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摘要：城市轨道交通供电系统在城市轨道交通系统的作用举足轻重。本文从城市轨道交通供电系统的功能、组成对城市轨道交通供电系统进行了简述。在此基础上引出对城市轨道交通供电系统中杂散电流防护的研究，从杂散电流的形成、腐蚀原理和危害阐述了杂散电流防护的重要性，并提出杂散电流的防护原则，最后结合实际建设与运营提出杂散电流的防护措施。
关键词：城市轨道交通，供电系统，杂散电流防护
中图分类号：U213文献标识码： A
一、城市轨道交通供电系统简述
1、城市轨道交通供电系统组成
城市轨道交通供电系统是城市电网的一个重要用户，按其功能的不同，它可划分为外部电源供电系统、主变电所或电源开闭所供电系统、牵引供电系统、动力照明供电系统、杂散电流腐蚀防护系统、电力监控系统六个部分。其中，主变电所或电源开闭所供电系统称为高压供电系统，牵引供电系统和动力照明供电系统称为内部供电系统。
2、城市轨道交通供电系统功能
城市轨道交通供电系统不但要为城市轨道交通的电动列车提供牵引供电，还要为城市轨道交通运营服务的其他设施，包括通风、空调、照明、通信、信号、给排水、防灾报警、电梯、自动扶梯等提供电能。在城市轨道交通运营中，供电一旦中断，不仅会造成城市轨道交通运营瘫痪，而且还有可能危及旅客生命安全，造成财产损失。因此，城市轨道交通供电系统除应具备安全、可靠、调度方便、技术先进、功能齐全、经济合理的特点外，还应具有以下功能。
全方位的供电服务功能
系统故障自救功能
自我保护功能
防误操作功能
方便灵活的调度功能
完善的控制、显示和计量功能
电磁兼容功能
二、城市轨道交通供电系统杂散电流防护
1、杂散电流的形成
城市轨道交通采用直流牵引供电系统，理想状况下，牵引电流由牵引变电所的正极出发，经由接触网、电动列车、钢轨、回流线返回牵引变电所负极。然而由于钢轨与隧道或道床等结构之间的绝缘电阻并非无穷大，将不可避免地导致部分电流不从钢轨回流，而是通过沿线的道床钢筋、隧道、高架桥或土壤回流到牵引变电所（甚至不回流而散入大地），这部分电流因大地土壤的导电性质及地下金属管道的位置不同，可以分布很广，故称之为“迷流”，亦即杂散电流。图1所示为城市轨道交通供电系统杂散电流示意图。
图1 城市轨道交通供电系统杂散电流示意图
2、杂散电流的腐蚀原理
根据图1，在牵引变电所回流线与钢轨相接的回流点处，杂散电流回到牵引变电所。当轨道沿地下有金属管道或建筑物鋼筋等导电物时，杂散电流必沿金属导体流动，到回流点附近再通过钢轨流回变电所，故在回流点附近的金属导管形成了阳极区，如图2所示。由于阳极区总是在回流点处不动，则阳极区的金属正离子流向大地，发生电解腐蚀，从而损坏了金属。
图2杂散电流腐蚀原理图
3、杂散电流的危害
杂散电流不仅会对地铁中的电气设备、设施的正常运行造成不同程度的影响，还会对隧道、道床的结构钢和附近的金属管线造成危害。这种危害主要体现在：
（1）若地下杂散电流流入电气接地装置，会引起过高的接地电位，使某些设备无法正常工作。
（2）若钢轨（走行轨）局部或整体对地的绝缘能力变差，则此钢轨（走行轨）对地的泄漏电流增大，地下的杂散电流增大，这样就有可能引起牵引变电所的框架保护动作。而框架保护动作会引起牵引变电所的断路器跳闸，从而造成较大范围的停电事故，影响地铁的正常运营。
（3）对城市轨道隧道、道床或其他建筑物的结构钢以及地下的金属管线（如电缆、金属管件等）造成电腐蚀，久之将会严重损坏地铁附近的各种结构钢和地下金属管线，从而破坏结构钢的强度，缩短其使用寿命。
