軌道交通系統雜散電流及其腐蝕控制技術初探

摘 要：人們注意軌道交通系統直流牽引產生的雜散電流會到引起埋地金屬管線和金屬結構的劇烈腐蝕已經有近一百年，如何防止雜散電流的腐蝕在國外已做了大量的研究。但國內對這方面的研究還很不夠，本文首先簡要介紹了雜散電流腐蝕的歷史背景，接著對雜散電流的腐蝕機理、防護技術和監測等進行了論述。
關鍵詞：軌道交通、雜散電流、腐蝕控制
1.引言
在城市地鐵和輕軌等軌道交通運輸系統中，一般采用直流牽引，走行軌回流，因此，不可避免會有電流從走行軌泄入大地，對地下或地面的金屬構件如結構鋼筋、地下管線等產生嚴重的腐蝕。國內外都有大量這方面的報道。腐蝕不僅造成大量的金屬損失，更為嚴重的是，由于腐蝕的隱蔽性和突發性，一旦發生事故，往往會造成災難性的后果，如煤氣或石油管道的腐蝕穿孔；結構鋼筋的腐蝕，會破壞混凝土的整體性，降低其強度和耐久性，給安全運營帶來嚴重威脅。因此，對雜散電流腐蝕必須給予足夠的重視。國外對地鐵雜散電流的腐蝕都做了較為深入的研究，但國內對這方面的研究還很欠缺。軌道交通系統中機車是一個運動變化的負荷，地鐵雜散電流腐蝕的介質一般為土壤，情況千差萬別，影響腐蝕過程的因素太多，并隨時間變化，在理論分析的基礎上結合大量調查研究和試驗，才能提出有針對性的治理雜散電流的技術和方法。在分析清楚雜散電流分布的情況下，對新建的軌道交通系統，要在設計、施工各個階段，從實際出發，根據不同的線路施工方法、線路方案、地質狀況、不同的供電方案，相關的專業都要采取相應的技術措施，盡量減少雜散電流。對已建成的線路或因某些原因絕緣下降而產生雜散電流后，應對雜散電流腐蝕的狀況進行實時監測，采取有針對性的措施減少雜散電流對金屬結構和管線的腐蝕。
2. 歷史背景
世界上第一條電氣化軌道交通系統1835年在美國建設(Brandon, Vermont),該系統運行在一個環形軌道上，由一個蓄電池提供動力，由于蓄電池需要不斷充電，不適合于商業運行。直到十九世紀末由于發電機的發展，它能夠提供持續的電力，電氣化的軌道交通系統在商業上才變得可行。
1888年在維吉尼亞州美國第一條商業運行的電氣化鐵道投入運行(Richmond, Virginia)，在十年內，在美國有數千公里的電氣化鐵路投入運行，幾乎同時，人們在發現在電氣化鐵道的附近的地下管線和電纜遭到嚴重腐蝕，此外鐵路當局也注意到鐵軌和道釘遭到腐蝕的情況。起初，人們認為腐蝕是由土壤的化學成分造成的，很快人們就得出結論，土壤的化學組成不可能造成如此嚴重的腐蝕，此后的一些調查發現，從電氣化鐵路運行軌道泄漏的電流是造成腐蝕的主要原因。
許多早期的研究提出了一些切實可行的在當時的技術條件下可能最好的消除雜散電流影響的工程解決方案。但大多數方案都會對附近的設施造成災難性的影響，一個常見的做法是將軌道連接到附近的與之平行的水管或其它管線上，想法是給電流提供一個金屬通路，減少通過鐵軌和其它鐵路結構的電流。這種方法雖然減輕了雜散電流對鐵路結構本身的腐蝕，但由于將軌道連接到附近的設施上，必然有電流通過臨近的設施，在電流離開返回軌道時，將會對臨近的結構造成腐蝕。直到1910年，美國國家標準局開始了長達11年的關于雜散電流腐蝕的研究。1921年推薦采用下列方法在軌道交通公司一方減少雜散電流的泄漏：
