雜散電流及其腐蝕控制技術(shù)初探

軌道交通系統(tǒng)雜散電流及其腐蝕控制技術(shù)初探

摘 要：人們注意軌道交通系統(tǒng)直流牽引產(chǎn)生的雜散電流會(huì)到引起埋地金屬管線和金屬結(jié)構(gòu)的劇烈腐蝕已經(jīng)有近一百年，如何防止雜散電流的腐蝕在國(guó)外已做了大量的研究。但國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究還很不夠，本文首先簡(jiǎn)要介紹了雜散電流腐蝕的歷史背景，接著對(duì)雜散電流的腐蝕機(jī)理、防護(hù)技術(shù)和監(jiān)測(cè)等進(jìn)行了論述。
關(guān)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(yùn)輸系統(tǒng)中，一般采用直流牽引，走行軌回流，因此，不可避免會(huì)有電流從走行軌泄入大地，對(duì)地下或地面的金屬構(gòu)件如結(jié)構(gòu)鋼筋、地下管線等產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕。國(guó)內(nèi)外都有大量這方面的報(bào)道。腐蝕不僅造成大量的金屬損失，更為嚴(yán)重的是，由于腐蝕的隱蔽性和突發(fā)性，一旦發(fā)生事故，往往會(huì)造成災(zāi)難性的后果，如煤氣或石油管道的腐蝕穿孔；結(jié)構(gòu)鋼筋的腐蝕，會(huì)破壞混凝土的整體性，降低其強(qiáng)度和耐久性，給安全運(yùn)營(yíng)帶來嚴(yán)重威脅。因此，對(duì)雜散電流腐蝕必須給予足夠的重視。國(guó)外對(duì)地鐵雜散電流的腐蝕都做了較為深入的研究，但國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究還很欠缺。軌道交通系統(tǒng)中機(jī)車是一個(gè)運(yùn)動(dòng)變化的負(fù)荷，地鐵雜散電流腐蝕的介質(zhì)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(shí)間變化，在理論分析的基礎(chǔ)上結(jié)合大量調(diào)查研究和試驗(yàn)，才能提出有針對(duì)性的治理雜散電流的技術(shù)和方法。在分析清楚雜散電流分布的情況下，對(duì)新建的軌道交通系統(tǒng)，要在設(shè)計(jì)、施工各個(gè)階段，從實(shí)際出發(fā)，根據(jù)不同的線路施工方法、線路方案、地質(zhì)狀況、不同的供電方案，相關(guān)的專業(yè)都要采取相應(yīng)的技術(shù)措施，盡量減少雜散電流。對(duì)已建成的線路或因某些原因絕緣下降而產(chǎn)生雜散電流后，應(yīng)對(duì)雜散電流腐蝕的狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采取有針對(duì)性的措施減少雜散電流對(duì)金屬結(jié)構(gòu)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(tǒng)1835年在美國(guó)建設(shè)(Brandon, Vermont),該系統(tǒng)運(yùn)行在一個(gè)環(huán)形軌道上，由一個(gè)蓄電池提供動(dòng)力，由于蓄電池需要不斷充電，不適合于商業(yè)運(yùn)行。直到十九世紀(jì)末由于發(fā)電機(jī)的發(fā)展，它能夠提供持續(xù)的電力，電氣化的軌道交通系統(tǒng)在商業(yè)上才變得可行。
1888年在維吉尼亞州美國(guó)第一條商業(yè)運(yùn)行的電氣化鐵道投入運(yùn)行(Richmond, Virginia)，在十年內(nèi)，在美國(guó)有數(shù)千公里的電氣化鐵路投入運(yùn)行，幾乎同時(shí)，人們?cè)诎l(fā)現(xiàn)在電氣化鐵道的附近的地下管線和電纜遭到嚴(yán)重腐蝕，此外鐵路當(dāng)局也注意到鐵軌和道釘遭到腐蝕的情況。起初，人們認(rèn)為腐蝕是由土壤的化學(xué)成分造成的，很快人們就得出結(jié)論，土壤的化學(xué)組成不可能造成如此嚴(yán)重的腐蝕，此后的一些調(diào)查發(fā)現(xiàn)，從電氣化鐵路運(yùn)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(shí)可行的在當(dāng)時(shí)的技術(shù)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(shù)方案都會(huì)對(duì)附近的設(shè)施造成災(zāi)難性的影響，一個(gè)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(gè)金屬通路，減少通過鐵軌和其它鐵路結(jié)構(gòu)的電流。這種方法雖然減輕了雜散電流對(duì)鐵路結(jié)構(gòu)本身的腐蝕，但由于將軌道連接到附近的設(shè)施上，必然有電流通過臨近的設(shè)施，在電流離開返回軌道時(shí)，將會(huì)對(duì)臨近的結(jié)構(gòu)造成腐蝕。直到1910年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局開始了長(zhǎng)達(dá)11年的關(guān)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(tǒng)經(jīng)濟(jì)的情況下，盡量減小變電所之間的距離。
