0 引言
随着国民经济的持续快速增长、城市化进程的加快以及城市交通事业的迅猛发展，我国的城市轨道交通也得到了长足的发展。轨道交通以其运载量大、速度快、安全舒适等技术优势逐渐成为我国主要的城市交通工具。截至2011年8月底，全国已建成轨道交通线路总长达1 568 km，建成线路50条，运营车站总数995座。与此同时，全国有30多个城市近期轨道交通建设规划获批。其中又有20个城市在规划期内调整、扩大了轨道交通建设的规模。另外，还有9个新申报城市的规划正在进行审核。未来几年我国城市轨道交通运营总里程将会有更大幅度的高速增长。根据目前的统计数据分析，我国城市建设运营轨道交通的总里程是世界轨道交通总里程的13%，到2020年，这一比例有很大可能提高到15%。但是，由于当前城市地铁大都采用走行轨回流的直流牵引供电方式，在运营中将不可避免地产生杂散电流。流经大地的杂散电流会对地铁周围的埋地金属管道、通讯电缆外皮以及钢筋等造成破坏，使其发生电化学腐蚀，缩短金属管线的使用寿命，降低钢筋混凝土主体结构的整体强度，甚至酿成灾难性的地铁事故。而且，地铁结构经过若干年运营后，如果发生杂散电流腐蚀，对主体结构进行翻修的工作十分困难。
本研究通过对城市轨道交通杂散电流的特性和分布的研究，提出建立一套杂散电流综合监测与防治系统，用于实时在线监测地铁全线的杂散电流分布及对周围金属结构物的腐蚀情况，结合排流柜的应用，根据监测的情况控制排流，从而将杂散电流的影响减少至最低限度。
1 杂散电流的产生
目前，地铁的牵引供电方式一般都采用直流供电方式。牵引电流从牵引变电所（站）的正极出发，经由接触网（轨），电车以及回流轨（走行轨）返回牵引变电所（站）的负极。但是走行轨与隧道或者道床等结构钢之间的绝缘电阻并不是无限大（即不是完全的绝缘），这样牵引电流流经走行轨时不能全部经由走行轨流回到牵引变电所（站）的负极，其中就有一部分牵引电流会泄漏到隧道或道床等结构钢上，然后再经过结构钢以及大地流回牵引变电所（站）的负极，本研究把这部分泄漏到结构钢和大地上的电流称为杂散电流。城市轨道交通牵引供电系统杂散电流腐蚀原理图如图1所示。
图1 城市轨道交通牵引供电系统杂散电流腐蚀原理图
2 杂散电流的危害
杂散电流腐蚀要比一般的土壤腐蚀或电偶腐蚀破坏力要强得多。杂散电流的腐蚀是长期的积累效应，大部分是穿孔形式，多发生在金属管线与钢轨的跨越交叉处以及卡固支架部位附近。据统计，旧式的运输系统设计中每300 m可以产生20 A~200 A的大地杂散电流；新式的运输系统设计中已经针对杂散电流作了适当的设计，以便把大地杂散电流减小到最低水平。但经济因素和其他因素的制约使杂散电流难以进一步减小。因此杂散电流引起的腐蚀仍然相当普遍地存在。
总的来说，杂散电流腐蚀危害主要体现在以下几个方面：
（1）杂散电流对钢轨及其附件的电腐蚀。轨道交通系统隧道内的金属结构件及其他地下金属设施对杂散电流有汇聚作用，杂散电流在其中流进、流出会产生严重的电腐蚀。由于这些腐蚀往往产生于内部，从外观很难发现，一旦发现，已经腐蚀透了，必须更换钢轨，造成较大的经济损失，危害更大。
（2）杂散电流对钢筋混凝土金属结构物的电腐蚀。杂散电流通过混凝土时对混凝土本身并不产生影响。但因为混凝土中存在钢筋，杂散电流从混凝土中进入钢筋，又从钢筋流入混凝土，在电流离开钢筋返回混凝土的部位，钢筋呈阳性并发生腐蚀，腐蚀产生物排挤混凝土而使之开裂，破坏了混凝土的整体强度和使用寿命。如果混凝土内的钢筋直接与钢轨有点接触，更容易受到杂散电流的腐蚀。
（3）杂散电流对埋地管线的电腐蚀。地铁系统附近的埋地管线主要有自来水管、石油管线、液化气管线等，这些管线由于存在金属结构，在投入使用一段时间后都会受到杂散电流的不同程度的腐蚀，对人民群众的生活和生命财产造成严重的影响。
