杂散电流的分析和研究
TN系统杂散电流的产生机理及其危害研究
Ｖ ｏ １ ． ３ ４ Ｎ ｏ ． １ ２ ０ １ ４ ． １
Ｔ Ｎ系统杂散 电流的产生机理及其危害研 究
李 乾 ，王金 全 ，徐 晔 ，杨 涛 ，宋鹏超
人 民解 放 军理 工大学 国防 工程 学院 ，南京 ２ １ ０ ０ ０ ７ ）
摘 要 ：配 电 系 统 的 工 作 电 流 从 不 期 望 的 回 路 返 回 电源 时会 产 生 杂 散 电流 。以 常 用 的 单 电 源 Ｔ Ｎ— Ｓ配 电系 统
ｒ ｏ ｏ ｔ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｆ ｏ ｒ ａ ｐ ｐ ｅ ａ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆｓ ｔ ｒ ａ ｙ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｉ ｎ Ｔ Ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ， ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ （ Ｅ ＭＩ ） ，ｃ ｏ ｒ ｒ ｏ ｓ ｉ ｏ ｎ ， ａ ｎ ｄ ａ ｓ ｅ ｒ ｉ ｅ ｓ ｆｐ ｏ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍｓ ．Ｔ Ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｐ ｅ ａ ｔ ｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄ ｒ ｅ ａ ｓ ｏ ｎ ａ ｂ ｙ ｌ ｃ ａ ｎ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ｔ ｈ ｅ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏ ｓ ｔ ｒ ａ ｙ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ， ｗｈ ｉ ｌ ｅ Ｔ Ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｉ ｎ ｓ ｔ ｅ ａ ｄ ｃ ａ ｎ ｃ ｕ ｔ ｄ ｏ ｗ ｎ ｓ ｔ ｒ ａ ｙ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ Ｌ ｔ ｈ ｅ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ａ ｙ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ ａ ｎ ｄ ｖ ｅ ｒ ｆｅ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ １ ．
运营地铁线路杂散电流探讨
运营地铁线路杂散电流探讨[摘要]阐述了地铁杂散电流的产生原因，分析杂散电流对地铁中的电气设备运行造成的影响，及对结构钢和附近的金属管线造成的危害。
并对运营后的地铁线路减少杂散电流的方法进行探讨。
[关键词]杂散电流危害防护控制方法中图分类号：tm921 文献标识码：a 文章编号：1009-914x（2013）13-0229-011 概述1969年，国内第一条地铁线路在北京建成并投入试运营。
随着时代的发展，上海、天津、广州、深圳等城市也先后有地铁线路投运。
地铁的快速发展也引起了人们对杂散电流腐蚀问题的关注。
据不完全统计，佛山、深圳、宁波等燃气公司先后提出地铁的杂散电流对其设备造成不同程度的影响。
鉴于此，本文对地铁杂散电流的产生原因，杂散电流对地铁设备的影响，及对附近的金属管线造成的危害等方面进行分析。
