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杂散电流影响与杂散电流保护

W.V.BAECKMANN AND W.PRINZ

15.1 杂散电流干扰原因

杂散电流是在电解液（土壤、水）中流动的由金属导体电气装置产生的电流^[1]。它可能由频率为50赫兹的或16赫兹的直流电或交流电产生。杂散电流在土壤中的流动过程中，也会在金属导体（如管道和电缆外壳）中流动。直流电会在流出这些导体进周围电解液处引起阳极腐蚀，（见第4.3节）。以类似的方式，交流电在阳极阶段产生阳极腐蚀。由于钢/电解质界面的容量非常高，阳极腐蚀非常依赖于频率，所以在16赫兹或50赫兹时，只有在高电流密度下才会发生（见第4.4节）。通常，腐蚀电流与交流电流的比值也取决于电解液和金属类型，因此钢、铅和铝的腐蚀情况都各不同。本章只讨论直流杂散电流腐蚀和大地电流干扰。

15.1.1 直流设备

只有当工作电流电路中的导体或装置的一部分在多个地方接地时，电气装置才能产生杂散电流。此类装置包括：

1. 用于导电的非运营铁路；
2. 有一个或一个以上导电连接是由接地或铁路线路回流导体的电流供应极组成的架空有轨电车装置；
3. 高压直流输电；
4. 电解装置；
5. 内外港直流作业，直流焊接设备，特别是造船厂；
6. 直流电话网及红绿灯设备^[2]；
7. 阴极保护装置（外加电流设备、杂散电流排放和强制排水）。

只有一个接地的装置（例如焊接设备、电解接地和直流起重机）如果在另一个地方存在额外接地（例如接地故障），也会产生杂散电流。只有当两个接地故障同时出现在不同的地方时，杂散电流才会在接地设备上发生。

15.1.2直流设备防治的普遍措施

参考文献1给出了避免或减少杂散电流的措施。承载电流不能用运行中的接地。对电话设备产生的间歇性小电流、直流轨道、高压直流输电线路和阴极保护设备产生的电流这些提出特殊要求。属于工作电流电路的所有载流导体和装置部件必须绝缘。对于具有高工作电流的扩展和不接地直流装置，建议进行接地故障监测。通过这种方法，可以在第二次接地发生之前立即识别接地故障并避免，在短时间内可靠地减少多个同时接地连接。如果为了运行或为了防止接触电压过高，必须将属于运行电流电路的导体或设备的一部分接地，那么装置只能在一个点接地。不允许使用带有PEN导体作为保护措施的直流电网^[3]。焊接设备、起重机轨道和其他工作电流较大的直流设备应尽可能短地连接导线。如工业铁路线、起重机轨道、管桥和管道的接地金属部件，不能用于承载电流。避免为多个用户提供大输出的整流器。交流电源应用于在实际使用点（例如造船厂焊接）生产带小型整流器的直流电源。

15.2直流铁路杂散电流

15.2.1直流铁路特点

几乎所有的直流铁路都使用铁轨来返回运行电流。钢轨安装在木质或混凝土枕木（枕木）上，与地面铁路设施中的土壤接触良好。导电土与钢轨平行连接。铁路网被认为是整个铁路网的基础设施。很早我们就认识到这种关系和由此产生的腐蚀风险（见第1.4节）。所以铁路设施的杂散电流必须通过适当的设计和相应的监测来最小化。然而，由于杂散电流无法完全避免，所以对管道和电缆采取额外措施，在许多情况下是必要的。

减少杂散电流的最重要措施是：

bull;完全互连的铁路线网（低电阻负载）；

bull;钢轨与土壤的良好电气绝缘（低泄漏负荷）；

bull;小供电区域（尽可能多的变电站）。

表15-1列出了有轨电车轨道的重要参数（见第24.4.2节）。焊接钢轨与由榫槽连接的钢轨相比，其电阻负荷要小得多。然而，在道岔和交叉口处架桥时，必须采用纵向连接。单轨钢轨通常每125m设置一个横杆，双轨或多轨钢轨每250m设置一个横杆。信号设备的绝缘钢轨和轨道电流电路允许例外。横杆减少了钢轨断裂的影响。由于列车的回流可以分布在平行连接的钢轨上，双轨和多轨系统之间的连接同时大大降低了钢轨网的电压降。压载木枕上的轨道具有相对较低的泄漏荷载，压载床的泄漏荷载比街道上的轨道小一百倍。然而，只有当钢轨与其他接地电阻低的装置没有电气接触时，才能保证良好的电气绝缘。架空导线杆原则上不能与钢轨连接。但例外的是带有电气设备的架空导线杆与钢轨相连，以避免在发生故障时出现不可承受的高接触电压。这样的架空导线极应该通过电绝缘地基而得到足够高的接地电阻^[4]。