（4）杂散电流会危及地铁乘客的安全。在站台上，当轨道交通车厢与站台之间的电位差很高时，人在上车时就会有触电的危险。为了保护乘客和铁路员工的安全，免遭钢轨和结构钢间存在的接触电压的损害，德标准VDE0115中规定：轨道与结构钢间的电位差（接触电压）不得超过92 V。
（5）杂散电流会烧毁排流设备，从而影响地铁安全运营。在施工时一般会在轨道与枕木之间加有绝缘物来隔离，一旦绝缘物遭到破坏，轨道与排流网短路，此时将会产生较大的杂散电流，通过排流网、排流柜流回牵引变电所，由于排流柜中的核心元件排流二极管的容量有限，一般通流能力不超过200 A，过大的杂散电流可能烧毁排流柜，广州地铁曾经出过类似的事故。
（6）杂散电流对通信的影响。电车的受电弓（靴）会产生的电猝发和浪涌，对附近的通信设备和精密仪器造成干扰。杂散电流的存在会产生电位差，从而影响测量和通信数据的传送。VOV和CISPR（国际无线电干扰特委会）都认为距离接触导线周围10 m内存在场强干扰无线电的传送。对于市区内的各种电车来说这一点都有可能影响到设备的正常运营。特别是在雷雨天气，这种干扰会有累积效果。
（7）异常情况下产生杂散电流的腐蚀。如果施工现场的绝缘措施发生异常，存在不良绝缘现象，钢轨与建筑物之间容易发生电连接，从而产生异常的杂散电流腐蚀。
3 杂散电流腐蚀的监测
在做到“以防为主，以排为辅，防排结合”的同时，工作人员还需要加强对杂散电流的监测工作。根据目前的技术水平、新材料的应用以及加工工艺能力，研究者针对排流的设计已经做了很多工作和努力，这个方面现已处于瓶颈，研究者应该将更多的精力投放在杂散电流的检测设计上。杂散电流监测系统可为运营后杂散电流腐蚀的防护提供准确的数据，并成为指导维护与保养工作的依据。
杂散电流监测系统由传感器、信号转接器及自动监测装置组成，主要监测泄漏量及极化电压。中华人民共和国行业标准CJJ49-92《地铁杂散电流防护技术规程》规定：对于钢筋混凝土地铁主体结构的钢筋，上述极化电压的正向偏移平均值不应超过0.5 V。
杂散电流监测系统工作原理：首先，监测装置发出数据采集命令给信号转换器，由信号转换器将命令发送到传感器上，传感器接到命令开始采集数据，并将采集到的数据按指定的格式发送到信号转换器上，再由信号转换器进行地址处理后发送回监测装置上。
参比电极都设置在轨道或隧道结构上，它被用来测试结构钢的极化电位，而极化电位的高低能够反映结构钢的腐蚀程度。在这里，参比电极起着接地极的作用。传感器主要监测两个电压信号：参比电极与结构钢的极化电压以及轨道与结构钢的极化电压。
由于杂散电流不能直接测量，通常研究者都会采用间接办法（即测量极化电压）来反映杂散电流对结构件的腐蚀程度。结构件表面向周围泄漏的电流密度越大，遭受杂散电流腐蚀的程度越高，因此可以通过测量结构体表面向周围泄漏的电流密度来监控杂散电流腐蚀。但由于在实际应用中电流密度难以直接测量，只有通过测量结构件电位极化的偏移来进行判断，也即测量极化电压。
杂散电流监测的主要参数包括：参考电极的本体电位、结构件极化电位、轨道与结构件支件的过渡电阻、钢轨对结构件的电压、钢轨纵向电阻等。目前国内外已经有专用的杂散电流检测仪器，如国内南通博飞自主研发生产BF-069杂散电流检测仪，英国雷迪SCM杂散电流测试仪等等。这种测量仪器能够实现：在地面就可快速评估管道中的杂散电流，对杂散电流进行监测，定位杂散电流汇集流入点及流出点，快速评估杂散电流的效果，长达24小时的数据采集及成果存档。
