纵向钢筋搭接处以焊接方式焊接,形成可靠电气连接,形成主要的杂散电流收集网;同时将隧道结构钢筋实现可靠焊接,形成辅助杂散电流收集网;车辆段引入线与正线间、停车库内钢轨与库外钢轨间设单向导通设备。深圳地铁杂散电流监测系统是由参考电极、整体道床测量端子、车站隧道测量端子、信号电缆、信号测量端子箱、信号盒及微机综合测试装置构成。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200807/9179.htm
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