并探讨运营地铁线路减少杂散电流的方法。
2 杂散电流的定义杂散电流又称迷失电流，是指不按照规定路线流动的电流。
通常，地铁采用走行钢轨回流的直流牵引供电系统，接触网与牵引变电所的正母线连接，回流轨与负母线连接。
由于回流轨具有纵向电阻，从电客车至变电所负母线之间的回流轨上就会产生电压降，电客车附近的回流轨电位相对高，形成轨道阳极区。
而回流轨与地做不到完全绝缘，因此就有正向漏泄电流流入大地，即产生杂散电流。
杂散电流从回流轨漏出后，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，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。
3 杂散电流的危害3.2 有可能影响地铁安全运营杂散电流流入电气接地装置，将引起过高的接地电位，有可能使某些设备无法正常工作，甚至会危及人身安全。
杂散电流增大，会使钢轨电位发生变化，进而引起钢轨与框架之间的电位差发生变化。
当钢轨与框架的电位差达到框架保护整定一段值时，会引起电压型框架保护报警；当钢轨与框架电位差达到或超过框架保护整定二段值，启动延时后，如电压信号一直未降低，就有可能引起牵引变电所的框架保护动作。
浅谈杂散电流及预防
浅谈杂散电流及预防摘要：为了提高对杂散电流的认识，通过对其的分析，归纳预防办法，从而更好地预防杂散电流，杜绝早爆。
关键词：杂散电流预防0 引言杂散电流也叫漏电流。
它是存在于电气网路之外（如大地、风水管、矿休和其它金属物体的杂乱无章的电流）。
这种电流分布广，一旦进入雷管或爆破网路，就容易引起早爆事故。
杂散电流是爆存人员最担心的一种早爆因素，杂散电流对电雷管的危险程度，主要是看其是否超过单发雷管的最小起爆电流。
如果杂散电流大于雷管的最小起爆电流，就有爆炸危险。
1 杂散电流的来原1.1 动力电气设略去或照明线路漏电动力电气设备或照明路线的绝缘层破坏时，容易发生漏电，尤其在潮湿环境和有金属导体时，杂散电流就更大。
1.2 架线式电机车牵引网络漏电架线式电机车的电源来自直流变电所，经配电盘输至架空裸线，通过受电弓和电动机后，由铁轨返回，当轨道接头电阻较大，轨道与巷道底板之间的过渡电阻较小的情况下，就会有大量电流流入大地，形成杂散电流。
2 杂散电流的测量2.1 由于杂散电流是杂乱无章的，被测的两点间介质的复杂多变，如有岩石矿物，金属物件，流体等。
不同介质的电阻值相差很大，因此，杂散电流的测量是十分困难的。
为了准确有效地测定杂散电流，而杂散电流测定仪的工作原理与普通电表不同，不是测定电压和电阻，而是采用等效电阻线路，直接测定出电流值，而对雷管有威胁的正是杂散电流的大小。
2.2 杂散电流测定仪的工作原理：根据等效电阻受到电流作用后，两端电压降的数值，换算成杂散电流的大小，由测定仪直接读出杂散电流的数值。
图中R为等效电阻，其中电阻相当于一个电雷管的电阻，用电压表或万用表的电压档测出图中A、B两点的电压降，然后按下式算出杂散电流I值：I=V/R式中 I—杂散电流值安培V—被测两点间的电压降伏R—等效电阻，一般仪表作R=1欧姆V—电压表R—雷管的等效电阻I—杂散电流A、B—测杂端点3 杂散电流的预防3.1 减少杂散电流的来源3.1.1 采用不用铁轨做回路的运输方式3.1.2 采用绝缘道砟或疏干巷道的方法，增加铁轨与大地的过度电阻，减少牵引网路的泄露电流。
地铁钢轨电位和杂散电流分布研究及仿真
Ｒ 和 Ｇ 可 以沿 纵 向分 为 若 干部 分 ， 每 一 部分 长 度 可 以不 同 ， 代 表不 同大 小 的 Ｒ 和 Ｇ 值 ， 形 成 ７ 【 型” 电路 网络 ｌ ２ ］ ， 如 图 ３所示 。
“
图 ６ 回流 系 统 按 均 匀 传 输 线 分 析模 型
对 ａ 点 利 用 ＫＣ Ｌ， 对 ａ ｂ ｃ ｄ 回 路 利 用
钢轨
流 。杂 散 电 流 会 对 地 下 金 属 产 生 电 化 学 腐
蚀 ］ ， 破坏 埋 地 金 属 管 线 和 混 凝 土 主 体 结 构 。