表15-1有轨电车轨道的标称参数

桥梁上的铁路线路常与接地电阻很低的钢结构或钢筋钢结构进行电气连接。在新安装中，根据结构的接地电阻和轨道床的类型，需要将轨道与桥梁结构进行电气隔离。除此之外，管道和电缆金属护套始终与结构电气隔离，以排除杂散电流从这些导体中的轨道直接传输。

变电站的母线不得直接接地。它们必须通过至少两条绝缘电缆与钢轨连接。只有在绝对排除其他埋地装置阳极腐蚀增加的情况下，回流电缆的金属护套才能与钢轨或母线连接。因此，必须定期监测所有回流电缆的绝缘情况。

为了减少杂散电流，在一定时间内，轨道网络中的电压降不应超过某一限制值（见参考文献1中的表1）。这里要区分网络核心的平均电压降和网络外围的电压降。

网络核心是两个变电站的支线或任何其他支线在一条直线上的距离小于2km的铁路网络区域。网络核心以外的所有支线都称为边线。在支线铁路网中，既有跨变电所最负回流点附近半径为2km的圆内线路，又有相距小于2km的支线连接^[1]。在图15-1所示的圆形模板的帮助下，可以在轨道平面图上简单地确定网络核心的区域。

图15-1 分支铁路网中网络核心的示意图

外线一般只在边远地区和不同城市之间。如何减少杂散电流和保持在整个网络核心的限制值，要求在一定时间内，返回导体点和各个变电站之间的电压尽可能低。这可以通过回路导线电缆的良好连接点、可变电阻和适当的馈线区域选择来实现。在多个变电站并联运行的情况下，单个变电站馈电电压的微小变化通常就足够了。

允许限值既适用于规划，也适用于运行中的测量值。在计算钢轨电压降时，忽略了通过土壤的平行电流。轨道的阻力被认为是最高允许水平。假设轨道各区段内均布电流荷载。在运行期间进行检查时，应在至少3 h^[1]的时间内测量电压降的定时平均值。仅在运行期间进行的测量不能提供有关铁路网状态的足够信息。如果将低电压降归因于轨道网络的高泄漏负载值，从而允许特别高的杂散电流，这甚至可能导致错误的结论。只有将计算值与测量值进行比较，才能对铁路网进行评估。

在德国韦班德电气技术规范[1,4]中，对铁路网中测量或计算的电压降的精度没有要求，应允许误差为plusmn;10%，在困难情况下，允许误差高达plusmn;20%。需要计算年平均值。如果没有必要的设备，允许在较短的时间内（例如，平均一天）进行计算。铁路网的电压降只反映了地下设施相互干扰的趋势。只能通过测量物体/土壤电位来评估装置的腐蚀风险。电位变化0.1V可被视为不可接受的腐蚀风险^[5]。

在德国几乎所有的直流铁路中，整流器的正极与电流轨的有轨电车线相连，负极与运行轨相连。正极与运行轨道的连接在技术上是可行的，以前在使用汞蒸汽整流器进行接触保护时是方便的；但是，这导致了涉及杂散电流排放或强制排放的腐蚀保护措施的困难。因此，强烈建议将负极与运行轨道连接起来^[4]

由n根横截面为S的钢轨的一段线路的电阻由钢轨电阻负载给出，对于长度，通过：

(15-1)

这里K=1表示焊接钢轨接头，K=1.15表示对接接头，这会增加电阻， 到25表示钢的电阻率，具体取决于钢的强度。带有焊接接头的轨道的常用参数为。

15.2.2直流铁路隧道

大城市的地下铁路正在扩建或新建，有轨电车隧道也在扩建或新建中。基于杂散电流影响的装置中允许的阳极电位变化高达0.1V[1]，单个馈线段内和整个隧道长度上的隧道电压降限值规定为0.1V。在所有带有钢筋混凝土、钢或铸铁墙的隧道中，以及钢和钢筋混凝土的组合（如钢板衬里和钢管），必须满足参考文献4中给出的以下要求：