目前国内杂散电流监测方法存在模拟量传输距离过长、监测数据误差较大或监测参数欠缺的问题。现有的监测方案有：排流柜监测、分散式杂散电流监测、集中式杂散电流监测、分布式杂散电流监测等。其中分布式杂散电流监测系统更加符合城市轨道交通的需要，日益成为杂散电流监测系统的主流。
4 杂散电流腐蚀的防护
从理论上讲，通过消除杂散电流的泄漏即可防止杂散电流腐蚀，但这在经济上几乎不可能，而且完全消除杂散电流的技术难度还很大。在当今的生产实践中，一方面要尽可能减小电流的泄漏量，另一方面要采取相应的措施分别对各种设施进行保护。
关于防护杂散电流的方法，现在的主流设计思想是“以防为主，以排为辅，防排结合，加强监测”。以防为主，就是隔离和控制杂散电流产生和泄漏的所有可能的途径，尽量减少杂散电流进入地铁的主体结构、设备以及相关设施；以排为辅，就是通过杂散电流的收集和排流系统，提供杂散电流返回至牵引变电所负母线的通路，防止其继续向本系统外泄漏，以减少腐蚀；加强监测，就是要有完备的杂散电流监测系统，监视、测量杂散电流的大小，为运营维护提供依据。单单只使用“防”或者“排”都存在着缺陷，效果都不显著，只有防排结合才能更好地防治杂散电流的腐蚀。
杂散电流腐蚀的防护方法主要包括源控法和排流法。源控法是以“防”为主，尽量减少杂散电流的产生和流通，属于被动型防护方案；排流法是以“排”为主，就是加大对杂散电流的监控和收集力度，将杂散电流通过安全的方式疏导出去，属于主动型防护方案。针对杂散电流腐蚀的危害，目前已建或在建的城市轨道交通工程中采用了很多具体而有效的防护策略：
（1）降低回路电压，保持对地的良好绝缘是限制杂散电流的最重要措施。保持对地的良好绝缘，就是控制回路电阻。回路电压和回路电流是成正比关系的。通过降低回路电压，能够有效地减少杂散电流的产生。
为此可采取以下几种方法实现：
① 设计时选择合适的变电所间的距离。杂散电流值与列车到牵引变电所距离的平方成正比，变电所间距越长，杂散电流越大。
② 尽量在牵引网中采用双边供电。因为在牵引网制式、牵引变电所间距以及走行轨电阻等条件相同的情况下，采用双边供电相对于采用单边供电，其牵引电流值减小近一倍，而杂散电流值仅为单边供电的1/4。城轨交通中除端头站的牵引变电所采用单边供电外，正线的牵引变电所均采用双边供电方式。此外停车场或车辆段可根据需要单独设置牵引变电所。
③ 安装与走行轨并行的导线，并将其在短距离间隔内与走行轨连接。走行轨与地之间要保持一定距离：根据《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》（CJJ49-92）中的规定，道床面至走行轨地面的间隙应不小于30 mm。
④ 走行轨尽量选用重型轨（如60 kg/m型轨），并焊接成长型钢轨。钢轨接头电阻应小于5 m长的回流轨电阻，以减少回流电阻。若研究者采用短钢轨，则应用鱼尾板连接，并在道岔与辙岔的连接部位的两根钢轨之间加焊一根120 mm2及以上的绝缘铜电缆连接线，采用满焊工艺，保证焊接可靠性。
⑤ 加强走行轨对地绝缘。钢轨与轨枕或整体道床间采用绝缘法安装，保证钢轨对轨枕或整体道床的泄漏电阻不小于15 Ω·km。为此，在钢轨与混凝土轨枕之间，在紧固螺栓、道钉与混凝土轨枕之间，在扣件与混凝土轨枕之间，研究者要采取绝缘措施，加强轨道对道床的绝缘，以减少钢轨对地的泄漏电流。
（2）利用如图2所示的杂散电流收集网，减少杂散电流扩散。杂散电流的扩散是钢轨发生腐蚀的根本原因。常见应对方法有：
图2 杂散电流收集网
① 在条件允许的情况下，尽可能增强整体道床结构与隧道、车站间的绝缘。杂散电流道床收集网钢筋与走行轨之间需要进行绝缘处理，道床收集网钢筋与主体结构钢筋之间也应该避免有导电金属连通。