3. 隔離負(fù)饋線（鋼軌）。
4. 使用四軌牽引供電系統(tǒng)。
前三項(xiàng)措施被應(yīng)用在許多軌道交通系統(tǒng)中，使雜散電流下降。第四項(xiàng)措施沒有被廣泛采用，可能是因?yàn)榻ㄔO(shè)第四軌需要增加投資。不久就意識(shí)到雜散電流腐蝕依然發(fā)生，仍然需要采取進(jìn)一步的措施控制雜散電流的泄漏，特別是地下的結(jié)構(gòu)。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的報(bào)告推薦了幾條對(duì)地下結(jié)構(gòu)適用的措施，它們是：
1. 在軌道附近的新建結(jié)構(gòu)要仔細(xì)選擇位置。
2. 避免電纜與管線和其它結(jié)構(gòu)接觸。
3. 管線和電纜的金屬鎧裝要絕緣。
4. 對(duì)結(jié)構(gòu)使用絕緣涂層。
5. 使受腐蝕影響的結(jié)構(gòu)相互連接并與地鐵的回流電路相連
這些措施代表了當(dāng)時(shí)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(dāng)今雜散電流控制設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。然而對(duì)上述第5項(xiàng)措施需進(jìn)一步說明，地鐵結(jié)構(gòu)和回流電路之間的連接只能作為其它措施的補(bǔ)充或一個(gè)臨時(shí)措施。因?yàn)樗档土嘶亓鞯碾娮柙黾恿穗s散電流的數(shù)量，排流不應(yīng)作為高軌地電阻的替代。現(xiàn)代的排流也不是簡(jiǎn)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(jié)合等綜合考慮的智能排流。
1920年以后，電氣化軌道交通系統(tǒng)的建設(shè)數(shù)量大幅下降，雜散電流腐蝕問題沒有能夠進(jìn)一步的深入研究。直到二十世紀(jì)50年代和60年代，大量新建的快速軌道交通系統(tǒng)，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(gè)重要的課題。
3.雜散電流腐蝕機(jī)理
金屬材料與其環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)的和電化學(xué)的反應(yīng)而引起材料的退化和破壞稱為金屬的腐蝕。與機(jī)械磨損不同，多數(shù)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(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)上更為穩(wěn)定的化合態(tài)。腐蝕過程中金屬原子丟失電子，發(fā)生了氧化反應(yīng)，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(yīng)的化學(xué)屬性可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。
化學(xué)腐蝕是金屬表面與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生直接的化學(xué)反應(yīng)而引起的破壞，其特點(diǎn)是反應(yīng)過程中沒有電流產(chǎn)生。電化學(xué)腐蝕是金屬在電解質(zhì)溶液或潮濕金屬表面發(fā)生的破壞。與化學(xué)腐蝕相比電化學(xué)腐蝕在進(jìn)行過程中有電流產(chǎn)生。
電化學(xué)腐蝕的發(fā)生一般應(yīng)具備以下四個(gè)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(zhì)中，該電解質(zhì)中有流動(dòng)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(fā)生電化學(xué)腐蝕。然而，上述四項(xiàng)條件中，我們只要阻止其中一項(xiàng)，即可阻止金屬的電化學(xué)腐蝕。而電化學(xué)腐蝕是軌道交通系統(tǒng)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?jiǎng)×业枚唷ｋs散電流一旦流入埋地金屬體，再?gòu)慕饘袤w流出，進(jìn)入大地或水中，則在電流流出的部位（陽極區(qū)）發(fā)生腐蝕。在陽極，金屬被氧化形成離子進(jìn)入電解質(zhì)，同時(shí)釋放電子，對(duì)鐵來說，一般反應(yīng)如下：

2 Fe ? 2 Fe2+ + 4 e–

在充氣的電解質(zhì)中，在陰極發(fā)生如下反應(yīng)：

O2 + H2O + 4 e– ? 4 OH–.