1. 足夠的雙軌間的連接。
2. 在考慮系統經濟的情況下，盡量減小變電所之間的距離。
3. 隔離負饋線（鋼軌）。
4. 使用四軌牽引供電系統。
前三項措施被應用在許多軌道交通系統中，使雜散電流下降。第四項措施沒有被廣泛采用，可能是因為建設第四軌需要增加投資。不久就意識到雜散電流腐蝕依然發生，仍然需要采取進一步的措施控制雜散電流的泄漏，特別是地下的結構。美國國家標準局的報告推薦了幾條對地下結構適用的措施，它們是：
1. 在軌道附近的新建結構要仔細選擇位置。
2. 避免電纜與管線和其它結構接觸。
3. 管線和電纜的金屬鎧裝要絕緣。
4. 對結構使用絕緣涂層。
5. 使受腐蝕影響的結構相互連接并與地鐵的回流電路相連
這些措施代表了當時最好的減少雜散電流和腐蝕方法。其基本原理到目前為止仍然有效，并且形成了當今雜散電流控制設計的基礎。然而對上述第5項措施需進一步說明，地鐵結構和回流電路之間的連接只能作為其它措施的補充或一個臨時措施。因為它降低了回流的電阻增加了雜散電流的數量，排流不應作為高軌地電阻的替代。現代的排流也不是簡單的直接排流，而往往是將排流和軌道電位的限制與接地結合等綜合考慮的智能排流。
1920年以后，電氣化軌道交通系統的建設數量大幅下降，雜散電流腐蝕問題沒有能夠進一步的深入研究。直到二十世紀50年代和60年代，大量新建的快速軌道交通系統，大大增加了雜散電流的腐蝕，使雜散電流腐蝕和控制又成為一個重要的課題。
3.雜散電流腐蝕機理
金屬材料與其環境介質發生化學的和電化學的反應而引起材料的退化和破壞稱為金屬的腐蝕。與機械磨損不同，多數情況下，金屬材料的腐蝕破壞是由于它逐漸喪失了金屬特性，由單質轉變為熱力學上更為穩定的化合態。腐蝕過程中金屬原子丟失電子，發生了氧化反應，金屬腐蝕的必要條件是存在氧化劑。金屬腐蝕有不同的分類方法，按照反應的化學屬性可分為化學腐蝕和電化學腐蝕。
化學腐蝕是金屬表面與環境介質發生直接的化學反應而引起的破壞，其特點是反應過程中沒有電流產生。電化學腐蝕是金屬在電解質溶液或潮濕金屬表面發生的破壞。與化學腐蝕相比電化學腐蝕在進行過程中有電流產生。
電化學腐蝕的發生一般應具備以下四個缺一不可條件：
1. 必須有陰極和陽極。
2. 陰極和陽極之間必須有電位差。
3. 陰極和陽極之間必須有金屬的電流通道。
4. 陰極和陽極必須浸在電解質中，該電解質中有流動的自由離子。
一旦具備以上條件，腐蝕電池即形成。換言之，金屬開始發生電化學腐蝕。然而，上述四項條件中，我們只要阻止其中一項，即可阻止金屬的電化學腐蝕。而電化學腐蝕是軌道交通系統金屬腐蝕的主要腐蝕形式。雜散電流又稱迷流，雜散電流引起的腐蝕比自然腐蝕要劇烈得多。雜散電流一旦流入埋地金屬體，再從金屬體流出，進入大地或水中，則在電流流出的部位（陽極區）發生腐蝕。在陽極，金屬被氧化形成離子進入電解質，同時釋放電子，對鐵來說，一般反應如下：

