蘭州軌道交通1號(hào)線雜散電流沿線分布比較

李亞寧

(蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

蘭州軌道交通1號(hào)線雜散電流沿線分布比較

李亞寧

(蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

為獲得在蘭州地區(qū)土質(zhì)條件下不同影響因素與軌道交通系統(tǒng)中雜散電流的關(guān)系，從在建的蘭州軌道交通1號(hào)線上世紀(jì)大道站、西客站和五里鋪站3個(gè)站點(diǎn)采取了土壤樣本，對(duì)不同牽引電流、土壤電阻率、鋼軌縱向電阻、土壤深度等條件下的雜散電流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明，如果采用相同的牽引電流，各站點(diǎn)間所產(chǎn)生雜散電流的極值差異達(dá)到了41.3%；在不同站點(diǎn)鋪設(shè)具有相同縱向電阻的鋼軌，雜散電流也會(huì)有23%的差異；雜散電流隨機(jī)車與牽引變電所距離的增大而增大；達(dá)到一定距離后雜散電流的增長(zhǎng)速率會(huì)增大。該研究為制定蘭州軌道交通1號(hào)線雜散電流的腐蝕防護(hù)方案提供了理論參考。

軌道交通 直流牽引 雜散電流 實(shí)驗(yàn)研究 腐蝕

0 引言

目前，城市軌道交通供電系統(tǒng)大多數(shù)采用走行軌回流的直流牽引供電方式，運(yùn)行過程中產(chǎn)生的雜散電流會(huì)對(duì)地下金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕，影響城市軌道交通安全運(yùn)營(yíng)[1-3]。本文以在建的蘭州軌道交通1號(hào)線(以下簡(jiǎn)稱1號(hào)線)為研究對(duì)象，沿線進(jìn)行土壤采樣，自行設(shè)計(jì)了雜散電流實(shí)驗(yàn)室模擬裝置，得到了蘭州地區(qū)土質(zhì)條件下不同影響因素與雜散電流的關(guān)系，為蘭州軌道交通1號(hào)線雜散電流腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 1號(hào)線工程概況

1號(hào)線自西向東穿過中心城區(qū)，線路串聯(lián)了城關(guān)區(qū)、七里河區(qū)、安寧區(qū)、西固區(qū)四個(gè)主要功能區(qū)塊。1號(hào)線西起陳官營(yíng)站，途經(jīng)崔家大灘、迎門灘、馬灘、西客站、西關(guān)十字、東方紅廣場(chǎng)、盤旋路、省人民醫(yī)院、東部市場(chǎng)，東至東崗鎮(zhèn)，線路全長(zhǎng)約 26 km[4]。1號(hào)線兩次穿越黃河，一次是在銀灘黃河大橋附近，從馬灘穿越黃河后進(jìn)入安寧區(qū)；另一次是從營(yíng)門灘附近穿越黃河進(jìn)入西固區(qū)[4]。1號(hào)線采用集中供電方式，兩級(jí)電壓制110 kV/35 kV，牽引網(wǎng)電壓為DC 1 500 V；采用架空接觸網(wǎng)授流方式的牽引網(wǎng)形式。

2 雜散電流腐蝕機(jī)理

2.1 雜散電流形成過程

以單邊供電為例，說明雜散電流的形成原理，如圖1所示。目前，城市軌道交通一般采用直流牽引供電，機(jī)車所需的牽引電流由牽引變電所的正極出發(fā)，通過架空接觸網(wǎng)(軌)、受電弓向電動(dòng)機(jī)車供電。然后經(jīng)走行軌(即回流軌)回流到牽引變電所的負(fù)極，產(chǎn)生回流電流。但因?yàn)殇撥壊豢赡芡耆^緣，所以牽引電流并不能全部由鋼軌回流到變電所，而是有一部分電流由走行軌流入大地，這部分電流便形成雜散電流[5]。圖1中，I為牽引電流，Ir為回流電流，Is為雜散電流;L為牽引變電所與機(jī)車之間的距離。

圖1 雜散電流形成原理

2.2 雜散電流腐蝕機(jī)理

雜散電流的腐蝕機(jī)理如圖2所示。圖中符號(hào)含義同圖1。

圖2 雜散電流腐蝕原理

走行軌與埋地金屬管線都屬于電子導(dǎo)體，而土壤則屬于離子導(dǎo)體。電子從A和D兩個(gè)位置分別流出時(shí)，金屬導(dǎo)體與地面的交界面為陽極；電流在C和F兩個(gè)位置分別流入時(shí)，地面與金屬導(dǎo)體的交界面為陰極，即A、B、C和D、E、F是兩個(gè)串聯(lián)的原電池。

