地铁杂散电流防护措施的研究

李志忠

（中铁十六局集团地铁工程有限公司，北京市 100000）

1 概述

该标段为呼和浩特市城市轨道交通2号线09标段，包含成吉思汗广场站、成吉思汗广场站—毫沁营站区间、毫沁营站、毫沁营站—成吉思汗公园站区间，共2站2区间。区间使用盾构法进行施工，车站则选用明挖法开展施工。当出现杂散电流后会影响地铁主体结构安全，甚至会腐蚀钢轨和钢筋，因此做好杂散电流防护工作至关重要。

2 杂散电流造成腐蚀的原理分析

在地铁运行过程中，经过一段时间持续的运营，会在一定程度上污染道床，并降低钢轨和道床之间的电阻值，因为道床和钢轨没有充分绝缘，致使直流电从钢轨位置泄漏到隧道、车站和道床结构中，这些漏泄电流称为杂散电流。

由于杂散电流腐蚀属于氧化还原反应，在发生反应的过程中地铁牵引供电方式产生的杂散电流以及杂散电流的腐蚀位置如图1所示。因为走行钢轨、道床（隧道）结构钢筋和沿线金属管线均为导体，轨道交通直流供电系统走形轨自身含有电阻，而且无法做到走形轨道完全绝缘，会有一些电流由走形轨道泄漏通过结构缺陷处进入道床（隧道）结构钢筋和沿线金属管线，形成阴极区，电子从另一缺陷处流出，并再次回至钢轨回流点[1]。电子流出部位为阳极区，当有杂散电流从钢轨阳极区的位置流出后，就会出现氧化反应，即为杂散电流腐蚀，这类杂散电流会腐蚀结构中的钢筋，降低钢筋的强度。

图1 地铁杂散电流腐蚀

3 杂散电流防护原则

该工程采用“以防为主、防排结合、以排为辅、加强监测”的原则进行杂散电流的防护设计。

（1）对杂散电流出现的源头进行控制，降低杂散电流出现的数量[2]。

（2）采用排流等方法对出现的杂散电流进行处理，降低杂散电流产生的腐蚀。为了降低结构钢筋和金属管线受到的腐蚀，需要做好轨回流处理，安装好正线走行钢轨绝缘，将杂散电流主收集网布置在道床中。

（3）实时对杂散电流进行监测，如果发现杂散电流值过大，需要及时进行控制。

4 地铁杂散电流防护措施

4.1 源控法施工

为了避免杂散电流进入到设备和主体结构中，源控法也是常用的一种方法。这种方法主要是隔离开杂散电流的泄漏途径，并做好走行轨绝缘，提高结构主体产生的过渡电阻，并降低行走轨电阻值，避免杂散电流进一步出现蔓延。

4.2 排流法施工

使用收集系统和排流系统将杂散电流返回到牵引变电所负母线通路的方法即为排流法，利用排流法可以有效避免电流从系统中向外继续泄漏，降低腐蚀。其原理如图2所示。排流支路是否投入使用可以采用直流接触器CZ进行控制，利用R、C对主回路通断时出现的尖峰脉冲进行抑制。利用硅二极管D1来避免出现逆向排流。当出现短路故障时，则利用Fn快速熔断器对排流柜进行保护，避免其受到损害。通过电流传感器M检测排流回路中的排流电流量大小。利用IGBT通断占比率控制占比率，从而使电流疏松大小更好地得到控制，将IGBT关断时，将电流电阻R1和R2接入到排流回路中，这时产生的排流电流很小。正常情况下，利用IGBT导通占空比将排流比控制在规定范围值内。

图2 智能排流柜原理图

在进行施工时，需要根据杂散电流防护设计对钢筋连接位置进行处理，然后按照要求将预埋孔布设好。在进行主结构工程施工时，要分段实现测防端子的安放以及主钢筋纵向可靠焊接。主体结构要保持良好的电气绝缘性。具体措施如下：

（1）轨道交通土建各结构段内部的主筋，应实现可靠焊接，在结构段两端的变形缝或沉降缝处附近应按设计要求焊接引出杂散电流测防端子（简称“引出端子”），包括结构段连接端子、杂散电流监测系统测量端子、排流端子，所有端子制作焊接要求一致，所有引出端子均位于侧墙上，距离轨面300～500 mm。

（2）车站、区间隧道每个结构段内层纵向钢筋、环向钢筋应电气连通，若有搭接应进行搭接焊，搭接长度不小于钢筋直径的10倍，不允许绑扎[3]。

（3）在结构段两端第一、二排环向钢筋与其他结构层纵向钢筋全部焊接；在结构段中每隔5 m应将其内层环向钢筋与内层纵向钢筋全部焊接；在列车行驶区（即垂直轨道下方）选两根钢筋与所有环向钢筋焊接（排流条）；在进行节段施工时，要使用红色油漆标识出防迷流钢筋，焊接钢筋时不能出现误焊和漏焊的情况。图3为钢筋焊接示意图。

图3 钢筋焊接示意图

（4）在侧墙上布置防迷流测量端子和引出端子。引出连接端子需要布置在现浇墙和伸缩缝两侧内衬墙，然后从伸缩缝两侧引出。接着使用95mm的铜电缆连接好，在结构两端结构缝将杂散电流连接端子焊接引出，要求轨面和端子之间的垂直距离为500 mm，两侧连接端子和结构缝之间的距离为200 mm，并利用直径为95 mm的绝缘电缆连接好。在牵引变电所车站中布置排流端子，将排流端子从牵引变电所处的电缆夹层引出。对于车站结构中结构段位置，需要在结构两段结构缝的位置将杂散电流连接端子焊接好，并和绝缘铜电缆连接好。其他结构段要和剩下的钢筋进行绝缘处理。使用镀锌扁钢作为测量端子，并和结构中两根纵向钢筋焊接好[4-5]。

（5）轨道交通主体结构的防水层必须具有良好的防水性能和电气绝缘性能，防水材料的体积电阻率不小于108Ω·m。

（6）盾构区段的防护方式采用隔离法，即盾构管片之间的结构，相互之间没有电气连接。

4.3 杂散电流防护监测措施

4.3.1 防腐蚀监控

该工程使用杂散电流监控系统监视杂散电流的大小，因为无法直接测试杂散电流，因此可以使用结构钢极化电压测量电压，并使正向偏移的极化电压平均值保持在0.5V内，将一个长期有效的参考电机埋入到整体道床上，并用其测量整体道床和排流网的参考电极电压。将一个参考电极布置在隧道侧壁处，然后测量结构钢参考电极和侧壁的电压，并使用轨道点位测量轨道电压和双侧壁结构钢电压。

4.3.2 测量自然本体电位

当外界因素干扰到杂散电流时，需要对地铁埋低金属点位出现的稳定值进行检测。将此稳定点位作为自然本体电位。一般在列车停运2 h后对自然本体电位U0进行自动测量，当外部因素干扰杂散电流后，会导致测量电位出现偏移的情况，如果测量得到的电位为U1，那么偏移值为ΔU。

4.3.3 轨道电位0.5 h的最大测量值

在进行测量时，轨道电位瞬时值变化非常大，所以在进行测量时，测量参数和计算参数不是很准确，不过可用于粗略测量。

5 结语

综上所述，杂散电流在地铁运营时，对主体结构及金属管线危害极大，做好杂散电流的防护工作至关重要，所以在施工时要做好杂散电流收集网和走行轨与道床的绝缘，运营时要做好杂散电流监测工作，通过监测指导防护，从而延长地铁结构主体的使用寿命，保证地铁的运营安全。