關(guān)鍵詞：地鐵；雜散電流；干擾監(jiān)測(cè)；排流保護(hù)
1 地鐵雜散電流構(gòu)成公共安全隱患
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展、城鎮(zhèn)化進(jìn)程穩(wěn)步推進(jìn)以及城市人口密度的不斷提升，地鐵、輕軌等公共交通方式的建設(shè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，為市民提供了極大的出行便利。然而，在便民基礎(chǔ)設(shè)施迅速發(fā)展的同時(shí)，安全隱患問(wèn)題亦不容忽視。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，地鐵運(yùn)行過(guò)程中的直流干擾是導(dǎo)致土壤中雜散電流產(chǎn)生的主要根源。目前，地鐵系統(tǒng)普遍采用直流牽引供電方式，并將走行軌作為牽引電流回路。然而，由于鋼軌難以實(shí)現(xiàn)完全對(duì)地絕緣，這種供電方式不可避免地會(huì)產(chǎn)生雜散電流。地鐵運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的雜散電流對(duì)地鐵周邊的鋼軌、主體鋼筋結(jié)構(gòu)以及沿線敷設(shè)的金屬管線造成腐蝕作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，地鐵運(yùn)行過(guò)程中約有5%-10%的牽引電流會(huì)泄漏至土壤中，形成雜散電流。以1500V直流供電地鐵系統(tǒng)為例，牽引電流通常在2000A-3000A之間，因此由軌道泄漏產(chǎn)生的雜散電流可達(dá)數(shù)百安。根據(jù)法拉第定律，1A的直流電流在一年內(nèi)可使鋼鐵腐蝕約9kg。由于雜散電流干擾腐蝕具有長(zhǎng)期的積累效應(yīng)，特別是在管道防腐層破損處，容易導(dǎo)致坑蝕現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)而引發(fā)穿孔等嚴(yán)重后果。因此，地鐵雜散電流已成為一個(gè)不容忽視的公共安全隱患，需引起高度重視并采取有效措施加以防范和治理。
我國(guó)城市地鐵交通網(wǎng)與埋地管網(wǎng)的規(guī)模相較于國(guó)際多數(shù)城市而言，顯得尤為復(fù)雜。同時(shí)，埋地管網(wǎng)面臨的動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾程度及其防護(hù)形勢(shì)亦更為嚴(yán)峻。盡管目前部分燃?xì)夤艿酪褜?shí)施陰保措施，確保管道保護(hù)電位保持在適宜范圍，然而，由于雜散電流的存在，仍導(dǎo)致埋地金屬管道陰極區(qū)防腐層發(fā)生老化和剝離現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，受電氣化鐵路等大型設(shè)施建設(shè)的影響，高達(dá)80%的腐蝕穿孔事故與雜散電流的作用密不可分。因此，如何有效排查并降低地鐵雜散電流對(duì)埋地鋼質(zhì)管道的干擾與腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，成為當(dāng)前管道企業(yè)與地鐵方面共同關(guān)注的重要課題。
2 地鐵雜散電流特點(diǎn)和危害
圖1 地鐵雜散電流的形成示意圖
雜散電流是指在非指定回路中流動(dòng)的電流。在規(guī)定的電路中流動(dòng)的電流，其中一部分自回路中流出，流入大地、水等環(huán)境中，形成了雜散電流。由于電流的流動(dòng)具有指向性，它會(huì)從高阻抗流向低阻抗、高電勢(shì)流向低電勢(shì)。而埋藏在土壤中的鋼質(zhì)管道的電阻比土壤小，電勢(shì)也有可能比土壤低。所以雜散電流在土壤中流動(dòng)，就有可能通過(guò)管道的某一部位進(jìn)入管道，并在其中流動(dòng)一段距離，再?gòu)墓艿郎系哪骋徊课浑x開(kāi)，返回到土壤中，形成一個(gè)閉合回路。雜散電流在金屬燃?xì)夤艿乐辛鲃?dòng)時(shí)，將會(huì)在金屬管道上形成腐蝕電池，其腐蝕現(xiàn)象比自然腐蝕強(qiáng)烈得多，可造成金屬管壁腐蝕，這樣造成的腐蝕被稱(chēng)作雜散電流腐蝕，可能會(huì)導(dǎo)致管道穿孔、燃?xì)庑孤?，甚至燃燒或者爆炸事故?/p>
