埋地金属腐蚀的排流保护法研究

秦亚玲

（西安铁路职业技术学院 陕西 西安 710014）

近年来，随着我国国民经济的飞速发展，城市规模不断扩大，城市人口持续增长，城市交通也日趋紧张。轨道交通作为一种成熟的交通方式，具有便捷、高效、充分利用城市有限空间等优点，已成为缓解交通拥堵，促进城市健康可持续发展的重要途径。目前，国内外城市轨道交通的动力源普遍采用直流牵引供电系统（DC-Powered Transit System），通过直流供电系统取流，将走行轨作为电流回流通路。走行轨不可能与大地完全绝缘，因此总有少量电流不会沿着走行轨回到牵引变电所的负极，而是沿着轨道与地面绝缘不良的位置泄漏到地铁道床及周围土壤介质中，经过在地下的无规律流动，从大地回到牵引变电所负极或根本回不到牵引变电所，从而最终形成杂散电流。杂散电流会对沿线金属管线、屏蔽网、地下隧道和高架桥中的结构钢筋等金属设施产生严重的电流腐蚀作用，不及时处理会造成巨大的经济损失，甚至危及建筑设施的安全，酿成灾难性后果。

1 排流网

在轨道交通的实际工程中，在枕木以下的混凝土整体道床内，一般均利用整体道床和浮制板道床内的结构钢筋和隧道结构钢筋，在轨道与埋地金属之间设置一个低电阻的杂散电流流通路径，形成杂散电流收集网，称为排流网。

排流网一般由上下两层各5根直径大于12 mm的钢筋沿隧道纵向铺设，且每隔50 m由一根直径25 mm以上的钢筋将纵向钢筋焊接在一起，并用2根直径20 mm以上的钢筋跨接上下两层排流钢筋，使两层结构的排流网沿纵向和横向形成电气连接，结构如图1所示。图2是上海市地铁隧道内的排流网铺设示意图。

图1 杂散电流排流网示意图Fig.1 Drainage net of the stray current

这主要是针对运营期间，当先期防护措施逐渐失效或渗水等因素造成大量杂散电流时而采取的防护措施，目的在于收集由走行轨泄漏到大地中去的杂散电流，并由此引导杂散电流流回牵引变电所的负极母线。使用排流网能够使其附近的杂散电流被“吸引”到排流网上来，从而降低了已经泄漏到大地中去的杂散电流再次向四周“四处乱窜”的可能性，避免了杂散电流对地铁隧道主体结构钢筋及外部埋地金属管道等地下设施的电化学腐蚀[1]。

图2 杂散电流排流网的铺设示意图Fig.2 Installation of the drainage net

采用排流网后，大部分杂散电流可被限制在排流网之内，但仍无法完全避免少量杂散电流的扩散。相应地一般还采取一定的排流保护措施，保护地下金属管线及线路附近的设备免受杂散电流腐蚀，并防止杂散电流向轨道交通系统外扩散。

2 3种排流保护法

排流保护法主要是为保护金属导体而采取的防护措施，其基本原理是将被保护的金属导体对走行轨的阳极区用导线连接到走行轨上，从而将金属导体与走行轨短路，使被保护的金属体变为阴极性的，从而防止金属发生阳极腐蚀[2]。这种方法又可分为以下3种，如图3所示。

图3 杂散电流排流保护法Fig.3 Drainage protection of the stray current

直接排流法是将被保护金属导体与靠近变电所附近的回流走行轨直接用导线连接，如图3（a）所示。但实际上杂散电流的方向往往随列车运行位置的移动而发生改变，使得在变电站前方走行轨的对地电位并不总是为负值。当走行轨的对地电位为正值时，走行轨上的电流反而通过排流电缆由走行轨流向排流网，使杂散电流腐蚀加剧。因此直接排流法现在已废弃不用。

选择排流法就是在直接排流法的连接线上加装单向导电的二极管整流器，只允许被保护埋地金属物的杂散电流流向走行轨，阻止牵引电流流向被保护埋地金属物，如图3（b）所示。只有当排流网相对于走行轨（或变电所负母线）的电位为正时二极管才正向导通，排流网中收集的杂散电流流回变电所负母线端子；否则二极管反向截至，阻止牵引电流从变电所负母线流向排流网，从而达到保护埋地金属物的目的。这是目前广泛采取的主要排流措施之一。