的提 高 以及 其 他 因 素 的 影
响， 钢轨 电位有 明显 升 高 ， 过 高的 钢轨 电位不 但 会对 地铁 信号设 备产 生 影响 而且 可能危 及人 身
２ ０ １ ３年第 ２ １ 卷
流路径 按 由长度 元 妇 组 成 的均匀 传 输 线 电路 模 型分 析 ， 如 图 ６所示 。
由于走 行 轨各 点 的对 地 电位 不 同 ， 泄漏 电 流亦 不 同 ， 所 以需 要 用 分 布参 数 电路 描 述走 行 轨—— 地 的 电路模 型 。图 ２中 ， 在 Ｏ ≤ｚ ≤ｚ 处，
钢轨 等效 模 型 。 表 示 列 车 注 入 钢 轨 的 电 流
或者牵 引 电流 ， Ｒ。 和 Ｒ 表 示 ｚ＜０和 ． Ｙ ｌ ７ ＞ｚ 处
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２ 一 Ｏ ９ — １ ２ 作者简 介 ： 闫 明 富（ １ ９ ８ ５ 一） ， 男， 硕士生， Ｅ — ｍａ ｉ ｌ ： ｚ ｊ ｋ ｙ ｍｆ ＠ １ ６ ３ ． ｅ ｏ ｍ； 李夏 青 （ １ ９ ５ ６ 一） ， 男， 硕士 ， 教授， 硕 士 生 导 师， Ｅ —
地铁杂散电流防护探讨
地铁杂散电流防护探讨摘要：地铁作为人们首选出行的交通工具，具有快捷、舒适等特征。
地铁的直流供电作为供电配电的配套装置，其最核心的技术是直流供电控制和保护装置，同时也是地铁直流牵引供电系统的安全可靠运行的重要保障技术。
本文根据多年工作实践，对地铁直流牵引供电的轨道保护技术进行研究。
关键词：地铁；直流牵引供电；轨道；保护技术前言近几年我国地铁建设力度不断加大，有效缓解了地面交通的压力。
地铁运行的安全及可靠性也得到人们的关注。
作为地铁列车运行的供电系统---直流牵引供电系统，是故障频发的系统之一。
直流牵引供电系统的馈线保护以微处理器为基础，用来完成对直流快速断路器的控制和保护。
保护装置集成了监测、运算、控制、输入输出及通信等多种功能。
直流控制和保护系统应具备模块化，适应能力强的特点，以满足牵引供电系统的各种需要。
由此可以看出，地铁建设中的直流牵引供电保护技术是非常重要的。
它能够对于故障及时发现与我处理，减少故障给地铁正常运营带来的经济损失。
因此，本文以地铁轨道建设为核心，对一些直流牵引供电保护技术进行了分析。
相应地，下面是某地区地铁轨道直流牵引供电系统的接线图。
一、框架泄露保护原理及作用框架泄露保护主要监测直流设备接地部分与带电部分的泄露电流及电压，当绝缘降低，存在泄露电流或电压，甚至是短路电流产生时，电流电压达到一定动作值，启动框架泄露保护，联跳相关直流及交流断路器，防止故障范围进一步扩大。
框架泄露保护属于较严重的直流系统故障，发生后人员应在第一时间内赶赴现场进行处理。
框架泄露保护主要是为了防止当直流系统设备内部绝缘降低时，设备正极与柜体发生漏电所造成的危害。
框架泄露保护是直流供电系统中特有的保护。
图 1 地铁轨道直流牵引供电系统接线图二、框架泄露保护的组成与配合框架泄露保护部件主要包括电流元件和电压元件，其主要实现电流保护和电压保护。
（1）电流元件框架泄露保护装置内设定有一个电流元件，电流元件主要包括分流器和电流检测元件，一端接设备外壳，另一端接地。
论城市轨道交通杂散电流的防护
论城市轨道交通杂散电流的防护发布时间：2023-01-13T08:58:13.339Z 来源：《建筑实践》2022年第18期作者：隽永杰[导读] 杂散电流作为影响轨道交通正常运营的关键，如果不进行有效的防护与处理隽永杰（徐州地铁运营有限公司江苏徐州 221000）摘要：杂散电流作为影响轨道交通正常运营的关键，如果不进行有效的防护与处理，不仅会影响车站、道床等建筑结构，导致安全事故发生，还会造成轨电位异常，给行车和乘车安全带来威胁。
因此，如何更好的做好杂散电流的防护，已经成为摆在建设与运营单位面前亟需解决的问题。