雜散電流分為動(dòng)態(tài)雜散電流和靜態(tài)雜散電流。隨著時(shí)間變化，電流的大小或方向不斷變化的稱(chēng)為動(dòng)態(tài)雜散電流；而隨著時(shí)間變化，電流的大小或方向穩(wěn)定不變的稱(chēng)為靜態(tài)雜散電流。靜態(tài)雜散電流來(lái)源于外加的電流系統(tǒng)，通常是被強(qiáng)制施加到管道上的，如：其他管線及行業(yè)的陽(yáng)極地床，高壓輸電線路等。動(dòng)態(tài)干擾電流主要來(lái)自一些采用電力制動(dòng)的設(shè)備系統(tǒng)（如地鐵、火車(chē)和采礦作業(yè)等），通過(guò)鄰近防腐層良好的管道網(wǎng)絡(luò)可以傳送到幾千米遠(yuǎn)的地方。
雜散電流干擾又分為直流和交流雜散電流。其中直流雜散電流對(duì)管道的腐蝕影響最大，直流雜散電流腐蝕的危害程度通常是其他形式腐蝕的100倍-1000倍。直流干擾源有直流電氣化鐵路、電車(chē)裝置、直流電網(wǎng)、直流電話電纜網(wǎng)絡(luò)、直流電解裝置、電焊機(jī)及其他構(gòu)筑物陰極保護(hù)系統(tǒng)等，交流干擾源有高壓交流電力線路設(shè)施和交流電氣化鐵路設(shè)施等。
相對(duì)于其他雜散電流干擾，地鐵雜散電流干擾有其顯著的特點(diǎn)：
（1）地鐵運(yùn)行期間雜散電流持續(xù)干擾，地鐵一旦停運(yùn)，雜散電流干擾消失，整體干擾持續(xù)影響時(shí)間長(zhǎng)；
（2）影響范圍廣，因埋地金屬管道一般為長(zhǎng)距離電連續(xù)性，地鐵雜散電流通常可影響幾千米甚至幾十千米范圍；
（3）地鐵雜散電流干擾是動(dòng)態(tài)的，極其復(fù)雜的。因機(jī)車(chē)動(dòng)態(tài)運(yùn)行且多條線路共同影響，使得管道干擾電位持續(xù)正負(fù)波動(dòng)，干擾源甄別困難；
（4）對(duì)于周邊埋地金屬管道而言，在交叉點(diǎn)、平行段和地鐵檢修基地附近的管道上存在顯著地鐵雜散電流干擾，管地電位波動(dòng)超出正常保護(hù)水平，在受干擾高壓管道上也發(fā)現(xiàn)多處因地鐵雜散電流造成的腐蝕干擾點(diǎn)，若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取相關(guān)措施，很可能發(fā)生管道穿孔，造成天然氣泄漏、火災(zāi)爆炸等事故，因此對(duì)于地鐵雜散電流的研究整改刻不容緩；
（5）破壞混凝土結(jié)構(gòu)。在雜散電流由混凝土進(jìn)入鋼筋之處，鋼筋呈陰極狀態(tài)。如果陰極析氫且氫氣不能從混凝土逸出，就會(huì)形成等靜壓力，使鋼筋與混凝土脫開(kāi)。在電流離開(kāi)鋼筋的部位，鋼筋呈陽(yáng)極狀態(tài)而發(fā)生腐蝕，并形成腐蝕產(chǎn)物Fe（OH）2、Fe2O3（紅銹）、Fe3O4（黑銹）等。根據(jù)研究，紅銹的體積可擴(kuò)大到原來(lái)鋼筋體積的4倍，黑銹體積可擴(kuò)大到原來(lái)的2倍。鐵銹在鋼筋表面沉淀，會(huì)使鋼筋體積膨脹，進(jìn)而對(duì)周?chē)炷廉a(chǎn)生擠壓，使混凝土沿鋼筋方向開(kāi)裂，對(duì)地鐵混凝土結(jié)構(gòu)造成破壞；
（6）對(duì)于地鐵本身而言，盡管腐蝕問(wèn)題沒(méi)有管道側(cè)刻不容緩，但其鋼軌、隧道鋼筋混凝土在雜散電流干擾時(shí)也存在較大腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，鋼軌和鋼筋的強(qiáng)度降低，一旦發(fā)生事故將是不可估量的后果，社會(huì)影響惡劣，因此地鐵方也在積極應(yīng)對(duì)雜散電流對(duì)其自身的腐蝕危害。
3 地鐵雜散電流對(duì)燃?xì)夤艿赖母g機(jī)理
3.1 電化學(xué)腐蝕
電流的流動(dòng)是從高電位流向低電位的，雜散電流也是如此。若軌道附近埋設(shè)有金屬管道，且金屬管道存在防腐層破損、剝落等現(xiàn)象時(shí)，金屬電阻率與土壤相比要小很多，因此，泄漏到土壤中的干擾雜散電流絕大部分就會(huì)進(jìn)入管道，在管道防腐層破損點(diǎn)處流進(jìn)流出，通過(guò)大地或水形成一個(gè)回路。通常，土壤中的雜散電流流入埋地鋼制管道的部位，是陰極區(qū)得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，陰極區(qū)的金屬管道一般不會(huì)受影響；從埋地鋼制管道防腐層破損處流出的部位，是陽(yáng)極區(qū)失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，大量金屬會(huì)以Fe3+形式溶入周?chē)碾娊赓|(zhì)中，從而使陽(yáng)極區(qū)的金屬管道發(fā)生腐蝕。雜散電流對(duì)埋地鋼質(zhì)管道腐蝕作用的本質(zhì)就是電化學(xué)腐蝕。