② 在高架桥区段，桥梁与桥墩之间加橡胶绝缘垫，实现桥梁内部结构钢筋与桥墩结构钢筋绝缘，防止杂散电流对桥墩结构钢筋的腐蚀。现浇混凝土简支箱梁内部的表面钢筋网与主体结构钢筋网焊接，作为排流的通道，是杂散电流防护的第一道防线，同时用铜排引出结构表面作为排流铜端子，然后利用电缆把每段排流铜端子连接起来，再通过安装在变电所内的排流柜，把散落在区间的杂散电流排流到直流供电系统，起到杂散电流的防护作用。同时，铜端子也可作为杂散电流监测系统的监测点。
③ 在盾构区间隧道，采用隔离法对盾构管片结构钢筋进行保护。盾构隧道区间是由圆形管片一片一片通过螺栓连接在一起，每个盾构管片内有结构钢筋。按杂散电流专业的要求，每个管片内结构钢筋成网状，焊接在一起，使管片内部结构钢筋电气连通，通过钢垫圈将电气连接点良好引出。隧道管片拼装作业时，通过螺栓和螺母将各隧道管片结构钢筋全部电气连通，形成等电位体。环、纵两向通过螺栓将每块管片、每环管片连成一体，形成一个法拉第笼，对地铁进行电气屏蔽，以防止地铁杂散电流对外泄漏，减少对地下环境的污染。
④ 在过江隧道的轨道两端设立单向导通装置，与其他线路单向隔离。一般是在过江隧道两端钢轨绝缘结处各安装一台单向导通装置，利用单向导通装置中的二极管单向导通的特性，使杂散电流只能从过江隧道里面向外面流，而外面的杂散电流不能流进过江隧道内；同时为确保回流的畅通，研究者用电缆将过江隧道两侧的轨道连接起来，从而减少过江隧道的杂散电流。
⑤ 保证隧道、地下车站主体结构的防水层设有畅通的排水设施，具有良好的防水性能和电气绝缘性能。道床混凝土层要有一定厚度，也能提高收集网与走行轨之间的绝缘性能。
⑥ 在牵引变电所内设置杂散电流排流装置。当轨道绝缘性下降、杂散电流增大时，系统能及时通过智能排流装置收集和导走杂散电流，从而保护整个轨道。该方案比较成熟，已经成为当今轨道交通业内有效阻止发生杂散电流腐蚀的主导方案。
⑦ 广泛使用阴极保护，避免杂散电流腐蚀。阴极保护行业在国内的发展已日趋成熟，随着行业及国家标准的日趋完善，阴极保护专业技术与实际性能也越来越被长输管线及储油罐大型项目的投资者所青睐，过去投资过的项目通过几年的检测与评估表明确实达到了良好的效果。
⑧ 加强日常的运营维护工作。日常的保养和维护能够延长绝缘装置等设备的使用寿命，并使工作人员能够及早得发现安全隐患，从而避免杂散电流泄漏进大地，对钢轨等设施造成腐蚀。
⑨ 其他杂散电流防护方法。其他有效减少杂散电流产生的方法还有很多，如青木敏雄提出保持钢轨电压恒定的方法，即保持钢轨上各处电压相同，从而消除钢轨电位差。三木邦敏采用的是向埋地电极施加电流的方法来吸收杂散电流，从而达到减轻杂散电流腐蚀的危害。易友祥等提出了对杂散电流进行自动跟踪补偿，来减少杂散电流数量的积极的防护方案。还有从根源上减少杂散电流的吸流变压器法，以及第四轨回流法：西门子公司建议的第四轨回流方案效果很明显，但投资较高。
5 排流法的典型应用——排流柜
对于新建城市轨道交通工程，无论源控法还是排流法都不是独立存在的，研究者只有依靠两者间的相互结合，才能更加有效地控制甚至避免杂散电流对轨道交通系统的损害。为了有效减少杂散电流的产生，一般通过加强走行轨对地绝缘、保证牵引回流畅通等方法来实现。但随着投入运行时间的推移，当走行轨对地绝缘水平逐渐下降时，杂散电流就有可能会超标，这时候就需要投入使用排流装置。在工程建设中，需要设置合理的杂散电流收集网及其排流装置，必要时可将杂散电流引回牵引变电所的负极。
鉴于源控法是被动型防治杂散电流方法，而排流法是积极主动地防治杂散电流的方法，更有现实意义。首先排流法的原理是将金属结构中的杂散电流人为地回流到钢轨或者变电所的方法。排流法分为直接排流法、极性排流法、强制排流法3种。其中极性排流法由于成本低、工作可靠，在轨道交通系统中的应用最为广泛有效。
