杂散电流及其腐蚀控制技术初探

轨道交通系统杂散电流及其腐蚀控制技术初探

摘 要：人们注意轨道交通系统直流牵引产生的杂散电流会到引起埋地金属管线和金属结构的剧烈腐蚀已经有近一百年，如何防止杂散电流的腐蚀在国外已做了大量的研究。但国内对这方面的研究还很不够，本文首先简要介绍了杂散电流腐蚀的历史背景，接着对杂散电流的腐蚀机理、防护技术和监测等进行了论述。
关键词：轨道交通、杂散电流、腐蚀控制
1.引言
在城市地铁和轻轨等轨道交通运输系统中，一般采用直流牵引，走行轨回流，因此，不可避免会有电流从走行轨泄入大地，对地下或地面的金属构件如结构钢筋、地下管线等产生严重的腐蚀。国内外都有大量这方面的报道。腐蚀不仅造成大量的金属损失，更为严重的是，由于腐蚀的隐蔽性和突发性，一旦发生事故，往往会造成灾难性的后果，如煤气或石油管道的腐蚀穿孔；结构钢筋的腐蚀，会破坏混凝土的整体性，降低其强度和耐久性，给安全运营带来严重威胁。因此，对杂散电流腐蚀必须给予足够的重视。国外对地铁杂散电流的腐蚀都做了较为深入的研究，但国内对这方面的研究还很欠缺。轨道交通系统中机车是一个运动变化的负荷，地铁杂散电流腐蚀的介质一般为土壤，情况千差万别，影响腐蚀过程的因素太多，并随时间变化，在理论分析的基础上结合大量调查研究和试验，才能提出有针对性的治理杂散电流的技术和方法。在分析清楚杂散电流分布的情况下，对新建的轨道交通系统，要在设计、施工各个阶段，从实际出发，根据不同的线路施工方法、线路方案、地质状况、不同的供电方案，相关的专业都要采取相应的技术措施，尽量减少杂散电流。对已建成的线路或因某些原因绝缘下降而产生杂散电流后，应对杂散电流腐蚀的状况进行实时监测，采取有针对性的措施减少杂散电流对金属结构和管线的腐蚀。
2. 历史背景
世界上第一条电气化轨道交通系统1835年在美国建设(Brandon, Vermont),该系统运行在一个环形轨道上，由一个蓄电池提供动力，由于蓄电池需要不断充电，不适合于商业运行。直到十九世纪末由于发电机的发展，它能够提供持续的电力，电气化的轨道交通系统在商业上才变得可行。
1888年在维吉尼亚州美国第一条商业运行的电气化铁道投入运行(Richmond, Virginia)，在十年内，在美国有数千公里的电气化铁路投入运行，几乎同时，人们在发现在电气化铁道的附近的地下管线和电缆遭到严重腐蚀，此外铁路当局也注意到铁轨和道钉遭到腐蚀的情况。起初，人们认为腐蚀是由土壤的化学成分造成的，很快人们就得出结论，土壤的化学组成不可能造成如此严重的腐蚀，此后的一些调查发现，从电气化铁路运行轨道泄漏的电流是造成腐蚀的主要原因。
许多早期的研究提出了一些切实可行的在当时的技术条件下可能最好的消除杂散电流影响的工程解决方案。但大多数方案都会对附近的设施造成灾难性的影响，一个常见的做法是将轨道连接到附近的与之平行的水管或其它管线上，想法是给电流提供一个金属通路，减少通过铁轨和其它铁路结构的电流。这种方法虽然减轻了杂散电流对铁路结构本身的腐蚀，但由于将轨道连接到附近的设施上，必然有电流通过临近的设施，在电流离开返回轨道时，将会对临近的结构造成腐蚀。直到1910年，美国国家标准局开始了长达11年的关于杂散电流腐蚀的研究。1921年推荐采用下列方法在轨道交通公司一方减少杂散电流的泄漏：