電化學(xué)腐蝕必須具備四個(gè)基本條件：
（l）鋼制管道作為陽(yáng)極（或陽(yáng)極區(qū)），必然還存在一個(gè)陰極（或陰極區(qū)）；
（2）鋼制管道作為陰極（或陰極區(qū)），必然還存在一個(gè)陽(yáng)極（或陽(yáng)極區(qū)）；
（3）在管道周?chē)嬖陔娊赓|(zhì)；
（4）在管道的陰極和陽(yáng)極之間存在電子的流動(dòng)路徑。
以上條件滿足后就會(huì)形成電池效應(yīng)，從而導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕。
以地鐵為例分析雜散電流的電化學(xué)腐蝕機(jī)理。由牽引供電方式制動(dòng)的地鐵，對(duì)管道作用的整個(gè)過(guò)程及其腐蝕部位如圖2所示。圖中的I為牽引變電站提供動(dòng)力的電流，I1和I2分別為行走軌道回流和泄漏的電流。由此可知，整個(gè)電流流動(dòng)的過(guò)程可以看作是2個(gè)串聯(lián)的原電池。
電池1：X為行走軌道（陽(yáng)極區(qū)）→Y床道、土壤→Z金屬管線（陰極區(qū)）；
電池2：W金屬管線（陽(yáng)極區(qū)）→V土壤、床道→U行走軌道（陰極區(qū)）。
圖2 地鐵雜散電流腐蝕原理圖
3.2 電化學(xué)腐蝕反應(yīng)
當(dāng)陽(yáng)極區(qū)流出雜散電流時(shí)，該部位的埋地鋼質(zhì)管道便與周?chē)碾娊赓|(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，此時(shí)管道遭到腐蝕。當(dāng)管道周?chē)娊赓|(zhì)呈酸性PH＜7時(shí)，H+被還原，發(fā)生析氫反應(yīng)；當(dāng)管道周?chē)娊赓|(zhì)呈堿性pH≥7時(shí)，F(xiàn)e被氧化成為Fe3+，發(fā)生吸氧反應(yīng)。反應(yīng)過(guò)程如圖3：
圖3 氧化還原反應(yīng)原理圖
3.2.1 析氫反應(yīng)
3.2.2 吸氧腐蝕
上述兩種腐蝕反應(yīng)生成的Fe(OH)2，都會(huì)在管道表面析出，其中一部分繼續(xù)反應(yīng)形成Fe(OH)3，一部分則會(huì)以棕色的Fe2O3·2XH2O產(chǎn)物形態(tài)存在。Fe(OH)3則會(huì)繼續(xù)反應(yīng)，以Fe3O4（黑鐵銹的主要成分）的產(chǎn)物形態(tài)存在。
4 地鐵側(cè)保護(hù)電位有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求
（1）《地鐵雜散電流腐蝕保護(hù)技術(shù)規(guī)程》（CJJ 49-92）規(guī)定：對(duì)于鋼筋混凝土質(zhì)地鐵結(jié)構(gòu)的鋼筋，上述極化電壓的正向偏移平均不應(yīng)該超過(guò)0.5V。目的在于避免地鐵電流對(duì)自身系統(tǒng)內(nèi)部金屬構(gòu)筑物的腐蝕。
但該標(biāo)準(zhǔn)僅考慮對(duì)地鐵隧道鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（即地鐵本體）的影響，并沒(méi)有考慮雜散電流對(duì)周?chē)饘贅?gòu)筑物（例如鋼制管道）的影響；隧道結(jié)構(gòu)的外表面，受雜散電流腐蝕危害的控制指標(biāo)是由泄漏電流引起的結(jié)構(gòu)電壓偏離其自然電位數(shù)值。
（2）《軌道交通地面裝置》（GB/T 28026.2-2011）第2部分：直流牽引系統(tǒng)雜散電流防護(hù)措施明確提出了雜散電流對(duì)周?chē)鷺?gòu)筑物的影響，規(guī)定：地鐵運(yùn)行高峰期的平均電位不超過(guò)+100mV。
5 管道側(cè)保護(hù)電位有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求
5.1 《城市燃?xì)饴竦劁撡|(zhì)管道腐蝕控制技術(shù)規(guī)程》
（CJJ 95-2003）規(guī)定