20世纪70年代开始运行的北京轨道交通一期工程的主体结构中的钢筋已发现有严重的杂散电流腐蚀；北京轨道交通、天津轨道交通中，杂散电流已有隧道内水管腐蚀穿孔等现象出现；中国香港也曾因轨道交通杂散电流引起煤气罐管道腐蚀穿孔；英国曾发生过因为杂散电流腐蚀而引起的钢筋混凝土塌方事故。
杂散电流防护
（1）杂散电流防护的目的及原则
杂散电流防护的目的是减少因直流牵引供电引起的杂散电流并防止其对外界扩散，尽量避免杂散电流对城市轨道交通主体结构及其附近结构钢筋、金属管线的电腐蚀，并对杂散电流及其腐蚀保护情况进行监测。
轨道交通是一种复杂的地下工程，其结构在施工完成后已定型，经若干年运营后，因杂散电流的腐蚀而对主体结构进行更换和翻新是十分困难的。所以，在轨道交通工程施工过程中就应该做好杂散电流防护工作，在轨道交通运营过程中也要加强杂散电流的监测，在有杂散电流腐蚀趋势发生时，可以采取积极有效的防治方法进行防护，将杂散电流控制在允许范围内。目前，杂散电流的防护应采取“以防为主、以排为辅、防排结合、加强监测”的原则。
1）防。即隔离和控制所有可能的杂散电流泄漏途径，减少杂散电流进入城市轨道的主体结构、设备以及沿线附近相关设施。
2） 排。通过杂散电流的收集及排流系统，提供杂散电流返回至牵引变电所负极的通路。
3）监测。设置杂散电流监测系统对杂散电流进行实时监测，一旦发现杂散电流过高则采取一定对策来减轻其危害。杂散电流监测系统由参考电极、道床收集网测试端子、传感器、测试电缆及杂散电流综合测试装置构成。监测系统监测车站、区间内每个监测点的结构钢筋极化电位，从而判断结构钢筋的腐蚀状态，以便在杂散电流没有产生较大危害时采取相应措施保障地铁系统的安全。杂散电流的检测方式有集中式杂散电流检测、分散式杂散电流监测、分布式杂散电流监测三种。
（2）杂散电流的防护措施
根据杂散电流产生的原因及腐蚀过程的分析，结合上述防护原则和城市轨道交通实际建设运营，提出如下具体防护措施。
1）降低走形轨对地电位
a）牵引网采用双边供电。正常运行方式采用双边供电，事故状态时也应采用大双边供电。
b）将上下行走行轨在区间用铜芯电缆连接。
2）提高走行轨对地绝缘电阻。主要有在走行轨下设置绝缘垫、让走形轨对地保持一定间隙、合理设置道床排水沟、合理设置道床混凝土四种方法。
3）设置杂散电流收集网及排流装置。
在工程建设中合理设置杂散电流收集网及排流装置，以便在必要时将杂散电流引回牵引变电所负极。具体是在走行轨下的混凝土整体道床内敷设网状钢筋，纵向联通，形成杂散电流的收集网，以建立一条低阻抗的杂散电流收集、排放通路。同时，将隧道内区间及车站每个结构段的内表层结构钢筋焊接形成杂散电流综合监测网，也可作为杂散电流的辅助收集网。
另外，一般在正线牵引变电所内设置杂散电流排流柜，排流柜的一端通过电缆与牵引变电所负极柜相连接，另一端与收集网的排流端子相连接。排流柜能有效防止杂散电流对高架现浇混凝土钢筋简支箱梁内钢筋、隧道内结构钢筋、整体道床结构钢筋以及沿线金属设备的电腐蚀破坏，同时可防止杂散电流向轨道交通外部泄露。
4）重视日常运营维护。定期清扫线路；及时清除道床积水及积雪，保持道床清洁干燥；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。
三、结语
综上所述，供电系统是城市轨道交通的重要系统之一，由于其直流牵引供电制式产生的杂散电流对城市轨道交通的危害不可小觑。因此，在轨道交通供电系统的建设与经营中，需要充分考虑并合理设置杂散电流防护系统，从“防”、“排”、“监测”三方面对城市轨道交通供电系统中的杂散电流进行防护。
