城市轨道交通杂散电流腐蚀防护的影响因素及对策分析

周 悦

(上海申通轨道交通研究咨询有限公司，200070，上海//高级工程师)

在城市轨道交通给市民带来便利的同时，由列车运行产生的杂散电流也对轨道交通自身和周围的设施设备等产生了较大影响。例如：北京地铁某线因杂散电流造成车站主体结构钢筋严重腐蚀；深圳地铁、香港地铁曾发生因杂散电流引起煤气管道穿孔而最终导致煤气泄漏的事故；天津地铁某线也曾发生因杂散电流造成水管穿孔的事件[1]。

城市轨道交通杂散电流会对走行轨及其相关部件、车站混凝土结构中的钢筋、轨道交通周围埋地管线(如：天然气管道、自来水管道、公共事业管线)等造成腐蚀，轻则缩短设施设备的使用寿命，重则造成人员的伤亡和财产的巨大损失。

1 城市轨道交通杂散电流防护的影响因素分析

目前，我国各地城市轨道交通杂散电流防护基本采取“以堵为主、以排为辅、堵排结合、加强监测”的综合防护方式进行治理。但在实际工程项目的实施及后期运营维护中，杂散电流腐蚀防护仍出现了诸多问题。因此，有必要从设计、设备、施工、运营维护等方面对杂散电流腐蚀防护工程中的关键因素进行分析。

1.1 设计因素

1.1.1 未设置排流柜的设计方案

某城市轨道交通运营线路的部分区段钢轨电位限制装置频繁动作，某些车站的钢轨电位限制装置甚至出现1 d 内动作上百次的情况。在排除了设备等自身故障的可能性后，维修人员最终将故障原因锁定在了“杂散电流”上。该线路运营时间较长，伴随着设施设备绝缘的老化，杂散电流腐蚀情况亦日渐突出，单纯依靠“堵”的方式已不能有效控制杂散电流的增长趋势。但该线路在杂散电流腐蚀防护系统设计时，仅设置了相应的监测设备，未设计排流柜(见图1)。

如图1所示，该线路为全高架车站线路，全线利用高架桥轨道梁结构中的钢筋设置了杂散电流收集网，并在收集网测量端子1 m内设置参比电极，采用杂散电流监测装置负责实现对杂散电流的数据监测，变电所负极通过回流电缆与钢轨相连，全线未设置排流柜。

随着运营时间的增加，杂散电流逐渐增加，当杂散电流累计到一定程度，且没有一个良好的电气通路及时回到变电所负极时，就会造成杂散电流四散流至轨道交通主体结构、附属结构以及公共设施管道，从而对其造成一定程度的腐蚀。

图1 未设置排流柜的设计方案

1.1.2 将车站与区间隧道结构钢筋作为排流网的设计方案

我国某些城市轨道交通线路排流法的做法是：将整体道床内的纵向结构钢筋按一定要求连接，建立杂散电流主收集网；利用车站和区间隧道结构钢筋的可靠电气连接，建立杂散电流辅助收集网[3]；在正线牵引变电所附近设置整体道床和车站结构钢筋的排流端子，将杂散电流主、辅助收集网与牵引变电所内排流柜连接(见图2)。

图2 将车站与区间隧道结构钢筋作为排流网的设计方案

文献[4]对于将车站与区间隧道结构钢筋作为杂散电流辅助收集网，并将其作为排流网接入排流柜的做法存在争议，但当时相关国家标准未有明确禁止规定，所以不少城市采取此做法。GB 50157—2013《地铁设计规范》自2014年3月1日起施行，其中15.7.3条规定：“无砟道床中应设置排流钢筋网，并应与其他结构钢筋、金属管线、接地装置非电气连接。不应利用结构钢筋作为排流网[5]。”如图2所示，车站和隧道结构钢筋作为排流网被接入排流柜中，同时变电所接地母排也被接入排流柜中,该做法违背了相关国家标准。

1.2 设备制造因素

杂散电流腐蚀防护主要由参比电极、接线盒、引出端子、电缆、排流柜、杂散电流监测装置等设备组成。这些设备的性能、功能设置的优劣将直接影响杂散电流腐蚀防护工程功能及作用的发挥。

1.2.1 30 min平均电压计算周期

CJJ 49—92《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》中第3.0.5条规定：隧洞结构的外表面，受杂散电流腐蚀危害的控制指标是由漏泄电流引起的结构电压偏离其自然电位数值。对于钢筋混凝土质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[6]。目前，城市轨道交通也是以此指标作为判断杂散电流腐蚀是否超标的依据。

