3.第8章 杂散电流腐蚀防护

城轨供电系统第8章杂散电流腐蚀防护电气工程系黄小红2012年3月峨眉校区电气工程系杂散电流腐蚀防护对专业的要求三杂散电流腐蚀防护措施和监测手段二一杂散电流产生、腐蚀机理及危害杂散电流收集网截面计算四第8章杂散电流腐蚀防护峨眉校区电气工程系一.杂散电流（迷流）腐蚀概念以走行轨为回流通路的直流牵引供电系统，由于走行轨不可能完全绝缘于道床结构，钢轨不可避免地向道床及其它结构泄漏电流，这种电流就是杂散电流，也称为地中迷流。杂散电流对土建结构钢筋、设备金属外壳及其它地下金属管线产生的电化学腐蚀，即杂散电流腐蚀，也叫做迷流腐蚀。§8-1杂散电流产生、腐蚀机理及危害接触网回流线走行轨道直流牵引变电所+-金属管线峨眉校区电气工程系二.杂散电流的产生②杂散电流可用以下形式说明。电位差---在回流轨中电流由高电位流向低电位，回流轨与地之间形成了电位差泄漏电流，即杂散电流随着线路运营时间的延长，运营环境逐步恶化，泄漏电阻值还将逐步减小杂散电流增大回流轨对地的电位与牵引变电所供电距离、牵引电流大小及回流轨纵向电阻大小直接相关。过渡电阻---回流轨与轨枕、地之间存在一定的过渡电阻§8-1杂散电流产生、腐蚀机理及危害峨眉校区电气工程系三.杂散电流的腐蚀机理1.电化学腐蚀杂散电流腐蚀属于电化学腐蚀。电化学腐蚀反应是一种氧化还原反应。在反应中，金属失去电子而被氧化，其反应过程称为阳极反应过程。介质中的物质从金属表面获得电子而被还原，其反应过程称为阴极反应过程。把进行电子传导的金属导体与进行离子传导的电解质相接触的界面称为电极系，电子导体和离子导体的接合称为e-i接合。§8-1杂散电流产生、腐蚀机理及危害峨眉校区电气工程系三.杂散电流的腐蚀机理2.城轨杂散电流腐蚀机理走行轨和金属管线均为电子导体，地面为离子导体，电子在A和D点流出，金属导体与地面组成e-i界面为阳极。电流在C点和F点流入，则地面与金属导体组成的i-e界面为阴极。A、B、C和D、E、F分别构成了两个串联的电解电池。接触网回流线走行轨道直流牵引变电所+-金属管线ADBCFE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）§8-1杂散电流产生、腐蚀机理及危害峨眉校区电气工程系三.杂散电流的腐蚀机理2.城轨杂散电流腐蚀机理当杂散电流由两个阳极区——走行轨（A）和金属管线（D）流出时，都会发生失掉电子的氧化反应，该部位的金属（Fe）就会遭到腐蚀。§8-1杂散电流产生、腐蚀机理及危害峨眉校区电气工程系三.杂散电流的腐蚀机理2.城轨杂散电流腐蚀机理当金属铁（Fe）周围的介质是酸性电解质，发生的氧化还原反应是析氢腐蚀；阳极：阴极：2Fe2Fe4e24H4e2H224HO4e4OH2H§8-1杂散电流产生、腐蚀机理及危害峨眉校区电气工程系三.杂散电流的腐蚀机理2.城轨杂散电流腐蚀机理当金属铁（Fe）周围的介质是碱性电解质时，发生的氧化还原反应为吸氧腐蚀。阳极：阴极：2Fe2Fe4e22O2HO4e4OH腐蚀反应Fe(OH)2Fe(OH)3Fe2O3·2xH2OFe3O4（红锈）（黑锈）§8-1杂散电流产生、腐蚀机理及危害峨眉校区电气工程系三.杂散电流腐蚀特点及危害1.腐蚀特点①腐蚀剧烈。金属的腐蚀量满足法拉第定律：如，铁的K=2.89×10-17kg/C，1A的直流电流通过1年，由于电解引起的金属损失为：北京地铁实测值可达220～326APKItP—电腐蚀损失重量(kg)K—电化当量(kg/C)I—流出金属的电流(A)t—电流通过的时间(s)-172.891016060243659.1(kg)P§8-1杂散电流产生、腐蚀机理及危害峨眉校区电气工程系三.杂散电流的腐蚀机理1.腐蚀特点②腐蚀集中于局部位置。③有防腐层时，往往集中于防腐层的缺陷部位。§8-1杂散电流产生、腐蚀机理及危害峨眉校区电气工程系三.杂散电流的腐蚀机理2.杂散电流的危害①走行轨及其附件的腐蚀。