本文首先探讨了杂散电流的概念、特点、分布规律，产生机理及危害性，并对源控法、排流法及监测技术在城市轨道交通杂散电流防护中的应用进行研究与分析，为城市轨道交通杂散电流的防护提供资料参考。
关键词：轨道交通；杂散电流；危害性；防护策略一、杂散电流概念、特点及分布规律1.以走行轨回流的直流牵引供电系统，由于走行轨不能与道床结构完全绝缘，钢轨不可避免的向道床及其他结构泄漏电流，这种电流就是杂散电流。
杂散电流对土建结构钢筋、设备金属外壳及其他地下金属管线产生的电化学腐蚀，即杂散电流腐蚀。
2.腐蚀特点：腐蚀集中于局部位置；有防腐层时，集中于防腐层缺陷部位。
3双边供电下杂散电流分布规律牵引变电所负极附近的轨道电位为负的最大值，此处杂散电流从埋地金属结构流出，埋地金属结构为阳极，受杂散电流腐蚀最严重。
列车下部走行轨为正的最大值，杂散电流从走行轨流出，走行轨为阳极，埋地金属为阴极，此处走行轨受杂散电流腐蚀最严重。
牵引电流越大，走行轨对地电位越高，杂散电流也越大。
牵引变电所之的距离增加，在牵引电流不变的情况下，走行轨对地电位和杂散电流也随之增加。
④轨地过渡电阻越小，杂散电流强度越大，过渡电阻越大，杂散电流强度越小。
⑤走行轨纵向电阻增加，走行轨纵向电位成比例增加，走行轨对地电位增加，杂散电流也增加。
⑥埋地金属结构的纵向电阻对走行轨电位和杂散电流的影响较小。
城市轨道交通杂散电流分析刘宝军
城市轨道交通杂散电流分析刘宝军发布时间：2021-09-25T11:46:47.620Z 来源：《基层建设》2021年第15期作者：刘宝军[导读] 根据城市轨道交通直流牵引供电系统特点，结合地铁运营经验，阐述杂散电流的腐蚀机理和危害，建立杂散电流等效电路，并在此基础上推导出杂散电流的分布规律和主要影响因素，进而分析各因素对杂散电流大小的影响，最终提出杂散电流的防护措施。
北京市地铁运营有限公司供电分公司北京 100082摘要：根据城市轨道交通直流牵引供电系统特点，结合地铁运营经验，阐述杂散电流的腐蚀机理和危害，建立杂散电流等效电路，并在此基础上推导出杂散电流的分布规律和主要影响因素，进而分析各因素对杂散电流大小的影响，最终提出杂散电流的防护措施。
关键词：城市轨道交通，杂散电流，影响因素，防护措施一、杂散电流腐蚀机理及危害1、杂散电流腐蚀机理地铁杂散电流腐蚀从本质上来说是电化学腐蚀,是具有阳极过程和阴极过程的氧化还原反应，电极电位较低的金属失去电子被氧化成金属离子,金属周围介质中电极电位较高的得到电子被还原。
如果杂散电流流过区域有金属物体,则电流就会通过金属,每一股流过金属物体的杂散电流都在金属的表面形成一个电流流入点和一个电流流出点,其中金属物表面电流流出点处的金属会被逐渐电解腐蚀。
对于地下管道来说,在杂散电流作用下,阳极电流集中于管道表面某些点上,在这些点处形成微小的凹坑，随着时间的推移,这些凹坑不断变深,当发展成贯穿性小孔时,管道就会发生泄漏。
2、杂散电流危害（1）若地下杂散电流流入电气接地装置，将引起过高的接地电位，使某些设备无法正常工作；（2）对城市轨道的隧道、道床或其他建筑物的结构钢筋以及附近金属管线造成电腐蚀；1）对钢轨及其附件的影响杂散电流腐蚀经常发生在：钢轨与道钉相接触的部位、钢轨与路基相接触的底部，以及道钉自身，而且多发生在钉入部位,从地上难以发现。
2）对钢筋混凝土结构的影响杂散电流通过混凝土时对混凝土本身并不产生影响,但如果结构物中有钢筋存在,会在阴极处产生氢气使钢筋与混凝土脱开，阳极处产生的腐蚀产物堆积造成机械张力而使混凝土开裂。
浅析杂散电流
用 导体 电流 １ ＝ ＸＺ （ 。 ＋Ｚ ） 本 来 中性 ２ ， ／ Ｚ ＋Ｚ ， 线 电流 应该 沿 Ｐ Ｎ线这 个正 规 通 路 回到 电源 ， 沿 Ｅ 现
收 稿 日期 ：０ ２—０ ２１ ４—１ ０
为 了降低 Ｐ Ｅ线 的 阻抗 ， 以在人 户 处对 Ｐ 可 Ｅ线 进 线
作 者 简 介 ： 德 海 （９ ６ ） 男 ， 津 人 ， 程 师 ， 事 建筑 电 气设 计 工作 。 卢 １７ 一 ， 天 工 从
６ ２
浙
江
建