四、参考文献
[1]何霖 《城市轨道交通运营筹备与组织》 2008
[2]宋奇吼，李学武，张云太 《城市交通轨道供电》，中国铁道出版社，2009
[3]徐亚辉，冯骥 《城市轨道交通供变电技术》，机械工业出版社，2012
关键词：城市轨道交通，供电系统，杂散电流防护
中图分类号：U213文献标识码： A
一、城市轨道交通供电系统简述
1、城市轨道交通供电系统组成
城市轨道交通供电系统是城市电网的一个重要用户，按其功能的不同，它可划分为外部电源供电系统、主变电所或电源开闭所供电系统、牵引供电系统、动力照明供电系统、杂散电流腐蚀防护系统、电力监控系统六个部分。其中，主变电所或电源开闭所供电系统称为高压供电系统，牵引供电系统和动力照明供电系统称为内部供电系统。
2、城市轨道交通供电系统功能
城市轨道交通供电系统不但要为城市轨道交通的电动列车提供牵引供电，还要为城市轨道交通运营服务的其他设施，包括通风、空调、照明、通信、信号、给排水、防灾报警、电梯、自动扶梯等提供电能。在城市轨道交通运营中，供电一旦中断，不仅会造成城市轨道交通运营瘫痪，而且还有可能危及旅客生命安全，造成财产损失。因此，城市轨道交通供电系统除应具备安全、可靠、调度方便、技术先进、功能齐全、经济合理的特点外，还应具有以下功能。
全方位的供电服务功能
系统故障自救功能
自我保护功能
防误操作功能
方便灵活的调度功能
完善的控制、显示和计量功能
电磁兼容功能
二、城市轨道交通供电系统杂散电流防护
1、杂散电流的形成
城市轨道交通采用直流牵引供电系统，理想状况下，牵引电流由牵引变电所的正极出发，经由接触网、电动列车、钢轨、回流线返回牵引变电所负极。然而由于钢轨与隧道或道床等结构之间的绝缘电阻并非无穷大，将不可避免地导致部分电流不从钢轨回流，而是通过沿线的道床钢筋、隧道、高架桥或土壤回流到牵引变电所（甚至不回流而散入大地），这部分电流因大地土壤的导电性质及地下金属管道的位置不同，可以分布很广，故称之为“迷流”，亦即杂散电流。图1所示为城市轨道交通供电系统杂散电流示意图。
图1 城市轨道交通供电系统杂散电流示意图
2、杂散电流的腐蚀原理
根据图1，在牵引变电所回流线与钢轨相接的回流点处，杂散电流回到牵引变电所。当轨道沿地下有金属管道或建筑物鋼筋等导电物时，杂散电流必沿金属导体流动，到回流点附近再通过钢轨流回变电所，故在回流点附近的金属导管形成了阳极区，如图2所示。由于阳极区总是在回流点处不动，则阳极区的金属正离子流向大地，发生电解腐蚀，从而损坏了金属。
图2杂散电流腐蚀原理图
3、杂散电流的危害
杂散电流不仅会对地铁中的电气设备、设施的正常运行造成不同程度的影响，还会对隧道、道床的结构钢和附近的金属管线造成危害。这种危害主要体现在：
（1）若地下杂散电流流入电气接地装置，会引起过高的接地电位，使某些设备无法正常工作。
（2）若钢轨（走行轨）局部或整体对地的绝缘能力变差，则此钢轨（走行轨）对地的泄漏电流增大，地下的杂散电流增大，这样就有可能引起牵引变电所的框架保护动作。而框架保护动作会引起牵引变电所的断路器跳闸，从而造成较大范围的停电事故，影响地铁的正常运营。
（3）对城市轨道隧道、道床或其他建筑物的结构钢以及地下的金属管线（如电缆、金属管件等）造成电腐蚀，久之将会严重损坏地铁附近的各种结构钢和地下金属管线，从而破坏结构钢的强度，缩短其使用寿命。
20世纪70年代开始运行的北京轨道交通一期工程的主体结构中的钢筋已发现有严重的杂散电流腐蚀；北京轨道交通、天津轨道交通中，杂散电流已有隧道内水管腐蚀穿孔等现象出现；中国香港也曾因轨道交通杂散电流引起煤气罐管道腐蚀穿孔；英国曾发生过因为杂散电流腐蚀而引起的钢筋混凝土塌方事故。