原電池1：A(陽極)→B(土壤)→C(陰極)。

原電池2：D(陽極)→E(土壤)→F(陰極)。

根據(jù)土壤中有無氧氣，腐蝕原電池的電極反應(yīng)分為吸氫腐蝕和吸氧腐蝕。這兩種腐蝕反應(yīng)通常生成Fe(OH)2并在鋼筋表面或介質(zhì)中析出, 部分還可以進(jìn)一步被氧化形成Fe(OH)3。生成的Fe(OH)2繼續(xù)被介質(zhì)中的O2氧化成棕色的Fe2O3·2xH2O (紅銹的主要成分) , 而Fe(OH)3可進(jìn)一步生成Fe3O4(鐵銹的主要成分)[6]。

3 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試過程

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本研究設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置如圖3所示[7]。盛裝土壤的容器尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=0.5 m×0.4 m×0.6 m。土壤厚度為0.5 m。用長(zhǎng)0.4 m、阻值分別為0.5 Ω、1.0 Ω的鎳锘合金電阻片平鋪在土壤表面模擬圖1中的走行軌。用型號(hào)為TH-SS3022數(shù)顯直流穩(wěn)壓電源(量程為0～30 V)模擬圖1中的牽引變電所。Rb為電路的保護(hù)電阻，由6個(gè)阻值為2.5 Ω、10 W的電阻串聯(lián)構(gòu)成。用兩塊萬用表分別測(cè)量牽引電流和雜散電流。這樣就形成了一個(gè)類似蘭州地鐵雜散電流產(chǎn)生的模擬環(huán)境。

圖3 實(shí)驗(yàn)室模擬裝置

3.2 測(cè)試過程

由于受實(shí)驗(yàn)室各種條件的限制，無法直接測(cè)量土壤電阻率，只能選在室外進(jìn)行測(cè)量。通過對(duì)1號(hào)線路走向的分析，最終分別對(duì)位于安寧區(qū)、七里河區(qū)、城關(guān)區(qū)的世紀(jì)大道站、西客站和五里鋪站3個(gè)站點(diǎn)的土壤進(jìn)行采樣，并進(jìn)行土壤電阻率和雜散電流的測(cè)量。其中土壤電阻率測(cè)試方法采用等距四電極法[7]，雜散電流的測(cè)量則用圖3所示的模擬裝置進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)試過程中，為提高測(cè)試結(jié)果的可靠性，在每種工況下測(cè)量3次，以3次測(cè)量的算術(shù)平均值作為最后結(jié)果。下面給出具有代表性土質(zhì)的3個(gè)站點(diǎn)的雜散電流測(cè)試結(jié)果。所選世紀(jì)大道站、西客站和五里鋪站3個(gè)站點(diǎn)的土壤電阻率分別為ρ=28.33 Ω·m、ρ=34.54 Ω·m、ρ=40.82 Ω·m。

4 結(jié)果分析

4.1 牽引電流對(duì)雜散電流的影響

實(shí)驗(yàn)中模擬鋼軌的縱向電阻有Rr=0.5 Ω和Rr=1.0 Ω兩種規(guī)格，機(jī)車與牽引變電所之間的距離為28 cm，測(cè)試探針插入土壤的埋深h=7 cm。當(dāng)牽引電流分別為I=0.3 A、0.6 A、0.9 A時(shí)，對(duì)距牽引變電所不同距離Lx處的雜散電流進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖4所示。

可以看出，對(duì)于同一牽引電流，雜散電流沿著測(cè)點(diǎn)與牽引變電所之間的線路呈拋物線變化，在實(shí)驗(yàn)條件下的15 cm處取得極大值；對(duì)于同一測(cè)試位置，雜散電流隨牽引電流值增大而增大，而且，不同牽引電流對(duì)應(yīng)的雜散電流極值所在位置基本一致。這說明對(duì)于建成的兩牽引變電所之間的線路，其雜散電流匯集的位置是在一個(gè)比較狹小的范圍內(nèi)。由此啟發(fā)我們?cè)谠O(shè)計(jì)中如何合理確定牽引電流和牽引變電所之間的距離等因素，在保證機(jī)車有足夠牽引力的情況下將雜散電流降到最低。