目前应用在地铁线路的排流柜分为两种：手动排流柜和智能排流柜（自动排流柜）。城市轨道交通中采用的智能型排流柜采用极性排流的原理，即只有当需要排流的金属型结构相对于钢轨的负母线电位为正时，才会有电流通过，把轨道上泄漏到金属结构上的杂散电流直接排到钢轨的负母线上，从而减少杂散电流的腐蚀。
排流柜除了可以应用于地铁系统外，还可以应用于输油管道、煤气管道等领域，防止杂散电流腐蚀引发重大事故的发生。伴随着国内城市轨道的蓬勃发展，高可靠性、智能化、易维护的智能排流设备将会更加受到用户的青睐。
图3 排流柜原理图
排流柜原理图如图3所示。排流柜主要由硅二极管VD、固定限流电阻R2 、可调电阻R1 、保护部分、显示部分和自动排流部分组成。硅二极管VD为主回路的核心元件，它利用了二极管VD正向导通、、反向截止的特性，从而实现了杂散电流的极性排流。因此，杂散电流只能从排流网单向流进负母线，而不允许从负母线流出。一旦硅二极管VD被破坏，电路信号将会因此发生错乱而造成重大事故。排流柜的检测回路由单片机控制系统来控制。它可以实时采集排流柜的工作电压、工作电流以及主回路的故障状态等等，从而实时监控排流柜的工作状态以及各个主器件的工作情况，然后又实时地将检测数据在控制面板上显示，并能够通过远程故障输出系统把故障的触点信号远传到控制室内。同时为了与其他监控系统连接，实现协同检测，排流柜的控制系统均配备有标准的RS485接口。
智能排流柜安装于正线各牵引降压混合变电所内，为泄漏至道床、隧道及其他金属结构的杂散电流提供至牵引直流电源负极的单向通路，以减少杂散电流对结构钢筋和其他金属结构的腐蚀，根据用户需求供电电压分为DC750/DC1 500 V。
图4 SCDD排流柜
镇江大全赛雪龙牵引电气有限公司最近研制的SCDD智能排流柜如图4所示。该柜吸收并借鉴了国内外厂家在智能排流柜上设计的成熟理念，并且针对变化的市场需求和发展，主要元器件采用高性能产品，在制造工艺、安全防护上采用新技术，能有效地将泄露在工程结构中的电流和地下排流网的电流排回变电所负极母线，最大限度地减少了杂散电流的泄露对设备及主体结构的腐蚀和危害，延长设备及轨道洞体结构的使用寿命；它可以对泄露电流进行监测、控制、调整排流电流值；并且可以通过控制装置将监测数据通过RS485通信接口上传至自动监控系统，使指挥中心实时掌握杂散电流的变化，能够实时分析设备的故障并采取措施，避免因杂散电流泄露增大而引发其他设备的故障，对保障安全运营具有重要意义。满足了目前轨道交通用户的需求并达到国际领先水平。可以说，SCDD的出现必将会推动排流柜领域技术的全新发展。另外使用排流柜有下列缺点：当牵引变电所负母排通过排流柜与道床收集网钢筋电气相连通后，原来负母排的负电位因钳制作用而接近零电位，使得两座牵引变电站之间的走行轨对地电位成倍增加，两牵引变电所间几乎全成为阳极区，除牵引变电所附近钢筋腐蚀减少外，其他区域钢筋以及走行轨腐蚀将更严重。因此可以说，排流法既有其有利的一面，也有其不利的一面，该方法需要综合使用才能将杂散电流的影响降到最低。
6 结束语
本研究分析了杂散电流产生的机理及对结构件和金属腐蚀的危害，总结了杂散电流的电腐蚀危险性指标，提出了针对杂散电流的防治和监测的措施和方法。杂散电流是一种有害的电流，在直流牵引供电系统中会给城轨系统的设备设施造成多方面的危害，必须加以治理。弄清杂散电流对各种结构物管道和电缆腐蚀的电化学本质及机理对于有针对性地采取防治措施具有十分重要的意义和作用。
文章来源：
原文名称：城市轨道交通设施杂散电流的防护
作者信息：秦峰，朱祥连，奚杰，姚健（镇江大全赛雪龙牵引电气有限公司，江苏镇江212211）
期刊信息：机电工程 2013年1月