在缺氧或酸性環(huán)境中，將發(fā)生如下反應(yīng)，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(jìn)一步生成我們經(jīng)常看到的鐵銹。
由雜散電流引起的腐蝕簡(jiǎn)稱電蝕，有如下特點(diǎn)：
腐蝕激烈
腐蝕集中于局部位置
當(dāng)有防腐層時(shí)，往往集中于防腐層的缺陷部位
4. 雜散電流的控制
現(xiàn)代雜散電流控制技術(shù)基本遵從和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局1921年報(bào)告相同的基本原則和要點(diǎn),但應(yīng)用了一些現(xiàn)代的先進(jìn)技術(shù),如采用新的道床材料和電力電子技術(shù)等。通常,這些控制措施被分為兩類:
(1)改進(jìn)軌道交通系統(tǒng)
(2)改進(jìn)軌道交通系統(tǒng)附近的地下結(jié)構(gòu)
主要通過以下一項(xiàng)或多項(xiàng)措施來實(shí)現(xiàn):
減小回流軌的電阻
增加泄漏路徑對(duì)地電阻
增加大地和地下金屬結(jié)構(gòu)之間的電阻
增加地下金屬結(jié)構(gòu)的電阻
前兩項(xiàng)措施和改進(jìn)軌道交通系統(tǒng)有關(guān),將在下面進(jìn)一步討論。后兩項(xiàng)措施和改進(jìn)地下金屬結(jié)構(gòu)有關(guān),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(dǎo)致軌道壓降增加，在一定的軌-地回路電阻下，將導(dǎo)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(gè)牽引變電所之間的距離
歷史上，在國(guó)外軌道的截面積是一個(gè)問題，因?yàn)閲?guó)外早期電氣化的軌道交通系統(tǒng)經(jīng)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(guó)內(nèi)外所有的軌道交通系統(tǒng)都使用了較大截面積的軌道，它能夠?yàn)榛亓魈峁┳銐虻偷幕亓麟娮瑁虼耍壍赖慕孛娣e不是現(xiàn)代軌道交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)問題。第二項(xiàng)減小運(yùn)行軌的電阻的重要措施是為回流提供一個(gè)連續(xù)的電氣通路。這是通過使用連續(xù)焊接的鋼軌來實(shí)現(xiàn)，這已成為新建軌道交通系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)做法。或者使用電纜將不連續(xù)的軌道連接起來，這種做法常用在舊的軌道交通系統(tǒng)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(lián)起來，進(jìn)一步減小軌道電阻，這是一項(xiàng)有效的措施。第三項(xiàng)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(dāng)然雜散電流就減少了。當(dāng)今電力牽引的軌道交通系統(tǒng)，變電所之間的距離大多在1-3公里左右。國(guó)外一些舊的軌道交通系統(tǒng)也按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改造。同時(shí)，牽引變電所一般都在車站內(nèi)，這在減少雜散電流方面也是有好處的，因?yàn)樵谲囌靖浇鼮榱私o機(jī)車加速，機(jī)車需要的電流是很大的，而回流軌的長(zhǎng)度很短，從而回流軌的壓降是最小的。
2）增加泄漏路徑對(duì)地電阻
增加泄漏路徑對(duì)地電阻是減小雜散電流非常有效的措施。常用的四項(xiàng)增加泄漏路徑電阻的措施是：（1）增加軌道對(duì)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(jìn)展，使得設(shè)計(jì)高的軌道對(duì)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(xiàng)增加泄漏路徑對(duì)地電阻的措施是使用不接地或二極管接地的供電系統(tǒng)。一般來說，軌道交通得供電系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)成直接接地、二極管接地或不接地，每一種系統(tǒng)都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
直接接地系統(tǒng)，歷史上曾經(jīng)用于老式的軌道交通系統(tǒng)，它是19世紀(jì)末期“將所有的物體連接到一起，讓電流通過”哲學(xué)的應(yīng)用。直接接地系統(tǒng)在現(xiàn)代軌道交通系統(tǒng)中已經(jīng)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(tǒng)的主要特性是將變電所的地線和整流柜的負(fù)母線通過金屬相連，不存在軌道和大地的絕緣。這樣的設(shè)計(jì)允許雜散電流在整流柜的負(fù)母線和任何地下金屬通路之間流通。
結(jié)果導(dǎo)致雜散電流腐蝕經(jīng)常發(fā)生在軌道、軌道扣件、隧道、橋梁和其它軌道交通系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)等處。直接接地的唯一好處是整流柜負(fù)極的電壓和大地的電壓一樣。這樣就消除了車站站臺(tái)和大地之間有電壓的危險(xiǎn)。這個(gè)電壓處理不好對(duì)乘客是有危險(xiǎn)的。不接地系統(tǒng)代表了牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一個(gè)極端。不接地系統(tǒng)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(duì)維持高的軌道對(duì)地電阻同樣重要。從理論上講，不接地系統(tǒng)的雜散電流應(yīng)該足夠低，只要沿軌道沒有發(fā)生軌道對(duì)地短路。實(shí)際上，由于系統(tǒng)有成千上萬得扣件，短路確實(shí)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(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)是在站臺(tái)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(hù)設(shè)備和站臺(tái)絕緣措施的進(jìn)展，大大的減小了危險(xiǎn)。