②钢筋混凝土金属结构物的腐蚀。③周围埋地管线的腐蚀。④杂散电流流入电气接地装置，引起某些设备无法正常工作。§8-1杂散电流产生、腐蚀机理及危害峨眉校区电气工程系四.杂散电流的分布规律1.基本假设①轨道对地的过渡电阻是均布的；②走行轨的电阻是均布的；③地下的金属构件纵向电阻是均布的；④金属构件向大地的漏电忽略不计；⑤其它杂散电流源的干扰忽略不计；⑥双边供电时，两侧电源特性相同。§8-1杂散电流产生、腐蚀机理及危害峨眉校区电气工程系四.杂散电流的分布规律2.单边供电杂散电流分布+-列车=0x=xL()ix()sixxIII（a）线路简化图xdx+xdx()ix()uxRdx()+()uxdux（b）电压节点xdx+xdx()-()ixdix()ux()dix()ix()six()+()sixdixgR/dx（c）电流节点§8-1杂散电流产生、腐蚀机理及危害+-变电所列车IIIrRRgr—牵引网阻抗(Ω)R—走行轨单位阻抗(Ω/km)Rg—走行轨对地电阻率(Ω·km)I—牵引电流(A)峨眉校区电气工程系四.杂散电流的分布规律3.双边供电杂散电流分布接触网回流线走行轨道直流牵引变电所+-金属管线回流线直流牵引变电所I1I2IIT1IT2Ig1Ig2+-§8-1杂散电流产生、腐蚀机理及危害峨眉校区电气工程系四.杂散电流的分布规律3.双边供电杂散电流分布+-列车1=xL=0xT1()ix1()sixx1II1I2I2I2=xL12=LL+L1I21LIIL12LIIL§8-1杂散电流产生、腐蚀机理及危害峨眉校区电气工程系四.杂散电流的分布规律3.双边供电杂散电流分布1L2L0()Sixxis（x）形状1L2L0()uxxu（x）形状§8-1杂散电流产生、腐蚀机理及危害峨眉校区电气工程系四.杂散电流的分布规律3.双边供电杂散电流分布①牵引变电所负极附近的轨道电位为负的最大值，此处杂散电流从埋地金属结构流出，埋地金属结构为阳极，受杂散电流腐蚀最严重。列车下部的走行轨为正的最大值，杂散电流从走行轨流出，走行轨为阳极，埋地金属为阴极，此处走行轨受杂散电流腐蚀最严重。②牵引电流的大小对走行轨电位有影响，牵引电流越大，走行轨对地电位越高，杂散电流也越大。③牵引变电所之间的距离增加，在牵引电流不变的情况下，走轨对地电位和杂散电流也随之增加。§8-1杂散电流产生、腐蚀机理及危害峨眉校区电气工程系四.杂散电流的分布规律3.双边供电杂散电流分布④轨地过渡电阻对杂散电流的分布影响很大，过渡电阻越小，杂散电流强度越大，过渡电阻越大，杂散电流强度越小。⑤走行轨纵向电阻对走行轨电位影响较大，走行轨纵向电阻增加，走行轨纵向电位成比例增加，走行轨对地电位增加，杂散电流也增加。⑥埋地金属结构的纵向电阻对走行轨电位和杂散电流的影响较小。§8-1杂散电流产生、腐蚀机理及危害峨眉校区电气工程系一.杂散电流的防护措施1.“防”——源控法①杂散电流经验估算公式A.单边供电：B.单边供电（变电所附近走行轨接地）：§8-2杂散电流防护措施和监测手段28ggRLi=IR22ggRLi=IRI—列车牵引电流(A)R—走行轨纵向电阻(Ω/km)Rg—走行对地过渡电阻(Ω·km)L—牵引所与开车之间距离(km)峨眉校区电气工程系一.杂散电流的防护措施1.“防”——源控法①杂散电流经验估算公式C.双边供电：§8-2杂散电流防护措施和监测手段216ggRLi=IRI—列车牵引电流(A)R—走行轨纵向电阻(Ω/km)Rg—走行对地过渡电阻(Ω·km)L—牵引所与开车之间距离(km)峨眉校区电气工程系一.杂散电流的防护措施1.“防”——源控法②杂散电流防护方法A.合理设置牵引变电所杂散电流与列车到牵引变电所距离的平方成正比，牵引变电所之间的距离越长，杂散电流越大。在满足供电负荷、供电质量等前提下，可以适当调整牵引变电所的数量和位置，尽量使牵引变电所均匀布置。§8-2杂散电流防护措施和监测手段峨眉校区电气工程系一.杂散电流的防护措施1.“防”——源控法②杂散电流防护方法B.