1. 足够的双轨间的连接。
2. 在考虑系统经济的情况下，尽量减小变电所之间的距离。
3. 隔离负馈线（钢轨）。
4. 使用四轨牵引供电系统。
前三项措施被应用在许多轨道交通系统中，使杂散电流下降。第四项措施没有被广泛采用，可能是因为建设第四轨需要增加投资。不久就意识到杂散电流腐蚀依然发生，仍然需要采取进一步的措施控制杂散电流的泄漏，特别是地下的结构。美国国家标准局的报告推荐了几条对地下结构适用的措施，它们是：
1. 在轨道附近的新建结构要仔细选择位置。
2. 避免电缆与管线和其它结构接触。
3. 管线和电缆的金属铠装要绝缘。
4. 对结构使用绝缘涂层。
5. 使受腐蚀影响的结构相互连接并与地铁的回流电路相连
这些措施代表了当时最好的减少杂散电流和腐蚀方法。其基本原理到目前为止仍然有效，并且形成了当今杂散电流控制设计的基础。然而对上述第5项措施需进一步说明，地铁结构和回流电路之间的连接只能作为其它措施的补充或一个临时措施。因为它降低了回流的电阻增加了杂散电流的数量，排流不应作为高轨地电阻的替代。现代的排流也不是简单的直接排流，而往往是将排流和轨道电位的限制与接地结合等综合考虑的智能排流。
1920年以后，电气化轨道交通系统的建设数量大幅下降，杂散电流腐蚀问题没有能够进一步的深入研究。直到二十世纪50年代和60年代，大量新建的快速轨道交通系统，大大增加了杂散电流的腐蚀，使杂散电流腐蚀和控制又成为一个重要的课题。
3.杂散电流腐蚀机理
金属材料与其环境介质发生化学的和电化学的反应而引起材料的退化和破坏称为金属的腐蚀。与机械磨损不同，多数情况下，金属材料的腐蚀破坏是由于它逐渐丧失了金属特性，由单质转变为热力学上更为稳定的化合态。腐蚀过程中金属原子丢失电子，发生了氧化反应，金属腐蚀的必要条件是存在氧化剂。金属腐蚀有不同的分类方法，按照反应的化学属性可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。
化学腐蚀是金属表面与环境介质发生直接的化学反应而引起的破坏，其特点是反应过程中没有电流产生。电化学腐蚀是金属在电解质溶液或潮湿金属表面发生的破坏。与化学腐蚀相比电化学腐蚀在进行过程中有电流产生。
电化学腐蚀的发生一般应具备以下四个缺一不可条件：
1. 必须有阴极和阳极。
2. 阴极和阳极之间必须有电位差。
3. 阴极和阳极之间必须有金属的电流通道。
4. 阴极和阳极必须浸在电解质中，该电解质中有流动的自由离子。
一旦具备以上条件，腐蚀电池即形成。换言之，金属开始发生电化学腐蚀。然而，上述四项条件中，我们只要阻止其中一项，即可阻止金属的电化学腐蚀。而电化学腐蚀是轨道交通系统金属腐蚀的主要腐蚀形式。杂散电流又称迷流，杂散电流引起的腐蚀比自然腐蚀要剧烈得多。杂散电流一旦流入埋地金属体，再从金属体流出，进入大地或水中，则在电流流出的部位（阳极区）发生腐蚀。在阳极，金属被氧化形成离子进入电解质，同时释放电子，对铁来说，一般反应如下：