在实际工程运用中，设备制造商对于极化电压的采集为秒级，但对于将30 min平均电压计算周期设置为整点和半点的情况，即：如从10:00开始采集数据，按1 s或每2 s采集1次极化电压数据，当10:30时，将10:00—10:30范围内的所有采集数据进行30 min平均值计算；当11:00时，再对10:30—11:00范围内的所有采集数据进行30 min平均值计算。当10:05—10:35之间的30 min平均电压出现大于0.5 V的情况时，此时的杂散电流实际上是超标的，但按照整点和半点计算的设置则无法监测到杂散电流腐蚀超标的情况，更无法据此进行相应的告警或采取防护处理。长期如此，则可能遗漏了许多杂散电流腐蚀超标的情况，更无法真实地反映杂散电流的腐蚀状况。

1.2.2 参比电极检测

在夜间无列车运行时段，杂散电流监测装置测得的是参比电极的本体电位，在白天列车运行时段，测得的是参比电极与钢筋的电压，将该电压减去夜间测得的参比电极的本体电位，即得到钢筋极化电压的正向偏移值，将此偏移值进行30 min平均值计算，并将计算的平均值作为判断杂散电流腐蚀是否超标的依据[7]。因此，在杂散电流腐蚀防护工程中，将参比电极作为测量钢筋极化电压的基准，对于极化电压测量的准确性起着至关重要的作用。当参比电极出现异常或损坏情况时，所得到的极化电压值亦会出现错误。

由于轨道交通线路上的参比电极数量众多，如果杂散电流监测装置不能对参比电极出现的异常进行告警，则当参比电极出现损坏或本体电位数据异常时，运营维护人员将不能及时了解故障情况，这样将会对线路运营时的杂散电流数据的正确性造成影响。

1.3 施工因素

除了设计和设备制造因素外，施工也是影响杂散电流腐蚀防护工程的一个重要环节。

1.3.1 隐蔽工程的施工质量与工序检测

杂散电流腐蚀防护工程中有很多隐蔽工程，特别是土建施工，如：回流走行钢轨下方杂散电流排流网的敷设，车站、区间隧道主体结构防水层的设置，以及地下车站每个结构段内纵向结构钢筋的电气连通。这些隐蔽工程的施工对整个杂散电流腐蚀防护工程起着重要作用。

1.3.2 施工现场设施设备的防护

在杂散电流腐蚀防护工程施工交付时，经常出现回流电缆、均流电缆、杂散电流引出端子(包括连接端子、测量端子、排流端子)缺失等情况。除了遗漏施工等因素，绝大多数是因被盗而造成的缺失。由于均回流电缆和引出端子为铜材质，其价格较为昂贵，引得不少不法分子前来盗窃。此类事情的发生反映了施工单位对于施工现场设施设备防护中的漏洞以及防护措施不到位等问题。

1.4 运营维护因素

在城市轨道交通线路日常运营过程中，运营维护管理对于杂散电流腐蚀防护工程来说显得尤为重要。

1.4.1 对故障报警的反应与处理速度

杂散电流腐蚀防护是轨道交通供电系统的一个组成部分，但相比较其它供电系统设备而言，容易被忽视。因为杂散电流腐蚀防护设备出现故障后，很少会对轨道交通线路的运营产生直接影响，所以运营维护人员重视不足，对于其出现故障报警的反应及处置速度相较其他供电系统设备明显降低。

1.4.2 道床清洁、绝缘垫更换

杂散电流腐蚀防护工程是一个系统工程，不仅仅依靠供电专业，它需要多专业相互协作和共同维护。保持轨道交通道床面的清洁、干燥和对于不符合绝缘要求的钢轨绝缘垫进行及时更换，看似是轨道工务专业的职责，其实却是从“以堵为主”的源头治理杂散电流的好方法。但是，这些往往是在运营维护工作中最容易被忽略的事情。

1.4.3 常闭车站钢轨电位限制装置

在城市轨道交通线路实际运营中，经常会发生由于屏蔽门处站台绝缘带绝缘不佳或车站结构渗漏水造成屏蔽门与车站主体结构接触，从而导致屏蔽门打火的情况[8]，为了快速消除此打火现象，运营维护人员经常通过常闭车站钢轨电位限制装置来解决。看似该故障已经得到了解决，实际上并没有真正找到造成打火的根本原因。由于常闭车站钢轨电位限制装置使得钢轨长期接地，在某种程度上导致杂散电流的增多[9]。