牵引网采用双边供电在牵引网制式、牵引变电所间距以及走轨电阻值等条件相同的情况下，采用双边供电比采用单边供电，其牵引电流值减小近一倍，杂散电流值仅为单边供电的1/4。§8-2杂散电流防护措施和监测手段峨眉校区电气工程系一.杂散电流的防护措施1.“防”——源控法②杂散电流防护方法C.加强走行轨对地绝缘走行轨对地绝缘水平越好，则杂散电流的值越小。城市轨道交通运营中，轨地过渡电阻值的降低是产生杂散电流的最主要原因。《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》中规定：新建线路的走行轨与区间主体结构之间的过渡电阻值不应小于15Ω·km，对于运行线路不应小于3Ω·km。§8-2杂散电流防护措施和监测手段峨眉校区电气工程系一.杂散电流的防护措施1.“防”——源控法②杂散电流防护方法C.加强走行轨对地绝缘走行轨下设置绝缘垫。单块绝缘垫电阻不小于108Ω。走行轨对地保持一定间隙。道床面至走行轨底面的间隙不小于30mm。道床排水沟设置。（）宜将道床排水沟设在道床两侧，并保证排水通畅。§8-2杂散电流防护措施和监测手段12000～18000干燥的大气中500～1300干土中100～200湿土中40～55水中混凝土电阻率参考值（Ω·m）名称类别峨眉校区电气工程系一.杂散电流的防护措施1.“防”——源控法②杂散电流防护方法C.加强走行轨对地绝缘道床混凝土的设置。为有效防止杂散电流对主体结构钢筋进行腐蚀，杂散电流道床收集网钢筋与走行轨之间需要进行绝缘处理，混凝土层需要一定的厚度。保持牵引回流通路顺畅。§8-2杂散电流防护措施和监测手段峨眉校区电气工程系一.杂散电流的防护措施1.“防”——源控法②杂散电流防护方法C.加强走行轨对地绝缘重视日常运营维护。必须定期清扫线路，清除粉尘、油污、脏物、沙土等，保持走行轨绝缘水平良好。及时消除道床积水，保持道床处于清洁干燥状态。根据杂散电流监测系统的报警信息，及时处理线路异常现象。§8-2杂散电流防护措施和监测手段峨眉校区电气工程系一.杂散电流的防护措施2.“排”——排流法①排流法概念只有当杂散电流从走行轨或钢筋等金属管线流出时才会对其产生腐蚀，而杂散电流流出的区域集中在牵引变电所附近。若在牵引变电所处将结构钢筋或其他可能受到杂散电流腐蚀的金属与走行轨或牵引变电所负母排相连，由于杂散电流总是走电阻最小的通路，这样杂散电流就直接流回至牵引变电所，大大减少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的电化学反应。§8-2杂散电流防护措施和监测手段接触网回流线走行轨道直流牵引变电所+-金属管线峨眉校区电气工程系一.杂散电流的防护措施2.“排”——排流法①排流法概念排流法存在不足，只能作为一种应急手段。当牵引变电所负母排通过排流柜与道床收集网钢筋电气连通后，原来负母排的负电位因钳制作用而接近零电位，使得两座牵引变电间的走行轨对地电位成倍增加，两牵引变电所间几乎全成为阳极区，除牵引变电所附近钢筋腐蚀减少外，其他区域钢筋以及走行轨腐蚀将更严重。§8-2杂散电流防护措施和监测手段峨眉校区电气工程系一.杂散电流的防护措施2.“排”——排流法①排流法概念排流法可分为：直接排流法、极性排流法和强制排流法。目前以极性排流法为主。§8-2杂散电流防护措施和监测手段峨眉校区电气工程系一.杂散电流的防护措施2.“排”——排流法②收集网的设置收集由走轨泄漏出的杂散电流，并通过收集网将杂散电流引导至牵引变电所的负极，防止杂散电流过多地流向主体结构钢筋和其它金属导体。在整体道床内铺设钢筋网并进行电气连接，以便杂散电流由道床流回牵引变电所提供一个良好的电气回路，可利用道床本身的钢筋作为杂散电流收集网。§8-2杂散电流防护措施和监测手段峨眉校区电气工程系一.杂散电流的防护措施2.“排”——排流法③排流柜A.设置：当采取排流法进行杂散电流腐蚀防护时，一般在正线牵引变