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２１ ０ ２年
第２ ９卷
重 复接 地 。
２ ２ 双 电 源 供 电 的 设 备 ．
２ ２ １ 分析 ．．
根据 图 ２ 中性线 电流 ， ， 分两部分流 回
电源 １ 即 ， 和 ，。其 中 ， ＝， ｚ ＋ｚ 。 ａ） ， ｌ ２ 。 Ｘ（ ２ ＋ｚ２ ／
（ ２＋Ｚ ｌ Ｚ２ ｌ） ／ ＝， Ｚ （ ２ ＋Ｚ ｌ ａ＋ Ｚ ＋ ａ＋Ｚ ， ２ × ｌ Ｚ ＋Ｚ２ ／
（ ） 散 电 流 如 以 大 地 为 通 路 返 回 电源 ， 能 ２杂 可 腐 蚀地 下基 础钢 筋 或金 属管 道等 金属 部 分 ； （ ） 散 电流通 路 与该 中性 线 正 规 回路 通 路 两 ３杂 者 可形 成 一个封 闭 的大 包 绕 环 ， 内 的磁 场 可 能 干 环
卢德 海
Ｕ ． ａｉ Ｄｅ ｈ
（ 江大学建筑设计研究 院， 江 杭州 ３０２ ） 浙 浙 １０ ７
摘
要 ： 绍 了杂 散 电 流 的危 害 ， 析 了 产 生 杂 散 电 流 的 途 径 ， 介 绍 了 几 种 解 决 方 法 。对 工 程 设 计 及 学 术 学 习 有 一 定 的 参 介 分 并
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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,轨地过渡电阻随列车的走行而不断发生变化;即使是同一个区段,轨地过渡电阻也因地质条件的不同而发生变化;且走行轨和埋地金属物的电阻因制作工艺和受污染程度等因素影响,并非随其走向是均匀分布的。所以,严格意义上的地铁杂散电流分布很难确定。鉴于此,本研究只针对由轨道-埋地金属-大地电阻所组成的地铁系统杂散电流分布情况。为便于分析且把握重点,采用了以下几点假设[3]:①杂散电流分布模型按单个变电所供电情况考虑;②走行轨纵向电阻是均匀分布的;③轨地过渡电 阻(轨道对地的过渡电阻)和土壤电阻是均匀分布的;④埋地金属体纵向电阻是均匀分布的;⑤馈电线路(区段供电线路)的电阻r忽略不计。轨道-埋地金属-大地的电阻及线路模型如图4所示。
图 4 轨道-埋地金属-大地的电阻分布及线路示意 图4中,0点为坐标原点,建立x,y坐标系。设Rg为轨道对埋地金属体的过渡电阻,单位为Ω·km;Rg1为埋地金属体对地的过渡电阻,单位为Ω·km;Rs为走行轨的电阻,单位为Ω/km;Rr为埋地金属体的电阻,单位为Ω/km;r为馈电线路的电阻,此处忽略不计。图4中(A)、(B)部分的细部结构如图5所示,
图 5 轨道-埋地金属-大地的电压电流分布细部示意 其中u(x)为走行轨在x处的电压,单位为V;i(x)为走行轨在x处的电流,单位为A;is(x)为轨道泄露的杂散电流,单位为A;ir(x)为由走行轨泄露的在埋地金属体中流动的杂散电流,单位为A;x为变电所距计算点的距离,单位为km;L为列车距变电所的距离,单位为km;I为变电所向列车的供电电流,单位A。
如图5(a)所示,根据基尔霍夫第一定律(电压定律∑u=0)可得:
由上式化简得: 并且由于地下埋设了金属体,杂散电流主要存 在金属体中,即:
把式(3)代入式(2)中可得: 由图5(B)可得: 把式(4)两边分别对x求导得:
且把式(5)变换形式代入式(6)中可得:
显然式(7)是二阶常系数齐次微分方程。对该式求 解可得: 其中,c1、c2为待定系数。为便于求导和转化,将上式转化为双曲函数,则表示为:
转化后仍然设待定系数为c1、c2。把上述式(8)代入式(4)中,并对其求导可得走行轨上任意点x处的 电流为:
且由图5(B)所示的轨道-埋地金属体之间的过渡电流(参与电化学腐蚀的电流)为:
正常情况下初始条件为:x=0时,i(x)=I;x=L时,i(x)=I;将初始条件代入式(9)中:
可得: 同理并注意到双曲函数转换公式:
把条件(2)代入到式(9)中,可得:
因此将系