王睿思

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地鐵雜散電流監(jiān)測應(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，通過采集實際地鐵運營線路的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，驗證了雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測效果，可實現(xiàn)對雜散電流的實時監(jiān)測。

雜散電流；實時監(jiān)測；工程應(yīng)用；防護措施

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的加速發(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），以及作為負極回流線的鋼軌。在城市軌道交通運營過程中，部分電流將脫離該回路，泄漏至大地中，被稱之為雜散電流。運營之初，由于鋼軌對地絕緣良好，泄漏的電流較少，隨時間的推移，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。

雜散電流最嚴重的危害是對金屬造成電化學(xué)腐蝕。對于軌道交通而言，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，后果往往非常嚴重[2]。因此，對雜散電流進行建模，研究雜散電流的分布與大小，預(yù)測腐蝕情況，對雜散電流進行有效監(jiān)測與防范，對軌道交通的建設(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，并進行對比，分析各種條件對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)之間的電壓對比分別如圖1和圖2所示；列車距變電所距離不同時，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比

圖2 2種供電模式下鋼軌與排流網(wