碎石道床城轨系统杂散电流特点及防护的探讨

[摘要]：长距离地面碎石道床城市轨道交通目前国内尚没有建设或运营的线路，对碎石道床的杂散电流防护也没有成熟的经验。分析了碎石道床情况下杂散电流的影响因素和杂散电流的大小，同时提出了一些杂散电流防护的措施。

[关键词]：碎石道床 杂散电流 防护措施 地轨系统

1 引 言
　　 随着我国国民经济持续快速的增长，城市规模和人口数量正在迅速扩大，城市交通变得越来越拥挤。为了改善市民的居住环境，提高居民出行的的便捷性和舒适性，同时也为城市的可持续发展创造良好的基础条件，目前国内的几大区域性中心城市都在大力发展各自的城市轨道交通项目――轻轨或地铁。
　　 目前国内新建的城轨交通项目非桥即隧，而且大都采用整体道床，这样便可在城轨建设初期通过采取一系列措施来阻止杂散电流的产生和限制、降低杂散电流对沿线地埋金属管道和结构钢筋的影响，这种情况下，杂散电流很难扩散到城轨系统外而变成公害。但如果城轨系统利用原来的国铁改造而成，且杂散电流的防护措施又不当，那么杂散电流则很容易经碎石道床流至城轨系统外，对附近的金属及金属构筑物造成强烈的腐蚀而引起重大损失，从而成为社会公害。
　　 南京轨道交通８号线是南京市城轨交通规划网络的一部分，该线东起沧波门，西至江宁镇，线路全长 35 km，其中高架线路约 12km（铁跨公立交桥），其余均为地面线路。其建设规划是充分利用既有单线宁芜铁路沧波门至江宁镇段（约22km）线路的基础设施（即轨枕、扣件和碎石道床基本不动，只将该段的既有短钢轨焊接成长钢轨），在该段线路的旁边新建一条铁路，形成８号线的上下行线路，开行城市轨道列车。
　　 本文以拟建的南京轨道交通 8 号线（以下简称８号线）为例，分析了碎石道床情况下杂散电流的影响因素和杂散电流的大小；而且，为了避免杂散电流造成的危害，本文还提出了一些防止城轨杂散电流扩散的措施。
2 碎石道床杂散电流的影响因素及其危害
　　 目前，我国城轨交通大多采用 750V 或 1500V直流牵引供电系统，如已开通运营的南京地铁 1号线和正在施工的 2 号线均采用 1500V 直流牵引系统，因此，规划中的８号线也计划采用直流牵引供电方式，并利用走行轨作为回流轨。由于钢轨不可能完全绝缘于大地，故以走行轨为回流轨的直流城轨系统将会不可避免地产生杂散电流，而杂散电流的大小主要取决于钢轨网的状态，即线路的纵向电导和横向电导。钢轨纵向阻抗愈低和“钢轨－大地”电阻愈高，则流入大地的牵引电流越少。此外，牵引负荷、牵引变电所之间的距离及其工作状态，也可影响电流的漏泄。
　　 钢轨对地的过渡电阻，是确定杂散电流大小的基本因素，如图1 所示。此电阻的主要部分为轨枕、道碴和路基的电流漏泄电阻（是过渡电阻的 75～90％）；其次为电流流散大地的电阻，约占10～25％。一条铁路干线的两根轨条的过渡电阻标称值，根据道碴状态的不同而不同：清洁石碴的为0.5～1.0Ω·km；污秽石碴的为 0.3～0.5Ω·km；水分和污秽增加时，电阻减少三分之二至五分之二，上冻时，增加 3～10 倍。这表明，铁路钢轨过渡电阻的实际范围在碎石道碴的情况下为 0.3～1Ω·km。而根据《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》CJJ 49-92 中的规定，为了限制城轨系统杂散电流，对于新建线路的钢轨过渡电阻不应小于15Ω·km，对于运营线路不应小于 3Ω·km。
　　 由图 1 可知，当钢轨的过渡电阻为 0.3～1Ω·km时，漏泄至大地中的杂散电流将达到牵引电流的10%～20%，此时杂散电流的大小与规定的 3Ω·km标准对应的杂散电流大小相差了一个数量级，可见碎石道床对牵引电流的漏泄比整体道床强很多，当城轨交通的机车牵引电流为 1000A 时，漏泄至地中的杂散电流将高达 100～200A。

