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城市轨道交通牵引供电系统杂散电流防护
张海波
【摘要】杂散电流腐蚀对城市轨道交通建筑主体结构会产生很大的危害,造成工程
上的安全隐患,因此,应在工程设计和施工中给予高度重视.从电腐蚀原理、杂散电流
成因、杂散电流简易计算分析,以及杂散电流防护等方面进行阐述,分析杂散电流的
防护方向和相关防护措施,以供其它城市轨道交通项目参考.
【期刊名称】《城市轨道交通研究》
【年(卷),期】2010(013)001
【总页数】5 页(P76-80)
【关键词】城市轨道交通;牵引供电系统;杂散电流防护
【作者】张海波
【作者单位】铁道第三勘察设计院集团有限公司电化电信处,300251,天津
【正文语种】中 文
【中图分类】U284.25
杂散电流腐蚀是一个日积月累的渐进过程,其危害是逐步显现的,而杂散电流防护是
隐蔽工程,在工程建设中往往被忽视。杂散电流的腐蚀对象一般是重要的金属结构
物,如车站结构、隧道结构、金属性结构的水管或消防管道等。这些金属结构物一
旦被腐蚀损害,不但会带来重大安全隐患,还不易进行大规模检修或更换,因此杂散电
流的防护应引起各方特别是土建设计和施工单位的重视。
本文从腐蚀机理、杂散电流的产生、简单数学分析等方面进行阐述,力求归纳出杂
散电流的防护方向,并提供工程上可供参考的杂散电流防护办法。
1 直流杂散电流腐蚀的起因
直流电气化线路引起的杂散电流腐蚀的原理简图如图 1 所示。城市轨道交通线路
的钢轨敷设在道床上时,在钢轨和道床之间都设置了绝缘垫层。该垫层的绝缘电阻
在 106 ~108Ω之间,可以认为钢轨与大地是电气隔离的。随着线路的运营,诸如油
渍、渗水、轮轨间磨耗产生的铁粉等污垢引起钢轨与大地之间的绝缘减弱,从而使
钢轨上的一部分回流电流流入了大地,这样就产生了杂散电流。这些杂散电流将在
金属结构物(如道床结构钢筋、隧道或车站结构钢筋及埋设在其中的一些金属管线)
中流动,并产生一定的腐蚀。其中运动中的牵引机车(牵引和再生制动状态下)就成为
一个运动的杂散电流源。
从电化学本质来讲,图 1 中引起金属结构物腐蚀的实质是一个电解电池的作用。在
杂散电流所形成的电解腐蚀电池中,对于埋地金属结构物而言,杂散电流进入金属结
构物的区域(正电流从土壤或水泥流入金属结构物),其电位相对较高;此处为腐蚀电
池的阴极区,在金属结构物表面将发生消耗电子的阴极还原反应。而杂散电流离开
金属结构物进入土壤或水泥的区域,其电位相对较低;此处为腐蚀电池的阳极,在金属
结构物表面将发生阳极氧化反应,即金属原子放出电子而转变成离子态的腐蚀反应。
图 1 直流电气化线路引起的杂散电流腐蚀的原理简图
2 泄漏电流的简易计算分析
泄漏电流的大小和分布与牵引变电所的分布、馈电区段、负荷情况、牵引网系统以
及钢轨对地电阻等因素有关,土壤电阻率对其也有很大影响,所以泄漏电流的计算是
非常复杂的。既便获得计算结果,也很难完全表达实际情况。泄漏电流的实测也非
常困难。但通过简易计算分析,可对泄漏电流有一个宏观的、基本的理解,为采取杂
散电流腐蚀防护对策提供理论帮助。泄漏电流简易计算示意图如图 2 所示。
图 2 泄漏电流简易计算示意说明
距离 N 点 x 公里处的任意点 P 的轨电位 VP=I·r·x,P 点处单位长度钢轨的泄漏电流
iP=则泄漏电流的总和 iL 是 iP 自 N 点到 A 点的积分:
式中:
I——负荷电流;
r——钢轨纵向电阻;
L——机车与供电所的区间长度;
ω——钢轨的泄漏阻抗。
从上式可以看出,钢轨泄漏电流 iL 与 I、r、L 成正比,与 ω 成反比。因此,减少杂散
电流的最重要措施有:
①相互联结在一起的回流网络具有良好的电连续性(降低 r 值);
②钢轨与土壤具有良好的电绝缘(增大 ω 值);
③实现多点供电,减少单一变电站的供电范围(减少 L)。
3 杂散电流防护方案
目前,城市轨道交通工程杂散电流防护一般采用两种方式:一种是隔离方式,另一种为
排流方式。
3.1 隔离方案
所谓隔离方式,就是加强钢轨与地之间的绝缘水平,尽量避免杂散电流泄漏到道床及
其他建筑结构中。隔离法严格遵循“以防为主”的防护原则,以最大程度地减少杂
散电流的泄漏量。其通常采取的措施有:
(1)在钢轨固定扣件下设置绝缘垫板,其绝缘电阻在 106 ~108Ω 之间。
(2)在道床和其他建筑结构之间设置一层绝缘层 (或绝缘隔板),其绝缘电阻在 106 ~
108Ω 之间。这种防护方式目前在国内工程中还没有采用过,但在国外类似工程中
已有应用,对杂散电流的防护效果非常好。
(3)设置杂
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