地鐵雜散電流監(jiān)測(cè)應(yīng)用分析

王睿思

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地鐵雜散電流監(jiān)測(cè)應(yīng)用分析

王睿思

采用微元法建立雜散電流分布仿真模型并得出分布規(guī)律，通過采集實(shí)際地鐵運(yùn)營(yíng)線路的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)效果，可實(shí)現(xiàn)對(duì)雜散電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

雜散電流；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；工程應(yīng)用；防護(hù)措施

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的加速發(fā)展，各大城市軌道交通發(fā)展迅速。由于城市軌道交通受限于空間，以及可控制性、列車體積等因素，均采用直流電力牽引系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)中包含作為正極的接觸網(wǎng)（軌），以及作為負(fù)極回流線的鋼軌。在城市軌道交通運(yùn)營(yíng)過程中，部分電流將脫離該回路，泄漏至大地中，被稱之為雜散電流。運(yùn)營(yíng)之初，由于鋼軌對(duì)地絕緣良好，泄漏的電流較少，隨時(shí)間的推移，軌道周圍的環(huán)境、土壤發(fā)生變化，受潮濕、老化等多方面的影響，走行軌與大地之間的雜散電流明顯增加。

雜散電流最嚴(yán)重的危害是對(duì)金屬造成電化學(xué)腐蝕。對(duì)于軌道交通而言，雜散電流腐蝕鋼軌和鋼筋混凝土中的鋼筋及各種埋地金屬管線，降低軌道交通周圍建筑物的強(qiáng)度，威脅其安全。由于該腐蝕具有隱蔽性，如果發(fā)生突發(fā)事故，后果往往非常嚴(yán)重[2]。因此，對(duì)雜散電流進(jìn)行建模，研究雜散電流的分布與大小，預(yù)測(cè)腐蝕情況，對(duì)雜散電流進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)與防范，對(duì)軌道交通的建設(shè)及城市的發(fā)展意義重大。

1 地鐵雜散電流分布仿真分析

建立單邊供電以及雙邊供電2種供電模式下單一列車的雜散電流分布模型。該模型采用微元法，將列車行駛的區(qū)間假設(shè)為由許多微小的分段組成，將機(jī)車作為注入源。假設(shè)變電所位于邊界且不接地，系統(tǒng)中所有的參數(shù)均為均勻分布，采用“鋼軌-排流網(wǎng)-大地-埋地金屬”基本模型。利用Mathematica軟件解出不同供電模式、不同條件下雜散電流以及鋼軌電位的值，并進(jìn)行對(duì)比，分析各種條件對(duì)雜散電流以及鋼軌電位的影響。

將牽引變電所之間的距離設(shè)為2 km，設(shè)流經(jīng)列車的電流為2 000 A，假設(shè)排流網(wǎng)不排流。設(shè)鋼軌的縱向等效電阻G為0.02W/km，排流網(wǎng)的縱向等效電阻P為0.001W/km，大地的縱向等效電阻D為0.001W/km，埋地金屬的縱向等效電阻M為0.01W/km；設(shè)鋼軌與排流網(wǎng)之間的等效電導(dǎo)0為1/15 S/km，排流網(wǎng)與大地之間的等效電導(dǎo)1為1/3 S/km，大地與埋地金屬之間的等效電導(dǎo)2為1/3 S/km。

列車運(yùn)行在距變電所1 km以內(nèi)，在單邊和雙邊供電模式下，雜散電流、鋼軌與排流網(wǎng)之間的電壓對(duì)比分別如圖1和圖2所示；列車距變電所距離不同時(shí)，以1.5、3、6 km為例，雜散電流、鋼軌與排流網(wǎng)之間的電壓對(duì)比分別如圖3和圖4所示；在流經(jīng)列車電流不同的條件下，雜散電流、鋼軌與排流網(wǎng)之間電壓的對(duì)比分別如圖5和圖6所示；鋼軌縱向電阻不同條件下，雜散電流、鋼軌與排流網(wǎng)之間電壓對(duì)比圖分別如圖7和圖8所示。

分析圖1—圖8可知，雜散電流會(huì)隨列車距變電所距離、流經(jīng)列車的電流、鋼軌的縱向等效電阻的增大而增大；雙邊供電模式比單邊供電模式下雜散電流小，因此地鐵直流牽引供電系統(tǒng)一般都采用雙邊供電模式。