2 Fe ? 2 Fe2+ + 4 e–

在充气的电解质中，在阴极发生如下反应：

O2 + H2O + 4 e– ? 4 OH–.

在缺氧或酸性环境中，将发生如下反应，有氢气析出：

4 H2O+4 e– ? 4 OH–+2 H2

铁离子和氢氧根离子生成氢氧化亚铁，或进一步生成我们经常看到的铁锈。
由杂散电流引起的腐蚀简称电蚀，有如下特点：
腐蚀激烈
腐蚀集中于局部位置
当有防腐层时，往往集中于防腐层的缺陷部位
4. 杂散电流的控制
现代杂散电流控制技术基本遵从和美国国家标准局1921年报告相同的基本原则和要点,但应用了一些现代的先进技术,如采用新的道床材料和电力电子技术等。通常,这些控制措施被分为两类:
(1)改进轨道交通系统
(2)改进轨道交通系统附近的地下结构
主要通过以下一项或多项措施来实现:
减小回流轨的电阻
增加泄漏路径对地电阻
增加大地和地下金属结构之间的电阻
增加地下金属结构的电阻
前两项措施和改进轨道交通系统有关,将在下面进一步讨论。后两项措施和改进地下金属结构有关,将不展开讨论。
1）减小回流轨的电阻
如果回流轨电阻高，将导致轨道压降增加，在一定的轨-地回路电阻下，将导致杂散电流泄漏增加。减少沿回流轨的压降的方法如下：
增加回流轨的截面积
足够轨道之间的连接
减少两个牵引变电所之间的距离
历史上，在国外轨道的截面积是一个问题，因为国外早期电气化的轨道交通系统经常是建在已有的用马拉的有轨车的轨道上。而这些轨道截面积较小，没有提供为回流提供足够的低阻通路。目前，国内外所有的轨道交通系统都使用了较大截面积的轨道，它能够为回流提供足够低的回流电阻，因此，轨道的截面积不是现代轨道交通系统设计的一个问题。第二项减小运行轨的电阻的重要措施是为回流提供一个连续的电气通路。这是通过使用连续焊接的钢轨来实现，这已成为新建轨道交通系统的标准做法。或者使用电缆将不连续的轨道连接起来，这种做法常用在旧的轨道交通系统和特殊的轨道段如渡线和岔线。此外，每隔一定的距离将两条轨道并联起来，进一步减小轨道电阻，这是一项有效的措施。第三项用来减少回流电阻的措施是减小变电所之间的距离。减小变电所之间的距离这就减低了轨道压降，当然杂散电流就减少了。当今电力牵引的轨道交通系统，变电所之间的距离大多在1-3公里左右。国外一些旧的轨道交通系统也按照这个标准进行改造。同时，牵引变电所一般都在车站内，这在减少杂散电流方面也是有好处的，因为在车站附近为了给机车加速，机车需要的电流是很大的，而回流轨的长度很短，从而回流轨的压降是最小的。
2）增加泄漏路径对地电阻
增加泄漏路径对地电阻是减小杂散电流非常有效的措施。常用的四项增加泄漏路径电阻的措施是：（1）增加轨道对地电阻，（2）使用不接地或二极管接地的回流电路，（3）车辆段的轨道的绝缘隔离，（4）正线轨道的分段处理。由于用于轨道和绝缘材料的进展，使得设计高的轨道对地电阻变得容易了，主要是通过使用绝缘轨道扣件和绝缘垫。第二项增加泄漏路径对地电阻的措施是使用不接地或二极管接地的供电系统。一般来说，轨道交通得供电系统可以设计成直接接地、二极管接地或不接地，每一种系统都有优点和缺点。
直接接地系统，历史上曾经用于老式的轨道交通系统，它是19世纪末期“将所有的物体连接到一起，让电流通过”哲学的应用。直接接地系统在现代轨道交通系统中已经没有使用，主要是用于它引起的问题比它解决的问题多。直接接地系统的主要特性是将变电所的地线和整流柜的负母线通过金属相连，不存在轨道和大地的绝缘。这样的设计允许杂散电流在整流柜的负母线和任何地下金属通路之间流通。
