摘 要：介绍地铁杂散电流的腐蚀原理和危害的同时，阐述地铁排流网系统的构造和作用等。以此构建新的杂散电流电阻分布模型，并在此新模型上，从排流网结构钢筋的纵向电阻分析，讨论如何优化杂散电流钢筋网，以达到杂散电流防护的目的。
关键词：杂散电流；腐蚀；排流网；优化
在城市化进程中，轨道交通由于不占用城市地面空间，使用电力牵引污染小，有利缓解城市拥堵等，越来越体现出优越性。直流电流作为牵引动力会产生杂散电流，对地铁沿线附近的埋地金属进行腐蚀，造成巨大的经济损失，甚至可危及人身安全。
在认识杂散电流腐蚀原理的基础上，如何设定杂散电流排流网规格，是轨道交通建设中勘察设计阶段需要考虑和重视的问题。
１ 杂散电流腐蚀原理
直流牵引供电系统中，电流由牵引变电所流出，经过接触网或接触轨向机车供电，以走行钢轨作为牵引电流回路，将电流送回到牵引变电所。由于钢轨很难做到完全对地绝缘，有一部分牵引电流经由钢轨流向大地，再返回牵引变电所，这种地下杂散电流又称为迷流。
杂散电流的形成如图１所示。
Ｉ１为区间内电力机车的牵引供电电流，Ｉ２为通过钢轨向牵引变电所流回的电流，Ｉ３、Ｉ４为地下的杂散电流。杂散电流对附近的埋地金属进行的腐蚀，即电化学腐蚀，属于局部腐蚀，它所产生的腐蚀电流由金属表面泄漏到电解土壤附近，形成阳极区。而在电流进入的地方形成的阴极区，是不会对金属进行电腐蚀的。其原理，就是氧化还原的电化学反应过程。
杂散电流从钢轨泄漏至整体道床，再流到其他埋地金属，因此，可从整体道床中的排流网结构钢筋分析，来限制杂散电流向其他金属部件如隧道、车站结构的泄漏。
２ 有排流网的杂散电流模型
对于地铁直流供电系统，可认为其钢轨、排流网、埋地金属、大地分别是一条纯阻性集中参数线，钢轨、排流网、埋地金属、大地相互之间也是纯阻性电气联系，其表征值为过渡电阻。
在杂散电流的分布模型的推导过程中，杂散电流的大小一般由极端简化的假定模型来估算。本文的杂散电流理论模型建立的基础是，牵引供电系统处于理想情况下的“钢轨－排流网－埋地金属－大地”结构。
其等效电路如图２所示。假定：钢轨纵向电阻Ｒｇ、排流网纵向电阻Ｒ、埋地金属纵向电阻Ｒｍ及大地纵向电阻Ｒｄ、钢轨对排流网的过渡电阻Ｒｇ１、排流网对埋地金属的过渡电阻 Ｒｇ２、埋地金属对大地的过渡电阻Ｒｇ３、钢轨对埋地金属的过渡电阻Ｒｇ４、钢轨对大地的过渡电阻 Ｒｇ５、排流网对大地的过渡电阻Ｒｇ６都是均匀分布的；接触网泄漏电流和馈线电阻忽略不计。
在轨道交通系统的整体道床中设置杂散电流的排流系统，轨道交通线内部，把所有结构钢筋和接地点电气连通。排流网是杂散电流从回流轨上泄漏后，遇到的第一个电阻较小的回路，合理地布置排流钢筋网，可以将杂散电流尽量限制在排流网内部，防止向外泄漏，使杂散电流最大程度地流回到牵引所的负 极。
排流网投入运行后，埋地金属的泄漏电流趋于０，对结构钢筋或金属管线起到了保护作用。
３ 排流网的优化设计及仿真
杂散电流排流网纵向钢筋沿隧道纵向铺设在整体道床的钢筋混凝土内，受杂散电流腐蚀危害的控制指标是由泄漏电流引起的结构钢筋电压偏移值，要求钢筋的极化电压＜规定的标准值。
排流只是一种应急手段，当杂散电流值满足要求时，不进行排流。只有当检测到排流网钢筋极化电位值超过设定数值时，排流系统才开始作业。
《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》中规定：钢筋混凝土质地铁主体结构的钢筋极化电压的正向偏移平均值不应超过０．５Ｖ。此时，将杂散电流的泄漏电流密度控制在０．６０ｍＡ／ｄｍ２，使排流网钢 筋自身处于钝化状态，有效地防止了杂散电流对排流网本身产生电化学腐蚀。
简化模型如图３所示。
设定Ｒｇ＝０．０２６Ω／ｋｍ、Ｒｍ＝０．０２Ω／ｋｍ、Ｒｄ＝０．００１ Ω／ｋｍ、Ｒｇ１＝１５ Ω·ｋｍ、Ｒｇ２＝３ Ω·ｋｍ、Ｒｇ３＝３Ω·ｋｍ、Ｒｇ４＝３Ω·ｋｍ、Ｒｇ５＝３Ω·ｋｍ、Ｒｇ６＝３Ω·ｋｍ。列车距变电所的距离（总长）Ｌ＝３ｋｍ、牵引电流平均值Ｉ＝８００Ａ、牵引电流的高峰小时最大牵引电流Ｉｈ＝３ｋＡ。
假定节点如图３所示，节点１设为接地点，即Ｕ１＝０，根据 ＫＣＬ有
利用 ｍａｔｌａｂ仿真，Ｒ 与Ｉｐ的关系如图４所示。
可以看到，排流网纵向电阻与其流过的杂散电流的关系是，排流网纵向电阻越小，其流过的电流越大。杂散电流防护是让杂散电流尽量沿排流网通过，能使它不再泄露到其他金属结构以造成更多的危害。通过计算，合理设置排流网的钢筋，是减小或避免杂散电流腐蚀的有效措施。
泄露电流引起的电位极化偏移值是腐蚀危险性的间接指标。杂散电流收集网的纵向压降即极化电压与排流网纵向电阻关系仿真如图５所示。
结合两个 ｍａｔｌａｂ仿真分析可知，排流网纵向电阻的范围控制在（０
～０．００５）Ω，能达到《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》的杂散电流防护要求。因此，杂散电流排流网的纵向电阻的工程设计应在此范围内。
４ 结束语
经过对排流网钢筋的分析，可以通过一些优化设计尽可能地使得杂散电流在排流网范围内，限制杂散电流向地铁外部扩散，以达到减少腐蚀的目的。符合地铁杂散电流腐蚀防护以“治本为主”的基本原则。
而排流系统的投入使用，会引起钢轨电位的提高，引起新的安全问题，这是工程设计中需要积极解决、改进的地方。
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