2 Fe ? 2 Fe2+ + 4 e–

在充氣的電解質中，在陰極發生如下反應：

O2 + H2O + 4 e– ? 4 OH–.

在缺氧或酸性環境中，將發生如下反應，有氫氣析出：

4 H2O+4 e– ? 4 OH–+2 H2

鐵離子和氫氧根離子生成氫氧化亞鐵，或進一步生成我們經常看到的鐵銹。
由雜散電流引起的腐蝕簡稱電蝕，有如下特點：
腐蝕激烈
腐蝕集中于局部位置
當有防腐層時，往往集中于防腐層的缺陷部位
4. 雜散電流的控制
現代雜散電流控制技術基本遵從和美國國家標準局1921年報告相同的基本原則和要點,但應用了一些現代的先進技術,如采用新的道床材料和電力電子技術等。通常,這些控制措施被分為兩類:
(1)改進軌道交通系統
(2)改進軌道交通系統附近的地下結構
主要通過以下一項或多項措施來實現:
減小回流軌的電阻
增加泄漏路徑對地電阻
增加大地和地下金屬結構之間的電阻
增加地下金屬結構的電阻
前兩項措施和改進軌道交通系統有關,將在下面進一步討論。后兩項措施和改進地下金屬結構有關,將不展開討論。
1）減小回流軌的電阻
如果回流軌電阻高，將導致軌道壓降增加，在一定的軌-地回路電阻下，將導致雜散電流泄漏增加。減少沿回流軌的壓降的方法如下：
增加回流軌的截面積
足夠軌道之間的連接
減少兩個牽引變電所之間的距離
歷史上，在國外軌道的截面積是一個問題，因為國外早期電氣化的軌道交通系統經常是建在已有的用馬拉的有軌車的軌道上。而這些軌道截面積較小，沒有提供為回流提供足夠的低阻通路。目前，國內外所有的軌道交通系統都使用了較大截面積的軌道，它能夠為回流提供足夠低的回流電阻，因此，軌道的截面積不是現代軌道交通系統設計的一個問題。第二項減小運行軌的電阻的重要措施是為回流提供一個連續的電氣通路。這是通過使用連續焊接的鋼軌來實現，這已成為新建軌道交通系統的標準做法。或者使用電纜將不連續的軌道連接起來，這種做法常用在舊的軌道交通系統和特殊的軌道段如渡線和岔線。此外，每隔一定的距離將兩條軌道并聯起來，進一步減小軌道電阻，這是一項有效的措施。第三項用來減少回流電阻的措施是減小變電所之間的距離。減小變電所之間的距離這就減低了軌道壓降，當然雜散電流就減少了。當今電力牽引的軌道交通系統，變電所之間的距離大多在1-3公里左右。國外一些舊的軌道交通系統也按照這個標準進行改造。同時，牽引變電所一般都在車站內，這在減少雜散電流方面也是有好處的，因為在車站附近為了給機車加速，機車需要的電流是很大的，而回流軌的長度很短，從而回流軌的壓降是最小的。
2）增加泄漏路徑對地電阻
增加泄漏路徑對地電阻是減小雜散電流非常有效的措施。常用的四項增加泄漏路徑電阻的措施是：（1）增加軌道對地電阻，（2）使用不接地或二極管接地的回流電路，（3）車輛段的軌道的絕緣隔離，（4）正線軌道的分段處理。由于用于軌道和絕緣材料的進展，使得設計高的軌道對地電阻變得容易了，主要是通過使用絕緣軌道扣件和絕緣墊。第二項增加泄漏路徑對地電阻的措施是使用不接地或二極管接地的供電系統。一般來說，軌道交通得供電系統可以設計成直接接地、二極管接地或不接地，每一種系統都有優點和缺點。
直接接地系統，歷史上曾經用于老式的軌道交通系統，它是19世紀末期“將所有的物體連接到一起，讓電流通過”哲學的應用。直接接地系統在現代軌道交通系統中已經沒有使用，主要是用于它引起的問題比它解決的問題多。直接接地系統的主要特性是將變電所的地線和整流柜的負母線通過金屬相連，不存在軌道和大地的絕緣。這樣的設計允許雜散電流在整流柜的負母線和任何地下金屬通路之間流通。
