軌道交通雜散電流對天然氣管道干擾的排除方法

深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司 沈 威 安成名 孟 偉 楊 光

在設(shè)計和建設(shè)軌道交通項(xiàng)目時，雜散電流的監(jiān)測是其中需要重點(diǎn)考慮的問題，因?yàn)檐壍澜煌ń饘俳Y(jié)構(gòu)在自然環(huán)境中容易受到腐蝕。軌道交通在運(yùn)行過程中，通常采用直流供電的方式，如果列車的負(fù)荷量不停，也會在走行軌上形成數(shù)值不等的工作電流[1～3]。走行軌上的一部分電流還能夠通過走行軌，與電源的負(fù)極構(gòu)成電路閉環(huán)，進(jìn)而使得一部分電流回流到電源負(fù)極；另一部分電流經(jīng)由軌道接觸到地面絕緣不良的位置處，會對周圍的軌道交通道床、非介質(zhì)或者四周的土壤造成電流污染，形成雜散電流[4～5]。由于雜散電流的存在，很容易對軌道交通的關(guān)鍵部件造成損害，嚴(yán)重時將危及軌道交通埋地燃?xì)夤芫€的安全，繼而將釀成無法挽回的事故。

因此，在確保軌道交通建設(shè)、軌道交通運(yùn)營能否正常運(yùn)行時，如何防護(hù)雜散電流就是有待研究的關(guān)鍵技術(shù)問題。常規(guī)技術(shù)中多采用被動“堵截”和“疏導(dǎo)”的方式[6～7]，但是軌道交通走行軌上泄漏的雜散電流具有諸多不容易防護(hù)的特點(diǎn)，比如雜散電流樣式繁多、分散性強(qiáng)、防護(hù)困難，難以預(yù)測等。針對上述問題，本文提出了電能補(bǔ)償?shù)姆椒▉斫鉀Q雜散電流，以克服上述問題。

1 雜散電流分布數(shù)學(xué)模型

列車在運(yùn)行時，受電弓接受來自接觸網(wǎng)的電流，在電流的驅(qū)動下列車前行，同時列車車輪將驅(qū)動電流通過接觸走行軌傳回至直流牽引變電所，如圖1所示。

圖1 軌道交通雜散電流干擾原理

軌道交通雜散電流等效電路示意如圖2所示。列車至變電所的距離為L；回路系統(tǒng)總電流為I，其中x位置處走行軌傳遞的電流為i(x)；走行軌由于與地面接觸，導(dǎo)致一部分電流以雜散電流的形式流入地下，這部分電流為is(x)。

圖2 軌道交通雜散電流等效電路示意

基于軌道交通供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，取走行軌區(qū)間L中x——x+dx的一段電路結(jié)構(gòu)，建立如圖3所示的節(jié)點(diǎn)等效電路，其中圖3(a)是節(jié)點(diǎn)電壓、圖3(b)是節(jié)點(diǎn)電流關(guān)系示意圖。

圖3 節(jié)點(diǎn)等效電路示意

如上所述，回路系統(tǒng)總電流I為x位置處的走行軌電流i(x)和該位置處的雜散電流is(x)之和，即：

圖3中的走行軌電位為u(x)，走行軌單位長度電阻和對地絕緣電阻率分別為Rs和Rg。

根據(jù)圖3的節(jié)點(diǎn)電壓示意結(jié)構(gòu)，可得：

將式(3)代入式(2)，整理得：

將式(4)兩邊對x求導(dǎo)，得：

根據(jù)圖3的節(jié)點(diǎn)電流示意結(jié)構(gòu)，可得：

將式(5)代入式(6)，整理得：

式(8)的通解為：

將式（4）移項(xiàng)可得：

考慮邊界條件：①x=0，i(0)=I；②x=L，i(L)=I。代入式(9)可得：

將式(11)、式(12)代入式(9)可得：

從而可得列車的走行軌電流 i(x)和泄漏到地下的雜散電流i(x)，即：

用MATLAB進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，在長L的走行軌上，兩端雜散電流為零，中間達(dá)到最大值。

2 減小雜散電流干擾的方法

根據(jù)上述理論建模研究的結(jié)果，可以參照雜散電流is(x)表達(dá)式中is(x)隨各參數(shù)變化而變化的規(guī)律來研究如何減少雜散電流的干擾。

2.1 接觸軌長度L

由于is在x=L/2處達(dá)到最大值，因此研究x=L/2時is隨L的變化情況。

將x=L/2代入式(15)，整理得：

由式(16)可以看出，L減小時，is(L/2)隨之變小，is(x)與L呈正相關(guān)，即在走行軌L兩端電壓不變的情況下，L越小，土壤中的雜散電流越小，反之則越大。因此，在設(shè)計直流牽引變電所的位置時，應(yīng)盡可能使變電所的數(shù)量多一些，距離密集一些，這樣可以減少雜散電流is。

2.2 走行軌對地絕緣電阻Rg

一般來說，走行軌選定后，其單位長度電阻值Rs也就確定了，由式(17)可知，增加對地絕緣電阻Rg的值，可以使得雜散電流is值顯著減少。假定軌道單位長度電阻Rs=0.03 Ω，供電區(qū)間L=2 km，總電流 I=700 A，用 MATLAB作出雜散電流峰值is(L/2)隨軌地過渡電阻Rg的曲線圖，如圖4所示。

圖4 雜散電流峰值is與軌地過渡電阻Rg之間的關(guān)系曲線

由圖4可知，軌地過渡電阻Rg在小于10 Ω·km時，隨著Rg的增大，雜散電流峰值is(L/2)隨之急劇減小；軌地過渡電阻Rg在大于20 Ω·km時，雜散電流峰值曲線已經(jīng)趨于平緩，減小值已經(jīng)不太明顯。當(dāng)Rg為20 Ω·km時，根據(jù)式(17)可求得雜散電流峰值is(L/2)為0.524 7 A。因此，為了增大軌地過渡電阻，可以采取在走行軌與地面接觸地方鋪設(shè)絕緣層(絕緣道床)或在燃?xì)夤芫W(wǎng)表面覆蓋一層絕緣材料的方法，如刷絕緣漆或者包裹絕緣塑料。

2.3 排流網(wǎng)

在列車軌道下層與土壤之間鋪設(shè)鋼結(jié)構(gòu)排流網(wǎng)，實(shí)質(zhì)上可以減小走行軌的Rs，如圖5所示。

圖5 軌地排流網(wǎng)的設(shè)置

由圖5可知，當(dāng)雜散電流從走行軌泄漏后流入排流網(wǎng)和埋地金屬時，因土壤是良好導(dǎo)體相當(dāng)于電解質(zhì)，走行軌失電子為陽極區(qū)，排流網(wǎng)得電子為陰極區(qū)，走行軌、土壤和排流網(wǎng)、埋地燃?xì)夤芫€三者之間將構(gòu)成兩個電解池。由于排流網(wǎng)鋼筋存在縱向電阻，泄漏至排流網(wǎng)鋼筋的雜散電流不一定全部通過排流網(wǎng)回流，其中還有部分雜散電流繼續(xù)從排流網(wǎng)鋼筋中泄漏，泄漏至大地中的埋地燃?xì)夤芫€，此時排流網(wǎng)將作為陽極區(qū)，埋地金屬作為陰極區(qū)，排流網(wǎng)、土壤和埋地燃?xì)夤芫€三者之間將構(gòu)成一個電解池。當(dāng)走行軌為陽極區(qū)時，將會對走行軌和扣件系統(tǒng)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，當(dāng)排流網(wǎng)為陽極區(qū)時，將會對排流網(wǎng)鋼筋產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。

2.4 單設(shè)回流軌系統(tǒng)

根據(jù)上述分析，為解決雜散電流問題，采用了雜散電流腐蝕防護(hù)措施，但是受環(huán)境條件、施工措施、運(yùn)營管理等多種因素影響，無法完全解決該問題。由于雜散電流主要通過走行軌泄漏至大地然后再從大地返回至牽引變電所，因此，采用回流軌，不利用走行軌回流是解決雜散電流及其危害的根本方法。該方法的根本思路是使得總電流等于走行軌電流，即從而使雜散電流為零，相當(dāng)于切斷了雜散電流的傳播路徑。該方案和走行軌回流的供電方案對比如圖6所示。

圖6 采用回流軌的列車牽引系統(tǒng)

由圖6可以看出，走行軌回流系統(tǒng)電流通過牽引系統(tǒng)后通過車輪流到大地，不能與路基、道床完全絕緣。采用回流軌回流技術(shù)后，采用相應(yīng)技術(shù)使?fàn)恳到y(tǒng)直接與回流軌相連，回流軌與大地完全絕緣，電流通過牽引系統(tǒng)后不通過車輪直接流入回流軌，可以保證電流不與走行軌接觸，全部通過回流軌流回變電所陰極。與走行軌供電回流系統(tǒng)方案對比，回流軌回流供電技術(shù)中供電系統(tǒng)、車輛、軌道、站臺門、限界、土建結(jié)構(gòu)均有不同影響和變化。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備、施工等方面對回流軌回流技術(shù)與走行軌回流技術(shù)進(jìn)行比較，結(jié)果顯示采用回流軌回流技術(shù)后，城市軌道交通運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性均有較高的提升。注意該方法需要重建一條回流軌線，初始投資比較大，而且回流軌線的位置要合理的確定以保證公共安全問題。

3 結(jié)語

本文用數(shù)學(xué)建模的方法分析了著地軌道交通走行軌在地面及土壤中產(chǎn)生的雜散電流分布及其對天然氣金屬埋地管道的腐蝕影響，可以通過模型公式中可變因素的改變來減少雜散電流的擴(kuò)散。根據(jù)各可變因素，可以看出：增加變電所數(shù)量、減小電流回流路徑L，在軌地之間鋪設(shè)絕緣層，在金屬燃?xì)夤艿劳獗戆^緣材料等均是有效的方法；甚至可以在軌道下方土壤中鋪設(shè)排流網(wǎng)，增大軌道和排流網(wǎng)與管道之間的夾角(最好是垂直鋪設(shè))也能夠最大限度地減少雜散電流。當(dāng)然排除雜散電流的終極方法還是摒棄走行軌導(dǎo)電而改為采用回流軌，傳回電流才能從根本上消除軌道交通對地面產(chǎn)生的雜散電流。