转贴于

　　 对于如此强大的漏泄电流，如果我们不采取有效的防护措施，将会造成不可估量的损失。研究资料表明，当杂散电流为 1A 时，一年内可腐蚀 2.9kg铅、10.4kg 铜和 9.1kg 铁，即使是钢筋混凝土中的钢筋，平均一年内也可被 1A 的电流腐蚀掉 2.58kg。另外，大地中的杂散电流还会造成地埋管道绝缘层的老化和剥落，缩短其使用寿命。当杂散电流达到几十安培甚至几百安培时，其对附近地下金属管线的腐蚀将达到非常严重的程度，如一根壁厚 8～9mm 的钢管，2～3 个月就会被腐蚀穿孔。
3 杂散电流防护措施的探讨
　　 由上述分析可知，地面碎石道床城轨系统产生的杂散电流是如此之大（达到几十安培甚至上百安培），而杂散电流的危害性又是如此严重，因此，在 8 号线设计中，如何同时实现轨道交通的正常运营和沿线地下金属设施的安全使用，成为目前亟待解决的问题。
　　 城轨系统杂散电流防护的基本原则：一是以治本为主，将杂散电流减小到最低限度；其次限制杂散电流向系统外扩散；另外城轨附近的地中的金属管线结构，应单独采取有效的防蚀措施。防护杂散电流最根本的原则是“堵”，即通过增大回流轨道对地的过渡电阻，减少回流轨的纵向电阻来阻止或减少杂散电流的产生。但由于地面碎石道床城轨系统为一开放系统，全天候暴露于自然环境中，粉尘、雨雪、霜冻对其轨地间的过渡电阻影响很大。因此，仅仅通过“堵”的方式来减小其杂散电流，效果将不甚理想。
　　 欲减少对沿线地埋金属设施的危害，采取合理措施将业已产生的杂散电流限制在系统内而不向外扩散则成为关键所在。对此，本文提出如下方案：
　　 （1）在各车站两端和区间每隔 300 米处以电缆连接上下行钢轨，另外在线路的坡道地段也用电缆将上下行钢轨连接起来，以降低回流轨的纵向电阻，同时便于牵引电流的及时回流。
　　 （2）在碎石道床两旁的路肩内侧，沿着线路方向每隔３米垂直埋入 1.5 米长扁铜，并将这些扁铜连接起来，通过电缆接至各牵引变电所排流柜的负极。这些扁铜相当于杂散电流的收集网和排流网，为杂散电流提供了畅通的回流通路，使其不向外扩散。
　　 （3）在铁跨公立交桥上，可利用桥梁的表层结构钢筋作为杂散电流的收集网，在桥梁两端将表层结构钢筋与线路两旁的扁铜用电缆进行连接，以形成杂散电流排流网。
　　 （4）由于碎石道床产生的杂散电流很强，因此排流柜必须长期处于投入状态，从而使得钢轨的对地电位升高。为了保障乘客和工作人员的安全，在每个车站及长距离区间的中间，必须安装钢轨电位限制装置。
　　 以上几点措施均是针对杂散电流业已产生的前提下提出的，属于消极被动的杂散电流防护举措；积极主动的杂散电流防护措施可采用第三轨回流或第四轨回流方式，此两种情形均不会产生杂散电流，也就不用担心杂散电流危害和杂散电流防护。
4 结束语
　　 杂散电流是直流轨道交通工程建设中必须予以高度重视的一个问题，对其采取有效的防护措施是十分必要的。杂散电流的防护是一项综合性工程，其实施需要多个相关专业的协调与配合，任何一项措施的采用都需综合考虑其投入成本和防护效果。为了避免杂散电流的影响，改变轨道交通系统的供电制式，变直流为交流，也不失为一种有效的选择。

参考文献