據(jù)此得出結(jié)論，在蘭州軌道交通建設(shè)中，可采用提高牽引網(wǎng)的電壓、限制牽引電流的措施來降低雜散電流帶來的危害。例如，1號(hào)線一期工程采用DC 1 500 V的電壓，有助于減小雜散電流。另外，除了線路末端采用單邊供電外，線路中間均采用雙邊供電。采用雙邊供電的雜散電流值為單邊供電的1/4。

圖4 不同牽引電流時(shí)比較

圖5比較了不同站點(diǎn)在相同牽引電流I=0.9 A時(shí)的雜散電流沿線變化。

圖5 不同站點(diǎn)雜散電流比較 (I=0.9 A)

由圖5可知，當(dāng)世紀(jì)大道站、西客站和五里鋪站采取相同的牽引電流0.9A時(shí)，雜散電流在測(cè)量點(diǎn)與牽引變電所間呈現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)，并且取得極值的位置也很接近。但對(duì)于同一位置，雜散電流的絕對(duì)值存在差異。其中，世紀(jì)大道站的雜散電流最大，五里鋪站的雜散電流最小，前者的極值比后者的極值高出41.3%。所以，同一線路采取相同的牽引電流顯然是不科學(xué)的。在設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行管理中，要綜合考慮各種因素，盡可能地對(duì)不同站點(diǎn)間的牽引電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使得受其影響的雜散電流最小。

4.2 鋼軌縱向電阻對(duì)雜散電流的影響

牽引電流I=0.6A，測(cè)試探針插入土壤的埋深h=7cm，機(jī)車與牽引變電所之間的距離L=28cm，鋼軌縱向電阻分別為Rr=0.5Ω、1.0Ω時(shí)，對(duì)距牽引變電所不同距離Lx處的雜散電流進(jìn)行測(cè)量，得到了雜散電流的變化趨勢(shì)，如圖6所示。

圖6 不同鋼軌縱向電阻時(shí)比較(I=0.6 A)

由圖6可知，對(duì)于同一鋼軌縱向電阻，沿著測(cè)點(diǎn)與牽引變電所之間的線路雜散電流呈拋物線變化，在實(shí)驗(yàn)條件下也是于15 cm處取得極大值。在其他條件不變的情況下，隨著鋼軌縱向電阻的增大，雜散電流隨之增大。從兩種鋼軌縱向電阻對(duì)應(yīng)的雜散電流分布可以看出，大阻值時(shí)雜散電流的變化幅度較大，而小阻值時(shí)相對(duì)平緩。與圖4對(duì)照，發(fā)現(xiàn)鋼軌縱向電阻對(duì)雜散電流的影響要大于牽引電流對(duì)雜散電流的影響幅度。因此，在蘭州軌道交通一期工程中，在滿足對(duì)鋼軌其他技術(shù)方面的要求時(shí)，應(yīng)該盡量減小鋼軌的縱向電阻，比如通過選擇電阻率較小材質(zhì)的鋼軌或者橫截面較大的鋼軌，以便通過減小鋼軌的縱向電阻來減小雜散電流的大小，從而減輕雜散電流的腐蝕危害。

圖7比較了具有相同縱向電阻的鋼軌置于不同站點(diǎn)時(shí)雜散電流沿線變化。由圖7可知，當(dāng)鋼軌縱向電阻均為1 Ω時(shí)，世紀(jì)大道和西客站的雜散電流極值很接近，均高于五里鋪站的極值，兩極值相差約23%。所以，同一線路布置具有相同鋼軌縱向電阻也是不科學(xué)的。在設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行管理中，要綜合考慮各種因素，盡可能地對(duì)不同站點(diǎn)間的鋼軌縱向電阻進(jìn)行人為處理，使其雜散電流最小。

圖7 不同站點(diǎn)雜散電流比較(Rr=1.0 Ω)

4.3 雜散電流沿土壤深度的變化

牽引電流I=0.6 A，鋼軌縱向電阻Rr=0.5 Ω，機(jī)車與牽引變電所之間的距離L=28 cm，當(dāng)測(cè)量點(diǎn)與牽引變電所之間的距離Lx=15 cm時(shí)，測(cè)試得到了雜散電流沿土壤深度的分布，如圖8所示。由圖8可知，在其他條件不變的情況下，雜散電流隨土壤埋深的增加呈下降趨勢(shì)，并且當(dāng)深度達(dá)到一定程度時(shí)雜散電流會(huì)減小到零。因此，在蘭州軌道交通一期工程中，可以通過實(shí)驗(yàn)來確定雜散電流達(dá)到零時(shí)土壤深度的極限值，然后將金屬管線鋪設(shè)在雜散電流為零的區(qū)域，從而減小雜散電流對(duì)埋地金屬管線的腐蝕。