圖1 2種供電模式下雜散電流對(duì)比

圖2 2種供電模式下鋼軌與排流網(wǎng)之間的電壓對(duì)比

圖3 列車距變電所不同距離雜散電流對(duì)比

圖4 列車距變電所不同距離鋼軌與排流網(wǎng)之間電壓對(duì)比

圖5 流經(jīng)列車不同電流條件下雜散電流對(duì)比

圖6 流經(jīng)列車不同電流條件下鋼軌與排流網(wǎng)之間電壓對(duì)比

圖7 不同鋼軌縱向電阻條件下雜散電流對(duì)比

圖8 不同鋼軌縱向電阻條件下鋼軌與排流網(wǎng)之間電壓對(duì)比

2 雜散電流監(jiān)測(cè)

為了減少雜散電流腐蝕，一般從以下方面進(jìn)行治理：控制雜散電流產(chǎn)生的根源，減小泄漏雜散電流，稱為源控制法[3]；盡量減輕泄漏的雜散電流對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕，延長(zhǎng)金屬的使用壽命；按時(shí)監(jiān)測(cè)地鐵各相關(guān)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理，以防止發(fā)生危險(xiǎn)。

監(jiān)控雜散電流的大小及腐蝕情況，對(duì)維護(hù)軌道交通的正常運(yùn)營(yíng)具有重要意義。埋地金屬的極化電位及其對(duì)鋼軌的電壓、鋼軌的縱向等效電阻、鋼軌的過渡電阻等參數(shù)為需重點(diǎn)監(jiān)控的參數(shù)，可反映雜散電流的大小。

其中，埋地金屬的極化電位可通過測(cè)量其與參比電極電位之間的電位差確定，參比電極通常選用Cu或CuSO4電極；鋼軌對(duì)埋地金屬電壓不能過高，以避免人員發(fā)生觸電危險(xiǎn)，因此一般需要安裝軌電位限制裝置；鋼軌的縱向等效電阻以及鋼軌的過渡電阻在地鐵運(yùn)營(yíng)初期一般不會(huì)出現(xiàn)問題，但伴隨長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)營(yíng)，鋼軌絕緣器件以及其他組件出現(xiàn)老化，鋼軌的縱向電阻以及過渡電阻值有可能發(fā)生變化，并超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題及更換對(duì)應(yīng)組件，因此對(duì)這2組參數(shù)進(jìn)行測(cè)量對(duì)于控制雜散電流意義重大。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)通常設(shè)置在重要的埋地金屬、組件容易老化損壞以及雜散電流腐蝕嚴(yán)重的位置處。

雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可分為分散式和集中式。

分散式雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由參比電極、信號(hào)電纜、傳感器、便攜機(jī)、微機(jī)綜合分析裝置等組成。在已經(jīng)設(shè)置的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可通過便攜式綜合測(cè)試裝置分別進(jìn)行人工測(cè)量。主要測(cè)量結(jié)構(gòu)鋼筋以及道床鋼筋的極化電壓偏移值，匯總后，經(jīng)傳輸通道傳送到綜合測(cè)試裝置中，完成全線的雜散電流極化電壓圖，通過對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)其薄弱環(huán)節(jié)，可有針對(duì)性地進(jìn)行維護(hù)。該方法操作簡(jiǎn)單，便于施工，但在后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)中需要人工對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行逐一測(cè)試，不適于全線雜散電流狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

集中式雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包含參比電極、信號(hào)電纜、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、排流柜、上位機(jī)等裝置[4]。該結(jié)構(gòu)可通過信號(hào)線纜將分布于全線各處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集的極化電位信號(hào)統(tǒng)一傳送到變電所內(nèi)設(shè)置的排流監(jiān)測(cè)裝置，隨后上傳到微機(jī)綜合裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即可將雜散電流監(jiān)測(cè)納入電力監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)由電力監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)整條線路的車站、區(qū)間進(jìn)行雜散電流監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)、整理、歸檔、及時(shí)報(bào)警、查詢等。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)雜散電流的監(jiān)測(cè)主要包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容：（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)牽引鋼軌對(duì)道床排流網(wǎng)結(jié)構(gòu)鋼筋電壓；（2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)牽引鋼軌對(duì)隧道壁結(jié)構(gòu)鋼筋電壓；（3）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)道床排流網(wǎng)結(jié)構(gòu)鋼筋對(duì)參比電極的電位；（4）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道壁結(jié)構(gòu)鋼筋對(duì)參比電極的電位；（5）列車停運(yùn)后，監(jiān)測(cè)參比電極的自然本體電位。