强制排流法是当被保护埋地金属物处于杂散电流交替干扰区时，采用直接或选择排流法都不能将干扰电流排回走行轨排流网时采用的强制排流措施[3]。强制排流装置是一个直流电源装置，由变压器和整流器组成，如图3（c）所示。外部直流电源强制其排流同时阻止了逆向电流，促使杂散电流从排流网流向走行轨（或变电所负母线），避免已经流入排流网的杂散电流从远离变电站的远方流出，从而防止杂散电流引起电化学腐蚀。这种排流措施具有较强的抗交变电流腐蚀的能力。

总之，排流法成本低、工作可靠，在轨道交通的杂散电流防护中一般优先采用。

3 排流保护法存在的问题

排流法可以对需要保护的金属导体提供可靠保护，但排流法也有不小的缺陷。

1）排流量过大

排流量过大会造成邻近未采取排流保护的地下金属埋设物受到更强的电解腐蚀，这种现象通常可称之为“干扰”现象，可能提升轨道电位并危及人身安全。此外，排流量过大还会造成其他方面的危害：一是破坏埋地金属管道的腐蚀保护层，以氯化亚汞电极为基准，埋设管道的对地电位低于－2.5 V时，保护层被破坏的危险增大，之后其内部金属的腐蚀将更加严重。二是对铅铠电缆的铅皮产生阴极腐蚀，当土壤水分中含盐时，铅不仅作为阳极受到腐蚀，而且也受到阴极腐蚀[4]。当排流量增大，铅皮电位变得更低时腐蚀会加剧；此外，排流量过大还会导致铅皮温度上升，影响电缆的工作性能。

2）排流量控制存在的问题

在直流牵引供电系统中，大地及支持轨道交通隧道的钢筋结构实际上环绕隧道一周。如果将地下钢筋结构直接与负母线搭接来排流，会破坏钢轨的浮地性质，同时轨道电位也会增大。因此，一般让钢筋结构通过排流装置与负母线搭接，使泄漏电流通过钢筋结构及排流装置流回负母线，可以通过控制电流的大小使钢筋结构上的压降减小，从而大大降低泄漏到大地的电流。传统的控制方法是以设置排流装置的整流器车站处极化电位作为监测参数，手动控制[5]。这必然存在人为的极大误差与误判，排流量控制过大，可能会造成更大的腐蚀，引起轨道电位的升高；控制过小，可能造成不能减小杂散电流腐蚀的危险。

目前排流的控制是采用恒值报警模式。所谓恒值报警，即设定一个报警限值，当现场的测试数据超过限值时，系统就报警。对于排流的控制，监测装置通过监测轨道交通车站整流器回流点处的正向极化电位，并设定报警限制为0.5 V，当现场监测的极化电位超过0.5 V时，进行最大排流。其余情况根据工作人员的经验手动进行排流量大小的选取，排流大小可通过控制板进行设定，设定范围为0～200 A。由此可见，系统简单地认为排流量的大小只是与整流器回流点处的回流有关，报警模型通过简单的比较运算来进行排流的控制。可在实际中，对于整个供电区段，各处的杂散电流泄漏情况不一，仅仅测量回流点处的极化电位难以反映全线的情况。例如当某些监测点处的极化电位超限，但其他监测点的极化电位没有超限的情况下，是否应当采取最大的排流措施。如果采取最大排流，虽然可以达到保护的效果，但必然会产生较大的副作用。同时，由于在一个供电区间内，整流器回流点处埋地金属结构为阳极区，此处传感器所监测的极化电位偏移最大，在整流器车站的其他监测点所测得极化电位正向偏移相对较小，而在非整流器车站监测点所测得极化电位正向偏移最小，在这种情况下，如果报警限值简单地设为0.5 V，必然会降低保护效果，例如采用全线采用0.5 V，但对于远离整流车站的位置，腐蚀较弱，采用该限值必然引起漏报情况；但如果设置的过低例如0.3 V，对于腐蚀严重的位置将导致系统频繁误报警，降低了系统的可靠性。

因此，有必要综合研究合理的排流量控制手段，减少杂散电流对金属结构的腐蚀，消除其副作用。现有控制方式的弊端，究其原因是恒值报警采用了线性控制方式，而实际的量并非线性关系。因此要想可靠报警，必须研究腐蚀程度与排流之间的非线性关系，进行控制。造成排流控制过大或过小的原因在于系统报警模型简单，没有充分考虑到全线的综合情况，从而导致系统工作的不可靠。如果能找到一种恰当的方式，来描述排流大小与极化电位之间的非线性关系，并通过这种关系实现排流的控制，那么系统报警的可靠性将得到有效地改善。需要对排流量进行监视与智能化控制。

4 排流模糊评判可行性分析

如前文所述，排流量大小的控制与极化电位值大小之间是非线性关系。非线性问题有多种解决方法，一是数学拟合法。如果能知道某一非线性关系的形式或者说复杂程度，通过数学拟合的方法，可以得到非线性：关系的数学表达式，从而得出数学模型；但这种关系需要大量的数据样本[6]。但是目前我们没有积累足够的样本数据，特别对于轨道交通的腐蚀防护是一个长期的工作，因此非线性拟合的方法在本文中很难采用用。二是模糊控制的方法，它可以利用由现有专家经验以及根据实验数据得出的推理规则建立的规则库，来描述非线性关系。模糊逻辑方法具有多因素综合分析的特点，因而适合于对受多种因素影响的具有不确定性结论的事物或现象做出总的评价。即对被评判事物或现象通过赋予每个影响它的因素一个评判指标，再根据所给条件计算分析得出其总体的带一定倾向性的结论。反映轨道交通杂散电流泄露的极化电位是带有模糊特征的量，运用模糊逻辑方法对其进行分析是一种非常有效的手段。

模糊推理过程实际上是将人类的模糊概念和思维过程用严格的数学表达进行描述，从而可以模仿人类思维——人工智能。例如：人类识别一个人的过程，被识别人的身高、体态、脸型、眼睛、鼻子、嘴等将在人的大脑中形成一个模糊的概念，如高个子、大眼睛、圆脸、高鼻梁等等。有了这些模糊的概念，人类就可以对这个人进行准确的识别，甚至只看到背影便可以进行识别。理论上已经证明，只要规则库足够地充分，模糊推理就可以逼近任意非线性关系。

轨道交通工程是一个很复杂的结构，对于实际的轨道交通结构很难定义精确的数学模型。并且排流保护后的效果评价只是一个定性原则，而且要求进行多点检测评定，被保护的金属结构在一个供电区间内有多个极化电位的监测点，无法根据单个监测点的监测数据进行是否排流和使用多大排流量进行排流的判断，也难以用常规单一的数学模型来描述，因此比较适合采用模糊控制的方法来进行判断控制。轨道交通系统中主要考虑整体道床排流网的排流保护和隧道侧壁结构钢的排流保护，设计排流模糊控制器时应该分别考虑。

5 结束语

文中对现有排流方法进行了分析，得出了现有排流方法的不足与缺陷，并根据排流量与极化电位之间的关系提出利用模糊控制理论来控制排流量的方法。

[1]清勇．杂散电流腐蚀问题基础研究[D]．大连：大连理工大学，2006.

[2]计雪松，秦朝葵.杂散电流对埋地燃气管道的腐蚀及其检测[J].上海煤气，2007（4）:12－16.JI Xue-song，QIN Chao-kui.The study and test of electroerosion of scattering current to gas pipeline under the earth[J].Shanghai Gas，2007（4）:12－16.

[3]陈文斌．埋地钢质管道杂散电流测试分析技术研究[D]．北京：北京工业大学，2009.

[4]吕伟杰．地铁杂散电流的防护方案研究与设计 [D]．成都：西南交通大学，2007.

[5]曹阿林．埋地金属管线的杂散电流腐蚀防护研究 [D]．重庆：重庆大学，2010.

[6]张文修，梁广锡．模糊控制与系统[M]．西安：西安交通大学出版社，1998.