• 在隧道的整个长度上，单个隧道连接件或结构部件的连续电气连接；
• 行车轨道与隧道结构的良好电气绝缘（例如，通过道床）；
• 隧道外所有金属装置与隧道本身以及轨道的电气分离。

前两项要求确保隧道内保持0.1V的电压降，并限制向土壤中的电流泄漏。第三个要求是防止杂散电流直接泄漏到国外装置。隧道与土壤电绝缘的特殊条件未作规定。对现有设施或在建设施的试验表明，用经济可行的材料覆盖几乎不会导致隧道渗漏荷载的可测量减少。

隧道内的最大电压降约为（忽略从隧道结构流入周围土壤的电流）^[6]：

(15-2)

这里是隧道长度中的馈电段，是轨道的电阻负载，是隧道结构的电阻，是轨道对隧道结构的泄漏负载，以及在馈电段末端理论上最坏电流注入情况下轨道中可能的最高工作电流。此处应考虑由于过载导致分段电路或变电站变压器关闭的电流。公式（15-2）表明，由于馈电线段被提升到第三次方，因此馈电线段的长度影响很大。

在选择变电站间距时，应记住，如果地下和地上铁路有一个共同连接的铁路网，地上铁路的钢轨电压降允许限值适用于整个铁路网。在给定钢轨断面和给定钢轨电阻负荷的情况下，隧道内的电压降只能受钢轨泄漏负荷和隧道电阻负荷的小泄漏负荷值的影响。根据对新的排水良好的隧道装置（轨道位于通常的道床上）进行的测量，可得出泄漏荷载的值。即使在最不利的条件下，该值也会逐渐变大，但不应超过0.1

为减少杂散电流，外部设施（如建筑物基础、桥梁、管道、电缆护套、接地装置和接地导体）不应与轨道或隧道结构进行电气接触。隧道内部采用塑料管和塑料护套电缆。所有供电线路应在隧道入口点（如车站）绝缘。在隧道外的管道中安装了一个绝缘接头。公共电网的电流供应必须通过带有独立绕组的变压器。只有当与隧道结构发生无法避免的意外连接时，才需要在穿过隧道的管道和电缆的金属屏蔽中使用绝缘联轴节。

15.3 高压直流电源线杂散电流

高压直流输电线路距离超过1000公里是经济的，可以作为不同交流电网之间的频率和相位无反应耦合运行。在两个系统的高压直流电源线的末端，每个系统都连接一个转换器。直流电通常流过两股导体。中点接地，但由于系统与地对称工作，因此没有电流流过。工作电压约为600kV，电流可达1.2kA。当其中一个系统发生故障时，电流可以流到地面几个小时，这样第二个系统就可以继续工作。相比之下，在瑞典和美国，有通过地面的永久性电流回流线的高压电力线。这种操作方法不太可能在人口稠密的地区（例如在中欧）找到。

图15-2a显示了双极高压直流电源线的杂散电流干扰^[7]。当系统发生故障时，接地装置的土壤中会出现大的电压锥。几公里外，土壤中的电流密度相对较低。

双极系统的主电路图如图15-2a所示，图15-2b为单极系统发生故障时的电流分布。I和II是各自的交流系统。

两个接地装置2L中间区域土壤中的电流密度可由式（24-39）得出，式中r=L x，r=L-x

(15-3)

(15-4)

图15-2高压直流输电装置的杂散电流干扰：（a）双极系统，（b）单极系统。

15.4 大地电流引起的托盘电流

地球的磁场受到太阳风（太阳辐射的质子和电子）的强烈影响。地球磁场是根据太阳黑子产生的太阳风的强度而变形的。这将导致地球磁场随时间的变化；这些变化可以通过使用磁强计的地球物理观测台测量为磁场变化。由于磁场变化的感应，土壤（而不是管道）的场强会发生电气变化，这取决于土壤的地质和电阻率，其高达0.1V，特别是在高电阻岩石地面上的导电层。涂层良好的管道表示该电场中的等电位线，其末端的管道/土壤电位差是可测量的（见图

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