杂散电流的形成与危害

一、杂散电流的产生

地铁牵引变电所通过架空接触网（接触轨）向地铁沿线输送电能，电力机车通过其受电弓（集电靴）与架空接触网（接触轨）滑动接触而取得电能。电能驱动电力机车的牵引电机完成电能到动能的转换，然后经由与电力机车车轮相接触的走行轨道回流至地铁牵引变电所。由于钢轨和大地难以做到完全绝缘，因此在回流过程中，牵引负荷电流并非全部沿电力机车的走行钢轨返回地铁牵引变电所，而是必定会有一部分电流在钢轨与大地绝缘较差的地方泄露流入大地，有一部分会再沿大地流回钢轨回路，最后流回地铁牵引变电所；而有一部电流会永远留在大地中，形成地中电流。因此，杂散电流又称地中电流或者迷流。地铁杂散电流形成示意图如图7.1所示。图中，IF是地铁牵引变电所供给电力机车的牵引负荷电流，IH是以列车走行钢轨为回流通路的回流电流，IZ为大地中的迷失电流即杂散电流。

图7.1　地铁杂散电流形成示意图

二、杂散电流的腐蚀原理

如图7.2所示为地铁杂散电流腐蚀原理图。1．腐蚀过程

地铁直流牵引供电方式所形成的迷流及其腐蚀部位如图7.2所示。图中的IF为牵引电流，

IH、IZ分别为走行轨回流和泄漏的杂散电流。由图可知，地铁杂散电流（迷流）所经过的路径可概括为两个串联的腐蚀电池：

电池Ⅰ：A钢轨（阳极区）→B道床、土壤→C金属管线（阴极区）。

电池Ⅱ：D金属管线（阳极区）→E土壤、道床→F钢轨（阴极区）。

当杂散电流由图7.2中两个阳极区［钢轨（A）和金属管线（D）］部位流出时，该部位的金属铁（Fe）便与其周围的电解质发生阳极电解作用，此处的金属随即遭到腐蚀。这种腐蚀的过程，实际可能发生两种氧化还原反应：当金属铁（Fe）周围的介质是酸性电解质，即pH＜7时，发生的氧化还原反应是析氢腐蚀；当金属铁（Fe）周围的介质是碱性电解质，即pH≥7时，发生的氧化还原反应为吸氧腐蚀。

在析氢腐蚀时，腐蚀的化学反应方程式如下：

阳极：2Fe＝2Fe2++4e－；

阴极：4H+ + 4e－＝2H2↑（无氧的酸性环境）; 4H2O + 4e－＝4OH－ + 2H2↑（无氧环境）

在吸氧腐蚀时，腐蚀的化学反应方程式如下：阳极：2Fe＝2Fe2++4e－；

阴极：O2+2H2O + 4e－＝4OH－（有氧的碱性环境）

上述两种腐蚀反应通常都会生成Fe(OH)2，而从钢筋表面或介质中析出，部分还可以进一步被氧化形成Fe(OH)3。生成的Fe(OH)2会继续被介质中的O2氧化成棕色的Fe2O3·xH2O（红锈的主要成分），而Fe(OH)3可进一步生成Fe3O4（黑锈的主要成分）。

图7.2　地铁杂散电流腐蚀原理图

2．腐蚀特点

杂散电流腐蚀一般腐蚀激烈，集中于局部位置；当有防腐层时，又往往集中于防腐层的缺陷部位。杂散电流腐蚀和自然腐蚀有较大的差异，具体如表7.1所示。

表7.1　杂散电流腐蚀和自然腐蚀的差异

三、杂散电流的危害

结合目前国内地铁运营的现状分析，由地铁杂散电流造成的危害主要有以下四个方面。

1．钢筋混凝土金属结构物、埋地金属管线的腐蚀

泄露向大地的地铁杂散电流主要是对地表高层建筑深埋在地下的结构钢筋、地铁系统隧道和车站的主体金属结构钢筋、城市自来水、煤气及石油的输送金属管线造成很大程度的危害。这些管线中的铸铁管由于表面涂了涂料、油漆或者沥青等高强度绝缘防护层，抗腐蚀能力较强，但对于无法涂防护层的钢管和金属结构钢筋，其腐蚀就十分严重，如上海地铁2号线沿世纪大道下的DN300钢管从2000年开通运营到2010年已经发生十多次的腐蚀泄漏事故。而浦东这一地区有大量的天然气输气管道，地铁杂散电流对输气管道的腐蚀不仅对燃气公司的正常供求产生负面影响，还对周围的大气环境造成了严重的污染。

杂散电流对于混凝土结构本身不会发生腐蚀，但对其中的钢筋腐蚀作用很大，因为钢筋处于阳极。如果存在地下结构钢筋与走行钢轨相接触的地方则会加剧对结构钢筋和走行轨道的腐蚀，而这些地下混凝土结构钢筋一旦遭受腐蚀，将使得整个隧道混凝土结构及车站主体结构寿命下降，而且这些混凝土结构中的钢筋在地铁开通运营后几乎无法更换，结果会使得整条地铁线路无法正常运营。

2．钢轨及其附件的腐蚀

地铁运营系统的钢轨及钢轨的一些附件存在很严重的腐蚀，特别是钉入道床的道钉，一方面这些地方很难做到很好的绝缘，经常发生杂散电流腐蚀；另一方面由于钢钉钉入地下腐蚀状态很难发现。

3. 框架泄漏保护的误动作

若钢轨（走行轨）局部或整体对地的绝缘变差，则此钢轨（走行轨）对大地的泄漏电流增大，地下杂散电流增大，这时有可能引起牵引变电所的框架保护动作。而框架保护动作时，整个牵引变电所的断路器会跳闸，导致全所失电，同时还会联跳相邻牵引变电所对应的馈线断路器，从而造成较大范围的停电事故，影响地铁的正常运营。

4. 钢轨限位装置的误动作

地铁运行时，当地铁车辆停靠在站台，乘客上下车辆的时候，乘客一脚在接地的站台，而另一脚在地铁车辆，地铁车辆通过车轮与走行钢轨相接触，若钢轨电位过高，则乘客两脚之间形成电位差，危及乘客的生命安全。因此，为了限制走行轨道出现不明原因的电位升高，设置了钢轨电位限制装置。但杂散电流引起的钢轨电位升高将使钢轨电位限制装置经常性地出现误动作。根据2009年北京地铁公司对北京地铁5号线一个地下车站运行十个月的统计，这个变电所装设的钢轨电位限制装置总共误动作1 700余次。钢轨电位限制装置误动作将使得牵引变电所负极直接接地，这样一来，使得原本设置在车站附近作为保护人身安全的钢轨电位限制装置经常作为排流柜使用，降低了钢轨电位限制装置的使用寿命。