杂散电流防护
（1）杂散电流防护的目的及原则
杂散电流防护的目的是减少因直流牵引供电引起的杂散电流并防止其对外界扩散，尽量避免杂散电流对城市轨道交通主体结构及其附近结构钢筋、金属管线的电腐蚀，并对杂散电流及其腐蚀保护情况进行监测。
轨道交通是一种复杂的地下工程，其结构在施工完成后已定型，经若干年运营后，因杂散电流的腐蚀而对主体结构进行更换和翻新是十分困难的。所以，在轨道交通工程施工过程中就应该做好杂散电流防护工作，在轨道交通运营过程中也要加强杂散电流的监测，在有杂散电流腐蚀趋势发生时，可以采取积极有效的防治方法进行防护，将杂散电流控制在允许范围内。目前，杂散电流的防护应采取“以防为主、以排为辅、防排结合、加强监测”的原则。
1）防。即隔离和控制所有可能的杂散电流泄漏途径，减少杂散电流进入城市轨道的主体结构、设备以及沿线附近相关设施。
2） 排。通过杂散电流的收集及排流系统，提供杂散电流返回至牵引变电所负极的通路。
3）监测。设置杂散电流监测系统对杂散电流进行实时监测，一旦发现杂散电流过高则采取一定对策来减轻其危害。杂散电流监测系统由参考电极、道床收集网测试端子、传感器、测试电缆及杂散电流综合测试装置构成。监测系统监测车站、区间内每个监测点的结构钢筋极化电位，从而判断结构钢筋的腐蚀状态，以便在杂散电流没有产生较大危害时采取相应措施保障地铁系统的安全。杂散电流的检测方式有集中式杂散电流检测、分散式杂散电流监测、分布式杂散电流监测三种。
（2）杂散电流的防护措施
根据杂散电流产生的原因及腐蚀过程的分析，结合上述防护原则和城市轨道交通实际建设运营，提出如下具体防护措施。
1）降低走形轨对地电位
a）牵引网采用双边供电。正常运行方式采用双边供电，事故状态时也应采用大双边供电。
b）将上下行走行轨在区间用铜芯电缆连接。
2）提高走行轨对地绝缘电阻。主要有在走行轨下设置绝缘垫、让走形轨对地保持一定间隙、合理设置道床排水沟、合理设置道床混凝土四种方法。
3）设置杂散电流收集网及排流装置。
在工程建设中合理设置杂散电流收集网及排流装置，以便在必要时将杂散电流引回牵引变电所负极。具体是在走行轨下的混凝土整体道床内敷设网状钢筋，纵向联通，形成杂散电流的收集网，以建立一条低阻抗的杂散电流收集、排放通路。同时，将隧道内区间及车站每个结构段的内表层结构钢筋焊接形成杂散电流综合监测网，也可作为杂散电流的辅助收集网。
另外，一般在正线牵引变电所内设置杂散电流排流柜，排流柜的一端通过电缆与牵引变电所负极柜相连接，另一端与收集网的排流端子相连接。排流柜能有效防止杂散电流对高架现浇混凝土钢筋简支箱梁内钢筋、隧道内结构钢筋、整体道床结构钢筋以及沿线金属设备的电腐蚀破坏，同时可防止杂散电流向轨道交通外部泄露。
4）重视日常运营维护。定期清扫线路；及时清除道床积水及积雪，保持道床清洁干燥；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。
三、结语
综上所述，供电系统是城市轨道交通的重要系统之一，由于其直流牵引供电制式产生的杂散电流对城市轨道交通的危害不可小觑。因此，在轨道交通供电系统的建设与经营中，需要充分考虑并合理设置杂散电流防护系统，从“防”、“排”、“监测”三方面对城市轨道交通供电系统中的杂散电流进行防护。
四、参考文献
[1]何霖 《城市轨道交通运营筹备与组织》 2008
[2]宋奇吼，李学武，张云太 《城市交通轨道供电》，中国铁道出版社，2009
[3]徐亚辉，冯骥 《城市轨道交通供变电技术》，机械工业出版社，2012