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/dm
2)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: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)。由于杂散电流的总量增加太多,除牵引所附近钢筋腐蚀减少外,在区间的钢轨腐蚀量将上升。所以说排流法是一把双刃剑,既有其有利的一面,也有其不利的一面。故在地铁系统开通初期,将排流柜投入运行是弊大于利,是没有必要的。只有在将来随着地铁运营年份的增加,钢轨泄漏电阻减小至严重 影响 道床收集网防腐能力时,才考虑将排流柜投入运行。
3 接地系统与杂散电流防护关系 分析
地铁的地下车站及隧道基础结构钢筋比较密集,面积也较大,是很好的接地体。利用这些钢筋的可靠焊接作为接地网,不论从接地电阻要求还是跨步电势、接触电势要求都比单独设置接地装置更容易实施。在 目前 的民用建筑工程中,利用建筑基础钢筋做设备工作接地、安全接地及防雷接地等的接地装置的做法已普遍采用,不仅节省投资也使接地系统更安全可靠。对于地铁系统而言,就是将系统内的结构钢筋、金属管线、金属构筑物、金属附件以及所有不带电的金属物实现电气联接,这样能减小需防止过电压的空间内各金属部件和系统内的电位差,使触及不带电金属物的人员和电气设备本身不出现明显电位差,从而保障人员和设备安全。
我国CJJ49-92《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》中规定,地铁的隧洞衬砌结构和钢筋不应兼做它用。国内地铁也大多没有利用隧道和车站结构钢筋作为接地网.
对国内目前建设的地铁来说,如果设置独立于车站结构的接地装置,对于地下车站,一般设置在站台板下,地面车站则设置在车站四周。这种接地装置除了在满足接地电阻要求方面存在一定意义外,在限制接触电势和跨步电势方面没有意义,反而是车站变电所地板层的结构钢筋起到了这方面的作用。
杂散电流防护中,已经利用道床中结构钢筋作为杂散电流主收集网。杂散电流大部分经道床收集网返回变电所,而且对安装在道床上的信号机、穿越道床的金属管线提出了绝缘要求。如果这些措施能够较好地实施,即使利用地下车站底板结构钢筋做为接地网,也不会因此增加从道床泄漏至地铁其它结构钢筋的杂散电流,不会因此加重结构钢筋的腐蚀。因此利用隧道、车站结构钢筋作为接地装置不会加重杂散电流对结构钢筋的影响。
另外,在实际工程中,很难做到接地与结构钢筋电气上分开;地铁设备、管线太多,即使要求全部采用绝缘安装,也不可能在工程中实现完全绝缘。通过上海、广州等地铁的实践证明,对所有设备及电缆支架等进行绝缘法安装的要求在实现上是困难的,并需追加较大投资,而且在工程实践中其绝缘效果也很难保证。 因此要求接地装置必须独立于地铁结构的意义不大。GB50157—2003《地铁设计规范》已经推荐采用结构钢筋等 自然 接地体作为接地装置使用。为此,行业标准CJJ49—92《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》应尽快修订,以与国家标准的 内容 相一致。
参考 文献 [2]GB50157—2003地铁设计规范[S].
[3]CJJ49—92地铁杂散电流腐蚀防护技术规程[S].