（1）施加陰極保護(hù)后，使用硫酸銅參比電極測(cè)得的極化電位至少應(yīng)達(dá)到-850mV或更負(fù)。測(cè)量電位時(shí)，必須考慮IR降的影響。
（2）采用斷電法測(cè)得的管地電位應(yīng)達(dá)到-850mV或更負(fù)。
（3）在陰極保護(hù)極化形成或衰減時(shí)，測(cè)得的被保護(hù)管道表面與土壤接觸的、穩(wěn)定的參比電極之間的陰極極化電位值不應(yīng)小于100mV。
（4）存在細(xì)菌腐蝕時(shí)，管道通電保護(hù)電位應(yīng)小于或等于-950mV；沙漠地區(qū)，管道的通電保護(hù)電位應(yīng)小于或等于-750mV。
5.2 美國(guó)國(guó)家防腐協(xié)會(huì)（NACE）《埋地或水下金屬
管線系統(tǒng)外部腐蝕控制（Control of External
Corrosion on Underground or Submerged Metallic
Piping Systems）》（RP0169-2002）規(guī)定
（1）在評(píng)價(jià)陰極保護(hù)有效性上，腐蝕泄漏史結(jié)合管地電位作為陰極保護(hù)是否達(dá)到了足夠的依據(jù)。
（2）對(duì)于鋼與鑄鐵管道，施加陰極保護(hù)時(shí)的負(fù)（陰極的）電位至少為850mV(CSE)。
（3）必須考慮除構(gòu)筑物與電解質(zhì)界面處之外的電壓降，以便對(duì)測(cè)量的電壓做出有效的解釋。（注意：所謂“考慮”是指，在應(yīng)用下列方法確定電壓降的重要性時(shí)，應(yīng)采用合理的實(shí)用工程技術(shù)，如：測(cè)量或計(jì)算電壓降、檢查陰極保護(hù)系統(tǒng)歷史記錄、評(píng)價(jià)管道及其環(huán)境的自然特性和電性能、確定是否存在腐蝕的實(shí)際證據(jù)等）。
5.3 《埋地鋼制管道腐蝕防護(hù)工程檢驗(yàn)》
（GB 19285-2014）4.2.1規(guī)定
（1）埋地鋼質(zhì)管道的直流干擾，可用管道任意點(diǎn)上的管地電位較自然電位的偏移或管道附近土壤表面電位梯度來(lái)進(jìn)行測(cè)量和評(píng)價(jià)。
（2）當(dāng)電位偏移≥20mV或土壤表面電位梯度＞0.5mV/m，確認(rèn)為有直流干擾。
（3）當(dāng)電位偏移≥100mV或土壤表面電位梯度＞2.5mV/m時(shí)，應(yīng)采取直流排流保護(hù)或其他防護(hù)措施。
5.4 澳大利亞國(guó)標(biāo)《金屬的陰極保護(hù)
（Cathodic Protection of metal structure）》
（AS2832.1-2015）第1部分：管道與線纜規(guī)定
（1）防止土壤對(duì)電位測(cè)試讀數(shù)產(chǎn)生干擾的方法是測(cè)量瞬時(shí)斷電電位。
（2）試片標(biāo)準(zhǔn)：使用試片時(shí)，判斷埋地鐵質(zhì)結(jié)構(gòu)保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)是試片的瞬間斷電電位要么等于或低于-850mV(CSE)；或者比去極化電位低至少100mV。
5.5 英國(guó)，歐洲標(biāo)準(zhǔn)《陰極保護(hù)測(cè)試技術(shù)
（Cathodic protection measurement techniques）》
（BS EN 13509:2003）規(guī)定
（1）“通電電位Eon”，包含各種未知IR降，IR降是隨著時(shí)間和參比電極的位置而變化的。
（2）通電電位的測(cè)量主要用于監(jiān)測(cè)陰極保護(hù)系統(tǒng)，尤其是存在直流牽引系統(tǒng)的雜散電流情況下。此時(shí)，為獲得有意義的數(shù)值，通電電位應(yīng)在一段可以反映干擾水平，以及隨時(shí)間波動(dòng)情況下的時(shí)段內(nèi)，連續(xù)記錄。
（3）在沒(méi)有平衡電流、外部陽(yáng)極或外部陰極所導(dǎo)致的電池電流和雜散電流存在的場(chǎng)合，可使用瞬間斷電電位來(lái)消除保護(hù)電流導(dǎo)致的IR降。所測(cè)得的數(shù)值稱(chēng)為斷電電位Eoff。
5.6 小結(jié)
（1）通電電位（即管地電位）的陽(yáng)性偏移，即正偏值可用于判定直流牽引系統(tǒng)的干擾，需連續(xù)監(jiān)測(cè)。
（2）土壤表面電位梯度測(cè)試因不受埋地金屬等限制，可用于判定土壤中雜散電流的方向和大小等分布。