二極管接地系統(tǒng)是直接接地系統(tǒng)和不接地系統(tǒng)的折中。它常用來消除由直接接地系統(tǒng)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(tǒng)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(dá)到一定的門檻電壓允許電流從地線流向整流柜的負(fù)母線。門檻電壓根據(jù)變電所的具體情況可調(diào)。二極管接地系統(tǒng)同樣要求遵從上面推薦的方法，如維持高的軌道對(duì)地電阻等。對(duì)二極管接地系統(tǒng)雜散電流腐蝕仍然可能發(fā)生，特別是軌道和軌道扣件處，其處的高的軌道對(duì)地電阻很難保持，此外，對(duì)于二極管接地系統(tǒng)，當(dāng)回流軌的電壓達(dá)到門檻電壓以后，就會(huì)有電流流過。國(guó)外曾有設(shè)計(jì)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(xiàng)增加泄漏路徑電阻的措施是對(duì)車輛段的軌道進(jìn)行絕緣隔離和對(duì)正線上雜散電流泄漏集中的區(qū)域的軌道進(jìn)行絕緣隔離。對(duì)軌道的絕緣隔離導(dǎo)致這一段軌道對(duì)地電阻的增加。將車輛段和正線隔離避免了正線運(yùn)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(duì)降低車輛段的雜散電流是有效的。
5.雜散電流的監(jiān)測(cè)
軌道交通部門利用雜散電流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來決定采用什么樣的控制措施。雜散電流的監(jiān)測(cè)可是簡(jiǎn)單的目測(cè)連接電纜的狀況，以保持回流軌的低電阻，也可請(qǐng)專業(yè)人員對(duì)特殊的地段進(jìn)行雜散電流腐蝕狀況的調(diào)查。但現(xiàn)代新建的軌道交通系統(tǒng)都要求預(yù)留測(cè)防端子和預(yù)裝參考電極，在需要時(shí)可配備雜散電流的檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)雜散電流腐蝕的可能性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。雜散電流的調(diào)查一般是指軌道交通系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如車站處的的軌道對(duì)地電阻和腐蝕電勢(shì)。其它雜散電流的監(jiān)測(cè)包括對(duì)軌道對(duì)地電壓、泄漏電流、指定的金屬結(jié)構(gòu)對(duì)負(fù)母線的電壓和從牽引變電所饋出的總電流等的測(cè)量。這些測(cè)量用于對(duì)當(dāng)前雜散電流和雜散電流腐蝕的評(píng)估。中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)－地鐵雜散電流防護(hù)技術(shù)規(guī)程CJJ 49-92的規(guī)定：隧道結(jié)構(gòu)的外表面，受雜散電流腐蝕危害控制指標(biāo)是由泄漏電流引起的結(jié)構(gòu)電壓偏離自然電位數(shù)值。對(duì)于鋼筋混凝土地鐵主體結(jié)構(gòu)的鋼筋，上述極化電壓的正向偏移平均值不應(yīng)超過0.5V。一般軌道交通系統(tǒng)的雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是監(jiān)測(cè)雜散電流對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋的腐蝕可能，因此主要監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)鋼筋的極化電壓。
6.結(jié)束語
鑒于雜散電流對(duì)地下金屬結(jié)構(gòu)、管線設(shè)施的腐蝕極為嚴(yán)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(yán)重的，軌道交通系統(tǒng)中機(jī)車是一個(gè)運(yùn)動(dòng)變化的負(fù)荷，地鐵雜散電流腐蝕的介質(zhì)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(shí)間變化，但只要我們?cè)诶碚摲治龅幕A(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究和試驗(yàn)，采取有針對(duì)性的治理雜散電流的技術(shù)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(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工各個(gè)階段，從實(shí)際出發(fā)，根據(jù)不同的線路施工方法、線路方案、地質(zhì)狀況、不同的供電方案，分別對(duì)相關(guān)的專業(yè)采取不同的技術(shù)措施，盡量減少雜散電流。總之，對(duì)雜散電流的腐蝕及其可能造成的嚴(yán)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(shí)結(jié)合科學(xué)的監(jiān)測(cè)，將雜散電流的腐蝕防護(hù)和系統(tǒng)的接地、人身和設(shè)備安全、結(jié)構(gòu)的耐久性等統(tǒng)一考慮。
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