結果導致雜散電流腐蝕經常發生在軌道、軌道扣件、隧道、橋梁和其它軌道交通系統的結構等處。直接接地的唯一好處是整流柜負極的電壓和大地的電壓一樣。這樣就消除了車站站臺和大地之間有電壓的危險。這個電壓處理不好對乘客是有危險的。不接地系統代表了牽引供電系統設計的另一個極端。不接地系統在大地和變電所的整流柜的母線之間沒有直接得金屬相連。軌道扣件的絕緣對維持高的軌道對地電阻同樣重要。從理論上講，不接地系統的雜散電流應該足夠低，只要沿軌道沒有發生軌道對地短路。實際上，由于系統有成千上萬得扣件，短路確實存在。另外，一些特殊的線路通常是很難做到完全絕緣的。不接地系統的一個缺點是在站臺和大地之間可能形成足夠高的電壓。然而，目前由于高速斷路器、過壓保護設備和站臺絕緣措施的進展，大大的減小了危險。
二極管接地系統是直接接地系統和不接地系統的折中。它常用來消除由直接接地系統引起的雜散電流腐蝕問題，但電壓可保持在安全水平上。二極管接地系統通過二極管電路使整流柜的母線與變電所的地線相連。二極管電路達到一定的門檻電壓允許電流從地線流向整流柜的負母線。門檻電壓根據變電所的具體情況可調。二極管接地系統同樣要求遵從上面推薦的方法，如維持高的軌道對地電阻等。對二極管接地系統雜散電流腐蝕仍然可能發生，特別是軌道和軌道扣件處，其處的高的軌道對地電阻很難保持，此外，對于二極管接地系統，當回流軌的電壓達到門檻電壓以后，就會有電流流過。國外曾有設計壽命為35年的軌道，由于雜散電流腐蝕和軌道裂縫不得不7年就更換。其它兩項增加泄漏路徑電阻的措施是對車輛段的軌道進行絕緣隔離和對正線上雜散電流泄漏集中的區域的軌道進行絕緣隔離。對軌道的絕緣隔離導致這一段軌道對地電阻的增加。將車輛段和正線隔離避免了正線運行軌較高的電壓施加在車輛段的軌道上，而車輛段的軌道電壓一般較低，這對降低車輛段的雜散電流是有效的。
5.雜散電流的監測
軌道交通部門利用雜散電流監測數據來決定采用什么樣的控制措施。雜散電流的監測可是簡單的目測連接電纜的狀況，以保持回流軌的低電阻，也可請專業人員對特殊的地段進行雜散電流腐蝕狀況的調查。但現代新建的軌道交通系統都要求預留測防端子和預裝參考電極，在需要時可配備雜散電流的檢測系統，對雜散電流腐蝕的可能性進行實時監測。雜散電流的調查一般是指軌道交通系統的結構如車站處的的軌道對地電阻和腐蝕電勢。其它雜散電流的監測包括對軌道對地電壓、泄漏電流、指定的金屬結構對負母線的電壓和從牽引變電所饋出的總電流等的測量。這些測量用于對當前雜散電流和雜散電流腐蝕的評估。中華人民共和國行業標準－地鐵雜散電流防護技術規程CJJ 49-92的規定：隧道結構的外表面，受雜散電流腐蝕危害控制指標是由泄漏電流引起的結構電壓偏離自然電位數值。對于鋼筋混凝土地鐵主體結構的鋼筋，上述極化電壓的正向偏移平均值不應超過0.5V。一般軌道交通系統的雜散電流監測系統主要是監測雜散電流對結構鋼筋的腐蝕可能，因此主要監測結構鋼筋的極化電壓。
6.結束語
鑒于雜散電流對地下金屬結構、管線設施的腐蝕極為嚴重，如每安培電流每年可使鋼鐵腐蝕約 9.1 kg因而，它所造成的危害將是極為嚴重的，軌道交通系統中機車是一個運動變化的負荷，地鐵雜散電流腐蝕的介質一般為土壤，情況千差萬別，影響腐蝕過程的因素太多，并隨時間變化，但只要我們在理論分析的基礎上結合現場調查研究和試驗，采取有針對性的治理雜散電流的技術和方法。在分析清楚雜散電流分布的情況下，在軌道交通系統的設計、施工各個階段，從實際出發，根據不同的線路施工方法、線路方案、地質狀況、不同的供電方案，分別對相關的專業采取不同的技術措施，盡量減少雜散電流。總之，對雜散電流的腐蝕及其可能造成的嚴重后果必須給予足夠的重視，貫徹“以堵為主，以排為輔”的原則，同時結合科學的監測，將雜散電流的腐蝕防護和系統的接地、人身和設備安全、結構的耐久性等統一考慮。
參考文獻
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