（3）測(cè)量瞬時(shí)斷電電位可防止土壤對(duì)電位測(cè)試讀數(shù)產(chǎn)生干擾，即消除IR降。斷電電位可在切斷外部保護(hù)電流的瞬間進(jìn)行測(cè)量，認(rèn)為是管道的實(shí)際保護(hù)狀態(tài)，可利用極化試片斷電法測(cè)量瞬間斷電電位，作為燃?xì)夤艿狸幈顟B(tài)的判定依據(jù)。
6 直流雜散電流測(cè)試與評(píng)價(jià)方法
6.1 管地電位檢測(cè)和監(jiān)測(cè)（電位偏移測(cè)試與評(píng)價(jià)方法）
6.1.1 測(cè)試方法
《埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（SY/T 0017-2006）中要求數(shù)據(jù)采集時(shí)間一般為45min，根據(jù)情況也可以擴(kuò)大到12h或者48h，并繪制該測(cè)試點(diǎn)的電位-時(shí)間曲線和電位偏移-時(shí)間曲線圖。
測(cè)試示意圖如圖4所示。通過(guò)在測(cè)試樁等管道附屬設(shè)施處，用電壓表和參比電極進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)測(cè)。
圖4 管地電位測(cè)試接線圖
注：l-管道（被測(cè)體）；2-測(cè)試導(dǎo)線（多股銅芯塑料軟線）；3-電壓表（具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，量程±5V）；4-參比電極；5-測(cè)試樁
根據(jù)測(cè)得的管地電位數(shù)據(jù)，仔細(xì)分析管地電位的波動(dòng)情況、管地電位相對(duì)于管道自然腐蝕電位的偏移程度（參考SY/T 0017-2006《埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》）和30min內(nèi)管道正向偏移的次數(shù)、平均值和最大值，用此3項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)管道所受雜散電流干擾的嚴(yán)重程度。
6.1.2 評(píng)價(jià)準(zhǔn)則
表1 基于管地電位波動(dòng)值的分級(jí)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則
6.2 土壤表面電位梯度測(cè)試
6.2.1 測(cè)試方法
如果土壤環(huán)境中存在雜散電流，由于電流流動(dòng)必然在土壤中形成電位梯度，通過(guò)在土壤表面測(cè)試雜散電流的電位梯度，來(lái)判斷管道是否存在雜散電流干擾，并判斷雜散電流的方向、干擾的嚴(yán)重程度（通過(guò)電位梯度矢量，來(lái)判定雜散電流的方向）。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)試時(shí)間一般為45min。測(cè)試示意圖如圖5所示。在管道附近，利用4個(gè)參比電極和兩個(gè)電壓表，按照?qǐng)D示進(jìn)行布置，測(cè)取與管道垂直與平行方向上的電位差，進(jìn)行矢量合成。用矢量來(lái)表示電位梯度的大小和方向。
圖5 地電位梯度及雜散電流方向測(cè)試圖
注：1-a，b、c、d四支銅-飽和硫酸銅參比電極；2-測(cè)試導(dǎo)線（多股銅芯塑料軟線）；3-A、B兩塊電壓表
6.2.2 評(píng)價(jià)準(zhǔn)則
《埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（SY/T 0017-2006）中規(guī)定見(jiàn)表2：
表2 雜散電流強(qiáng)弱程度的判斷指標(biāo)（電位梯度）
6.3 管道瞬時(shí)斷電點(diǎn)位測(cè)試
埋地鋼質(zhì)管道在陰極保護(hù)系統(tǒng)的作用下，金屬管體會(huì)產(chǎn)生電位負(fù)向偏移，阻止金屬管體發(fā)生腐蝕。管地電位由作用在金屬管體上的極化電位和作用在土壤環(huán)境中的電位差組成，故相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求通過(guò)測(cè)試極化電位來(lái)正確評(píng)判管道是否達(dá)到了有效的陰極保護(hù)。