结果导致杂散电流腐蚀经常发生在轨道、轨道扣件、隧道、桥梁和其它轨道交通系统的结构等处。直接接地的唯一好处是整流柜负极的电压和大地的电压一样。这样就消除了车站站台和大地之间有电压的危险。这个电压处理不好对乘客是有危险的。不接地系统代表了牵引供电系统设计的另一个极端。不接地系统在大地和变电所的整流柜的母线之间没有直接得金属相连。轨道扣件的绝缘对维持高的轨道对地电阻同样重要。从理论上讲，不接地系统的杂散电流应该足够低，只要沿轨道没有发生轨道对地短路。实际上，由于系统有成千上万得扣件，短路确实存在。另外，一些特殊的线路通常是很难做到完全绝缘的。不接地系统的一个缺点是在站台和大地之间可能形成足够高的电压。然而，目前由于高速断路器、过压保护设备和站台绝缘措施的进展，大大的减小了危险。
二极管接地系统是直接接地系统和不接地系统的折中。它常用来消除由直接接地系统引起的杂散电流腐蚀问题，但电压可保持在安全水平上。二极管接地系统通过二极管电路使整流柜的母线与变电所的地线相连。二极管电路达到一定的门槛电压允许电流从地线流向整流柜的负母线。门槛电压根据变电所的具体情况可调。二极管接地系统同样要求遵从上面推荐的方法，如维持高的轨道对地电阻等。对二极管接地系统杂散电流腐蚀仍然可能发生，特别是轨道和轨道扣件处，其处的高的轨道对地电阻很难保持，此外，对于二极管接地系统，当回流轨的电压达到门槛电压以后，就会有电流流过。国外曾有设计寿命为35年的轨道，由于杂散电流腐蚀和轨道裂缝不得不7年就更换。其它两项增加泄漏路径电阻的措施是对车辆段的轨道进行绝缘隔离和对正线上杂散电流泄漏集中的区域的轨道进行绝缘隔离。对轨道的绝缘隔离导致这一段轨道对地电阻的增加。将车辆段和正线隔离避免了正线运行轨较高的电压施加在车辆段的轨道上，而车辆段的轨道电压一般较低，这对降低车辆段的杂散电流是有效的。
5.杂散电流的监测
轨道交通部门利用杂散电流监测数据来决定采用什么样的控制措施。杂散电流的监测可是简单的目测连接电缆的状况，以保持回流轨的低电阻，也可请专业人员对特殊的地段进行杂散电流腐蚀状况的调查。但现代新建的轨道交通系统都要求预留测防端子和预装参考电极，在需要时可配备杂散电流的检测系统，对杂散电流腐蚀的可能性进行实时监测。杂散电流的调查一般是指轨道交通系统的结构如车站处的的轨道对地电阻和腐蚀电势。其它杂散电流的监测包括对轨道对地电压、泄漏电流、指定的金属结构对负母线的电压和从牵引变电所馈出的总电流等的测量。这些测量用于对当前杂散电流和杂散电流腐蚀的评估。中华人民共和国行业标准－地铁杂散电流防护技术规程CJJ 49-92的规定：隧道结构的外表面，受杂散电流腐蚀危害控制指标是由泄漏电流引起的结构电压偏离自然电位数值。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0.5V。一般轨道交通系统的杂散电流监测系统主要是监测杂散电流对结构钢筋的腐蚀可能，因此主要监测结构钢筋的极化电压。
6.结束语
鉴于杂散电流对地下金属结构、管线设施的腐蚀极为严重，如每安培电流每年可使钢铁腐蚀约 9.1 kg因而，它所造成的危害将是极为严重的，轨道交通系统中机车是一个运动变化的负荷，地铁杂散电流腐蚀的介质一般为土壤，情况千差万别，影响腐蚀过程的因素太多，并随时间变化，但只要我们在理论分析的基础上结合现场调查研究和试验，采取有针对性的治理杂散电流的技术和方法。在分析清楚杂散电流分布的情况下，在轨道交通系统的设计、施工各个阶段，从实际出发，根据不同的线路施工方法、线路方案、地质状况、不同的供电方案，分别对相关的专业采取不同的技术措施，尽量减少杂散电流。总之，对杂散电流的腐蚀及其可能造成的严重后果必须给予足够的重视，贯彻“以堵为主，以排为辅”的原则，同时结合科学的监测，将杂散电流的腐蚀防护和系统的接地、人身和设备安全、结构的耐久性等统一考虑。
参考文献
[1] Dr. Thomas J. Barlo and Dr. Alan D. Zdunek，Stray Current Corrosion in Electrified Rail Systems -- Final Report, May 1995
[2] 北京地下铁道科学技术研究所，地铁杂散电流防护技术规程，北京：中国计划出版社，1993
[3] 胡士信，阴极保护工程手册，北京：化学工业出版社，1999