3 雜散電流監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)分析

為了驗(yàn)證對(duì)雜散電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)的有效性，對(duì)已投入運(yùn)營(yíng)的軌道交通線路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)的采集是在整條線路的車站中，選取部分監(jiān)測(cè)站的全部監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)。將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬仿真，仿真對(duì)比圖見圖9—圖13。

圖9 傳感器A1最小極化電位時(shí)間對(duì)比圖

圖10 傳感器A3最小極化電位時(shí)間對(duì)比圖

圖11 傳感器B1-B15負(fù)向平均極化電位時(shí)間對(duì)比圖（某日夜）

圖12 傳感器D1-D8負(fù)向平均極化電位時(shí)間對(duì)比圖（某日夜）

圖13 傳感器D1-D8負(fù)向平均極化電位時(shí)間對(duì)比圖（某日晝）

通過對(duì)不同的傳感器實(shí)施監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，故目前該線路采取的雜散電流防護(hù)措施是有效的。

采集完上述監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳感器的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)后，對(duì)其進(jìn)行分組對(duì)比模擬可以發(fā)現(xiàn)，同一傳感器處在不同時(shí)間段的電位均不相同，但不同傳感器處在相同時(shí)間段中的電位大多呈相似的曲線，在不同時(shí)間段也會(huì)出現(xiàn)一些巨大波動(dòng)；不同時(shí)間內(nèi)，不同位置的傳感器同一時(shí)刻接收到的數(shù)據(jù)是不同的，而同一傳感器在不同時(shí)刻的電位也不相同，這是由于不同傳感器位置不同，其實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與距離機(jī)車通過點(diǎn)的遠(yuǎn)近有很大關(guān)系，同時(shí)當(dāng)時(shí)的列車運(yùn)行狀態(tài)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也有較大影響。雜散電流將隨著通過列車的電流、鋼軌縱向等效電阻以及鋼軌過渡電導(dǎo)的增大而增大。經(jīng)理論分析可得，雜散電流與供電距離的平方成正比，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析也可驗(yàn)證該結(jié)論。因此，減小供電距離可以減小雜散電流。

經(jīng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，部分實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)大于理論計(jì)算值，因此在實(shí)際計(jì)算過程中需考慮相應(yīng)的修正值。

在實(shí)際監(jiān)測(cè)過程中，為了全面有效地對(duì)整條線路的雜散電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇十分重要。根據(jù)本次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的模擬曲線分布規(guī)律，可以得出，應(yīng)盡量在沿線車站站臺(tái)兩端的進(jìn)站信號(hào)機(jī)和出站信號(hào)機(jī)附近，以及各個(gè)回流點(diǎn)、部分需要測(cè)試的鋼軌分?jǐn)帱c(diǎn)、橋梁兩端、盡頭線、線路與車輛段之間的連接處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可以較為全面地對(duì)各個(gè)重點(diǎn)部位的軌道電壓、金屬結(jié)構(gòu)極化電位、鋼軌過渡電阻及縱向電阻等參數(shù)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

通過對(duì)雜散電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，可以全面、詳細(xì)地了解整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行過程及結(jié)果，保障系統(tǒng)的有效性。由此證明在抑制雜散電流的工作中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)揮了重要的作用。

4 結(jié)語

城市軌道交通作為城市建設(shè)中越來越重要的一環(huán)，其對(duì)于民計(jì)民生具有重要的意義。而在軌道交通線路運(yùn)營(yíng)過程中產(chǎn)生的雜散電流，因其危害巨大，應(yīng)予以重視。

本文采用微元法對(duì)單一列車在單邊和雙邊供電模式下的雜散電流分布進(jìn)行了建模分析，并利用Mathematic軟件對(duì)所建模型進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明雜散電流將隨著通過列車電流、鋼軌縱向等效電阻以及鋼軌過渡電導(dǎo)的增大而增大。

通過采集實(shí)際地鐵運(yùn)營(yíng)過程中的大量數(shù)據(jù)，分析了同一傳感器以及不同傳感器在不同時(shí)段內(nèi)采集的最小極化電位、最大極化電位、正向平均極化電位以及負(fù)向平均極化電位的變化關(guān)系，并根據(jù)線路運(yùn)行的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，對(duì)比理論建模的結(jié)果，證明雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性，對(duì)雜散電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作用明顯。

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Regularities of distribution are obtained to establish stray current distribution simulation model by means of infinitesimal, through analysis of monitoring data collected from actual operating subway lines, the real-time monitoring of stray current is able to be realized.

Stray current; real-time monitoring; engineering application; protective measure

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.03.014

U231.8

B

1007-936X(2018)03-0044-04

2017-11-23

王睿思.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，工程師。