將探頭埋入土壤中，將開(kāi)關(guān)保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)，不與管道相連接，當(dāng)測(cè)試試片（試片材料與管道材料相同）的對(duì)地電位穩(wěn)定后，即可測(cè)試管道的自然腐蝕電位。將探頭與管道相連，當(dāng)試片極化24h后，在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后及時(shí)讀取電壓表數(shù)據(jù)（探頭中金屬試片的對(duì)地電位），此數(shù)據(jù)即為管道的極化電位，如圖6所示。
圖6 極化電位測(cè)試探頭接線示意圖
注：1-內(nèi)塑料筒；2-高純銅或鋅；3-飽和硫酸銅或鋅鹽溶液；4-半透膜；5-外塑料筒；6-凸起短管；7-微孔陶瓷半透膜；8-飽和電解液；9-鋼盤(pán)
7 雜散電流干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
目前的陰極保護(hù)測(cè)試樁設(shè)置僅能測(cè)量管地電位，無(wú)法系統(tǒng)地分析干擾產(chǎn)生的原因，無(wú)法甄別干擾源并采取相應(yīng)的措施，結(jié)合上述關(guān)于軌交直流干擾的測(cè)量與確定，對(duì)通電電位測(cè)試、極化試片斷電測(cè)試進(jìn)行集成，形成標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試樁，如圖7。
圖7 標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試樁示意圖
7.1 標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試樁集成模塊
（1）長(zhǎng)效參比電極；（2）犧牲陽(yáng)極；（3）管道陰極連接；（4）試片連接；（5）通、斷電電位的測(cè)量與無(wú)線遠(yuǎn)傳；（6）犧牲陽(yáng)極外輸電流監(jiān)測(cè)。
7.2 標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試樁可實(shí)現(xiàn)的功能
（1）通過(guò)對(duì)通、斷電電位的測(cè)量可評(píng)價(jià)雜散電流干擾程度和陰極保護(hù)措施的有效性；
（2）通過(guò)犧牲陽(yáng)極外輸電流監(jiān)測(cè)，可判斷其使用壽命情況；
（3）依托電信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳，可對(duì)管道進(jìn)行系統(tǒng)性干擾分析，確定管道的受干擾情況；
（4）某一區(qū)域測(cè)試完成、排除干擾后，可將地上部分（無(wú)線遠(yuǎn)傳裝置+電源+通斷開(kāi)關(guān)）整體遷移至另一區(qū)域，繼續(xù)監(jiān)測(cè)。
8 雜散電流排流方法研究
8.1 地鐵側(cè)雜散電流防控現(xiàn)狀
目前地鐵方現(xiàn)有措施基本原則：地鐵在設(shè)計(jì)時(shí)考慮雜散電流防護(hù)，但僅限于雜散電流對(duì)其自身內(nèi)部系統(tǒng)的影響，并未考慮對(duì)周邊金屬鋼質(zhì)構(gòu)筑物（例如金屬管道）的腐蝕危害。而事實(shí)上地鐵產(chǎn)生的雜散電流不僅對(duì)周邊管道造成明顯干擾，對(duì)其自身也有不可忽視的隱患存在。
圖8 地鐵側(cè)雜散電流防控示意圖
8.1.1 降低回流通路電阻
減小牽引變電所間距、保證回流通路暢通，增設(shè)輔助回流線，運(yùn)營(yíng)中正線牽引網(wǎng)盡量采用“雙邊”供電等。同時(shí)增加回流軌的截面積和足夠軌道之間的連接間距等。
8.1.2 增大泄漏路徑電路
加大回流鋼軌與道床及主體結(jié)構(gòu)之間的絕緣，走行鋼軌采用點(diǎn)支承并加強(qiáng)支承點(diǎn)絕緣能力；木質(zhì)軌枕、枕木的端面和道釘必須經(jīng)過(guò)絕緣處理或設(shè)置專(zhuān)門(mén)的絕緣層；緊固用的螺栓及扣件與混凝土軌枕之間的絕緣電阻在干燥情況下應(yīng)大于108Ω；使用不接地或二極管接地的回流電路；車(chē)輛段的軌道的絕緣隔離。
8.1.3 排流保護(hù)
沿走行軌下縱向設(shè)置電流收集網(wǎng)，為雜散電流提供良好的回路，將泄漏電流通過(guò)收集網(wǎng)排流電纜、排流柜等引回至各牽引變電所。
圖9 地鐵側(cè)雜散電流排流保護(hù)示意圖
8.2 現(xiàn)有排流廠家的保護(hù)方式以及弊端
對(duì)于雜散電流的排流，目前燃?xì)夤净疚邢嚓P(guān)陰極保護(hù)設(shè)備廠家進(jìn)行周期性檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)采取以下的排流方法：
