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1、地铁杂散电流的腐蚀及防护影响分析摘 要 根据轨道交通的杂散电流产生原理,结合工程实际,提出了杂散电流防护体系;并结合轨道交通的工程特点,从杂散电流与接地的关系分析,提出了隧道和车站的结构钢筋可用作设备接地的建议。关键词 轨道交通,杂散电流,腐蚀与防护1杂散电流产生的主要因素在地铁工程实施中,虽然全线钢轨采取对地绝缘,在任何地点不直接接地或通过其它装置接地,但钢轨对地泄漏电阻率仍不可能无限大,一般在5~100Ω·km范围。当列车在两牵引所间运行时,钢轨电位如图1所示,列车位置处为阳极区,钢轨电位为正;牵引所附近为阴极区,钢轨电位为负。钢轨电
2、位产生的原因是牵引回流电流在钢轨上产生了纵向电压。研究表明,钢轨电位的大小,与钢轨泄漏电阻率的关系不大。当钢轨对地泄漏电阻率在5~100Ω·km变化时,钢轨对地电位基本不变,这是由于钢轨对地泄漏电阻远大于从牵引所至列车位置的钢轨纵向电阻。杂散电流强度的大小,就是图1中阴影区段从钢轨泄漏至地下的电流密度的积分。 全线杂散电流的总量基本上只与全线钢轨正电位及钢轨对地泄漏电阻有关。因此,降低钢轨电位及增大钢轨泄漏电阻是杂散电流防护的基础。2防止杂散电流对钢筋腐蚀的原理2.1利用腐蚀钝化状态杂散电流对金属构件(结构钢筋和金属管线)的腐蚀为电化学腐
3、蚀。当杂散电流进入金属构件时,对其不产生腐蚀;而当杂散电流从金属构件流出至非金属介质时,对其产生腐蚀。对于结构钢筋,其腐蚀的原理是钢筋与其周围的水泥硅酸盐发生电化学反应,钢筋释放铁离子与周围电解质反应生成其它化合物。若电流密度小于0.6mA/dm2,则电化学反应发生后会在钢筋表面形成一层白色的化合物。该化合物的电阻率较大。随着时间的延续,当该化合物厚度达到一定程度时,就会成为包裹钢筋的一层外绝缘层,从而阻止钢筋与外部水泥硅酸盐电解质的继续接触,阻止了杂散电流对钢筋的继续腐蚀。该状态称为腐蚀钝化状态。通过合理的措施使钢筋处于腐蚀钝化状态,这
4、是杂散电流防护设计的重要内容。因此,为杂散电流提供至牵引变电所负极的畅通金属通路,尽量减少杂散电流流出金属构件的电流密度,阻止杂散电流对其腐蚀,是杂散电流防护的重要措施。2.2控制杂散电流流通途径如图2所示,杂散电流首先从钢轨泄漏至道床,再泄漏至隧道结构和其它结构。因此,应从道床结构着手来限制杂散电流向其它结构泄漏。如果将道床钢筋纵向焊接形成一层纵向电气通路,并赋于道床钢筋一定的截面,使道床钢筋流出的电流密度控制在钝化状态内(0.6mA/dm2)时,则尽管有一定数量杂散电流流出钢筋,却不会使道床结构钢筋受到腐蚀。利用道床钢筋可达到两个目的
5、:一是减少了杂散电流继续向下扩散至隧道钢筋和大地;二是由于道床钢筋本身有一定的截面,从而使杂散电流密度较小而使自身处于腐蚀的钝化状态。同理,通过对隧道结构钢筋进行焊接以形成纵向电气连续通路后,对于从道床钢筋中漏泄的杂散电流起到二次收集作用。由于隧道结构钢筋截面更大,从而使得其腐蚀钝化状态更易达到。显而易见,由于道床钢筋更靠近钢轨,是杂散电流的第一层收集网,而截面积相对隧道收集网要小,若能控制道床钢筋处于腐蚀钝化状态,则下层收集网的隧道钢筋肯定也处于腐蚀钝化状态。即只要道床收集网达到了腐蚀防护要求,下层其它结构设施肯定也没有被杂散电流腐蚀的
6、危险。所以,利用腐蚀钝化原理防腐蚀的重点在于道床收集网,隧道收集网是作为后备收集网而起作用。随着地铁的长年运营,在钢轨对地泄漏电阻逐渐减少后,即使道床钢筋受腐蚀了,隧道钢筋也可不受腐蚀。对地铁杂散电流的防护是分层次的。对地铁结构设施防护重要性的顺序是隧道钢筋、道床钢筋、钢轨。钢轨是可更换设备,道床钢筋从结构上讲也是可以重修的,而隧道钢筋则无论如何应避免结构性修复施工。所以,为重点保护隧道钢筋,在有条件时将其焊接成网是必要的。2.3排流法只有当杂散电流从钢筋流出时才会对钢筋产生腐蚀,而杂散电流流出的区域集中在阴极区(在牵引所附近)。若在牵引
7、所将结构钢筋或其它可能受到杂散电流腐蚀的金属结构与钢轨或牵引所负母排相连,则由于杂散电流总是走电阻最小的通路而直接流至牵引所,从而在阳极区范围内大大减小了杂散电流从钢筋再扩散至混凝土的可能,减少了杂散电流流出钢筋导致的电化学反应。该方法称为排流法(见图3)。地铁早期将金属结构与钢轨直接在牵引所附近相连,称为直接排流法,后来发展到加二极管的单向导通排流、加直流电源的强制排流法等。 但排流法有其缺点:由于采用排流法时,电流从钢筋沿排流电缆(经二极管)流至负母排时,原来负母排的负电位变为接近零电位,从而因钢轨纵向电压的钳制作用使得两牵引所间钢
8、轨的最高对地电位增加了一倍,两牵引所间几乎全部成为阳极区;简单地看,杂散电流总量增加到近三倍(根据某轨道交通杂散电流模拟结果,在远期运营列车对数较高时,设排流柜较不设排流柜的杂散电流约增加一倍