圖8 雜散電流隨土壤深度變化曲線(I=0.6 A)

4.4 機(jī)車與牽引變電所距離對(duì)雜散電流影響

牽引電流I=1.0 A，鋼軌縱向電阻Rr=0.5 Ω，測(cè)試探針插入土壤的埋深h=7 cm，測(cè)量點(diǎn)始終保持在牽引變電所與機(jī)車的中點(diǎn)位置。機(jī)車與牽引變電所間距離分別為L(zhǎng)=4 cm、8 cm、12 cm、16 cm、20 cm、24 cm、28 cm時(shí)，對(duì)雜散電流進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖9所示。

圖9 Is隨L變化關(guān)系

由圖9可知，在其他條件不變的情況下，雜散電流隨機(jī)車與牽引變電所間距離的增大而增大，且在16 cm處發(fā)生了增長(zhǎng)速率的變化,說明到達(dá)一定距離后雜散電流的增長(zhǎng)會(huì)更快。

針對(duì)這一結(jié)論，在蘭州軌道交通一期工程中，在確保滿足其他條件時(shí)，應(yīng)盡量縮小供電區(qū)間的長(zhǎng)度，即縮小牽引變電所之間的距離，從而削弱雜散電流的腐蝕危害。在1號(hào)線一期工程中，牽引變電所與車站合建，因此，在滿足供電要求的前提下，盡量減小站間距[8]。這樣，雖然可能會(huì)增大初投資和運(yùn)營(yíng)成本，但提高了安全運(yùn)行的可靠性。

5 結(jié)束語

本文以蘭州軌道交通1號(hào)線為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了雜散電流實(shí)驗(yàn)室模擬裝置，并對(duì)不同影響因素下所產(chǎn)生的雜散電流進(jìn)行了測(cè)量，得到了如下主要結(jié)論。

(1) 蘭州軌道交通1號(hào)線如果采用相同的牽引電流，各站點(diǎn)間所產(chǎn)生雜散電流的極值差異達(dá)到了41.3%；在不同站點(diǎn)鋪設(shè)具有相同縱向電阻的鋼軌，雜散電流也會(huì)有23%的差異。

(2) 在其他條件不變的情況下，雜散電流隨機(jī)車與牽引變電所間距離的增大而增大；而且在16 cm處發(fā)生了增長(zhǎng)速率的變化。這說明到達(dá)一定距離后雜散電流的增長(zhǎng)會(huì)更快。

(3) 實(shí)行站間牽引電流動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)、人為改變鋼軌縱向電阻，可以有效降低雜散電流的危害。

(4) 對(duì)于特定環(huán)境下的軌道交通供電系統(tǒng)，影響雜散電流分布的因素很復(fù)雜，如何有側(cè)重地采取措施降低其危害，需要大量的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

(5) 本文只是從實(shí)驗(yàn)的角度研究了雜散電流與幾個(gè)主要影響因素間的關(guān)系以及沿線分布情況，并對(duì)特定條件下的結(jié)果作了比較。當(dāng)列車投入運(yùn)營(yíng)后，雜散電流的實(shí)際分布及變化特征會(huì)變得更為復(fù)雜，需要長(zhǎng)期在線跟蹤測(cè)試，為確保軌道交通系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供技術(shù)支持。

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Comparison of the Stray Current Distribution along Lanzhou Rail Transit Line 1

In order to find out the relationship among stray current in rail transit system and various affecting factors of soil conditions in Lanzhou region, soil samples are collected at three of the stations of the Lanzhou rail transit line 1 which is under construction, i.e., the century avenue station, west railway station, and Wulipu station; and experimental tests of the stray current are conducted under different traction current, soil resistivity, longitudinal resistance of the rail, and soil depth, etc. The results indicate that the extreme value differences of stray current between two stations is up to 41.3%; when the rail with same resistivity being laid at different station, the stray current may be different around 23%; the stray current is increasing following the distance increment between locomotive and traction substation; and the increasing rate of the stray current will increase when the distance between locomotive and traction substation reaches certain value. The research provides theoretical reference for formulating the corrosion protection program of the stray current for Lanzhou rail transit line 1.

Rail transit Direct current traction Stray current Experiment study Corrosion

甘肅省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：1308RJZA199)。

U239+.5;TP73

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510005

修改稿收到日期：2015-01-08。

作者李亞寧(1977-)，女，2005年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)自動(dòng)控制專業(yè)，獲碩士學(xué)位，副教授；主要從事軌道交通控制方面的研究。