8.2.1 深井排流
如深圳燃?xì)鈱?duì)其市域內(nèi)的高壓管道，在受到深圳軌交的強(qiáng)烈干擾后，管地電位正偏達(dá)數(shù)十伏，采用埋設(shè)高硅鐵等耐腐蝕材質(zhì)的接地極，將管地電位波動(dòng)降低到數(shù)伏。鑒于各城市軌交部門(mén)與燃?xì)夤局g的溝通程度不同，對(duì)彼此的技術(shù)認(rèn)可度和雜散電流干擾的接受度不同，這種方法因燃?xì)夤締畏矫婕纯蓪?shí)施，目前采用比較多，但排流效果有限。
8.2.2 犧牲陽(yáng)極排流
利用鎂、鋅等較活潑的金屬與大地接觸，實(shí)際運(yùn)行效果無(wú)法在軌交干擾下形成穩(wěn)定的保護(hù)電位，另外犧牲陽(yáng)極消耗速度非?？欤O(shè)計(jì)壽命10年的陽(yáng)極往往在2年-3年內(nèi)消耗完畢，之后成為直接接地，反而成為漏點(diǎn)。
8.3 雜散電流排流保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
通過(guò)研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)地鐵站（包括牽引變電站、普通站）中鋼軌電位限制器（OVPD）的強(qiáng)制閉合會(huì)大大增加附近管道的雜散電流干擾；而檢修基地是電流“匯流”收集點(diǎn)，龐大的地面軌道相當(dāng)于巨大的電流收集網(wǎng)，大量雜散電流通過(guò)檢修基地接地極回流至變電站負(fù)極，外加電流或犧牲陽(yáng)極電流均流向軌道，陰極保護(hù)損耗嚴(yán)重，效果接近于0。
在雜散電流排流方式上以往采用埋設(shè)犧牲陽(yáng)極，且一般是小地床均布方式，但由于犧牲陽(yáng)極本身排流能力有限，無(wú)法起到很好的效果，同時(shí)陰極絕緣失效會(huì)使大量雜散電流通過(guò)接地極流入流出管道，增加雜散電流干擾強(qiáng)度和治理難度。
（1）在雜散電流干擾研究試驗(yàn)過(guò)程中，我們積極探索和對(duì)比不同方式的防護(hù)效果，確認(rèn)管道分段絕緣能較大程度地減少雜散電流干擾。
（2）在城鎮(zhèn)道路中壓燃?xì)夤艿酪话悴捎脿奚?yáng)極保護(hù)（以常用鎂陽(yáng)極為例），在施工階段，鎂陽(yáng)極會(huì)直接與燃?xì)夤艿篮附?，那么在雜散電流干擾區(qū)域，鎂陽(yáng)極便會(huì)成為雜散電流的流入點(diǎn)，從而加速鎂陽(yáng)極消耗，導(dǎo)致管道腐蝕。
基于以上因素，結(jié)合二極管單向?qū)ǖ奶攸c(diǎn)，可在雜散電流干擾區(qū)域，在鎂陽(yáng)極與管道的連接中間增設(shè)二極管，可減緩鎂陽(yáng)極的消耗。
圖10 犧牲陽(yáng)極改造示意圖
（3）將來(lái)自軌交的直流干擾歸還給軌交，對(duì)直流干擾的排除效果最好，而且在最早的國(guó)標(biāo)中即提出并推薦使用，但在國(guó)內(nèi)的實(shí)際應(yīng)用幾乎沒(méi)有。這種排流方法需要軌交方面的接受和認(rèn)可，同濟(jì)大學(xué)曾進(jìn)行過(guò)3次現(xiàn)場(chǎng)排流實(shí)驗(yàn)，使用二極管連接管道和軌交變電站的負(fù)母線，可將管地電位控制在需要的水平。
在正線附近的極性排流對(duì)于單一干擾源也能起到較理想效果；在軌交基站（機(jī)務(wù)段）附近的強(qiáng)制接地排流則能很好地將受干擾管段維持在一個(gè)電位較負(fù)的水平。
圖11 極性排流示意圖
圖12 強(qiáng)制接地排流示意圖
8.4 設(shè)計(jì)建議
8.4.1 干擾側(cè)方面
8.4.1.1 設(shè)計(jì)施工階段
（1）地鐵管理和建設(shè)方要嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，控制雜散電流泄漏。
（2）加強(qiáng)工程建設(shè)驗(yàn)收把關(guān)，雜散電流相關(guān)工程質(zhì)量沒(méi)有達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的，應(yīng)進(jìn)行整改。
8.4.1.2 運(yùn)行階段
（1）加強(qiáng)干擾源側(cè)主體結(jié)構(gòu)和道床結(jié)構(gòu)鋼筋（包括車(chē)站、隧道燈）電氣連接的可靠性檢查，保證電連通性。