2 对策分析

2.1 设计方面的对策

2.1.1 未设置排流柜的设计方案的相应对策

杂散电流腐蚀是一个缓慢的、漫长的过程。在城市轨道交通线路运营初期，由于走行轨与道床之间的绝缘程度较高，设施设备相对较新(如道床排水顺畅、走行轨磨耗较少)，此时杂散电流相对较少。随着运营时间的推移，由于走行轨磨耗增加，道床周围铁屑、灰尘和油污等的累积，道床排水系统设施老化造成道床积水等原因，引起钢轨对地过渡电阻值降低，以及杂散电流增多。在依靠“堵”的方式已不能有效控制杂散电流的增长时，应考虑投入排流装置。而且根据GB50157—2013《地铁设计规范》中15.7.5条规定：牵引变电所应设置杂散电流监测及排流设施，应根据杂散电流的监测情况，决定是否将排流设施投入使用[3]。

原有方案已经设置了杂散电流收集网，因此针对该方案的解决对策就是增加排流柜。排流柜被设置在牵引变电所内，是杂散电流腐蚀防护的重要设备，它使杂散电流单方向流回到牵引变电所的负极，防止杂散电流过多地流向车站主体结构钢筋和其他金属导体。

排流柜原理如图3所示。由图3可知，IGBT(绝缘栅双极型晶体管)与电阻器并联，根据不同的占空比组成可调的限流电阻；直流接触器用于控制排流柜是否投入使用；熔断器用于发生短路或过载时对排流柜内元器件进行保护；电流传感器用于检测排流网电流的大小；二极管是排流柜的核心元件，利用其正向导通、反向截止的特性实现杂散电流的极性排流[10]。同时，控制器通过控制IGBT的导通和断开来调节电阻器的电阻值，使排流柜排流处于理想状态[11]。

图3 排流柜原理

2.1.2 将车站与区间隧道结构钢筋作为排流网的设计方案的相应对策

由于车站与区间隧道结构修补难度极大，一旦被腐蚀将造成较严重的后果，因此不能将车站与区间隧道钢筋作为排流网。

采取的相应对策如下：利用整体道床结构钢筋的可靠电气连接，形成杂散电流排流网；整体道床结构缝两侧分别引出结构钢筋连接端子作为杂散电流排流网的连接端子；设有牵引变电所的车站，在牵引变电所附近上、下行线路的整体道床上分别设置1个排流端子。地下车站、区间隧道结构钢筋不再作为排流网，而是将地下车站、区间隧道结构钢筋通过可靠的电气连接进行防护。变电所接地母排不再接入排流柜，仅将上、下行整体道床结构钢筋接入排流柜即可。

2.2 设备制造方面的对策

2.2.1 30 min平均电压计算周期的相应对策

对于极化电压的采集依然采用秒级，但是对于30 min平均电压的计算则应尽量缩短计算周期。

建议以分钟作为移动周期，如可将10：00—10：30作为1个计算周期，下一个计算周期为10：01—10：31，再下一个计算周期为10：02—10：32，依次类推来缩短30 min平均电压值的计算周期。因此，当以非整点或半点作为计算初始时间而产生杂散电流腐蚀情况时，亦能被监测装置捕捉到，此种方法更能真实地反映杂散电流的腐蚀情况。

2.2.2 参比电极检测的相应对策

在杂散电流监测装置中增加参比电极本体电位异常告警功能。当监测到参比电极本体电位高于或低于日常数值的15%～20%时，则应进行告警，以引起运营维护人员的注意，便于及时进行后续处理。

2.3 施工方面的对策

采取的施工对策如下：

(1) 严格把控施工质量，特别是隐蔽工程的施工质量。

(2) 隐蔽工程在隐蔽前应进行验收，验收合格后方能进行隐蔽。

(3) 每道施工工序之间应进行交接检验，在进行下道工序前，上道工序必须经过检测或验收，验收不合格不得进行下道工序的施工。

(4) 传统外露型扁铜杂散电流引出端子易被破坏或偷盗，建议采用埋入式引出端子[12]。

(5) 施工单位应做好施工现场设施设备的防护工作。

2.4 运营维护方面的对策

(1) 提高对杂散电流腐蚀防护工程后期运营维护的重视程度，加快故障报警的及时反应与处理速度。

(2) 应对城市轨道交通线路进行定期清扫并保持排水畅通，以确保道床面清洁、无积水。

(3) 对于屏蔽门打火等情况，应找出问题的根本原因并进行处理，不能一味地靠常闭车站钢轨电位限制装置来解决。

3 结语

杂散电流腐蚀防护是一个综合性工程，涉及牵引供电、轨道、桥梁、结构、给排水、通信和信号等多种专业。因此在设计、施工及运营维护中，任何一个环节出现疏漏，都会导致杂散电流腐蚀防护工程出现问题，造成对轨道交通自身及周边设施设备的腐蚀及危害。希望在今后的相关工程中，各专业人员能环环相扣、密切协作，将杂散电流腐蚀防护工程做得更好。