（2）加強(qiáng)檢查鋼軌與軌枕或整體道床間的絕緣檢查，定期檢查各雜散電流收集網(wǎng)之間的連接線、負(fù)回流電纜及均流電纜的電連接是否良好，連接螺栓是否生銹等。如果這些連接部件狀態(tài)不良，則應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修復(fù)。
（3）定期對(duì)全線軌道線路清掃，保持線路清潔干燥，尤其是軌道扣件及鋼軌絕緣墊，不能有易導(dǎo)電的物質(zhì)在鋼軌扣件和絕緣墊表面，避免由此而產(chǎn)生的軌道對(duì)地泄漏電阻的下降。
（4）定期利用雜散電流綜合測(cè)試裝置（雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)），監(jiān)測(cè)整體道床結(jié)構(gòu)鋼筋、車(chē)站隧道結(jié)構(gòu)鋼筋、高架橋梁結(jié)構(gòu)鋼筋相對(duì)周?chē)炷两橘|(zhì)的平均電位是否超標(biāo)，對(duì)于鋼筋混凝土介質(zhì)地鐵主體結(jié)構(gòu)的鋼筋，極化電壓的正向偏移平均值不應(yīng)超過(guò)0.5V，以便決定是否對(duì)鋼軌回路及鋼軌泄漏電阻進(jìn)行測(cè)試檢查，然后結(jié)合測(cè)試結(jié)果進(jìn)行維護(hù)。
（5）隧道、地下車(chē)站主體結(jié)構(gòu)的防水層，必須具有良好的防水性能和電氣絕緣性能；車(chē)站、隧道內(nèi)應(yīng)設(shè)有暢通的排水設(shè)施，不允許有積水現(xiàn)象。
8.4.2 受干擾側(cè)方面
8.4.2.1 設(shè)計(jì)施工階段
（1）在設(shè)計(jì)階段，針對(duì)管網(wǎng)路由，做詳細(xì)的前期雜散電流測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果作為設(shè)計(jì)工作重要參考。
（2）存在雜散電流影響的區(qū)域，在設(shè)計(jì)階段要考慮在隱蔽工程中增加排流設(shè)施，或者避開(kāi)雜散電流較強(qiáng)的區(qū)域。
（3）在需要進(jìn)行區(qū)域排流的地區(qū)，提前將絕緣裝置設(shè)計(jì)進(jìn)入施工圖中，將管網(wǎng)進(jìn)行有效的雜散電流影響隔斷，防止雜散電流向更遠(yuǎn)的區(qū)域流失。
（4）在施工階段，要強(qiáng)化排流工程的驗(yàn)收考核，形成專(zhuān)業(yè)的排流效果評(píng)估報(bào)告，否則不予驗(yàn)收。
8.4.2.2 運(yùn)行階段
（1）受干擾側(cè)對(duì)埋地鋼質(zhì)管道的雜散電流影響情況進(jìn)行普查，摸清高壓、次高壓、中壓和庭院管線受到雜散電流影響的程度。
（2）建議受干擾側(cè)企業(yè)將檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行匯總和分析，根據(jù)管道實(shí)際情況，將受雜散電流影響的管道按照輕重緩急進(jìn)行分級(jí)，按照先嚴(yán)重后輕緩的思路進(jìn)行排流和整改。
（3）針對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)互相干擾（由于陰極保護(hù)系統(tǒng)不同，導(dǎo)致在不同管道上產(chǎn)生電位差，繼而導(dǎo)致腐蝕的現(xiàn)象）的現(xiàn)象，建議雙方溝通協(xié)調(diào)，在技術(shù)上保障相鄰管道電位差為0，減緩管道腐蝕。
（4）建立雜散電流遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)雜散電流的發(fā)展趨勢(shì)實(shí)時(shí)掌控。
（5）分區(qū)域進(jìn)行管網(wǎng)改造，設(shè)置絕緣法蘭，將管網(wǎng)分化成若干小區(qū)域，限制雜散電流向更遠(yuǎn)處管道擴(kuò)散，并且可以進(jìn)行針對(duì)性的排流和實(shí)施陰極保護(hù)改造。
9 結(jié)語(yǔ)
綜上所述，針對(duì)雜散電流干擾問(wèn)題，燃?xì)夤艿榔髽I(yè)應(yīng)加強(qiáng)與地鐵建設(shè)管理單位的協(xié)作與溝通，制定針對(duì)性的解決方案，并加強(qiáng)技術(shù)交流和合作。通過(guò)雙方共同努力，可以有效解決雜散電流干擾問(wèn)題，保障燃?xì)夤艿赖陌踩€(wěn)定運(yùn)行。
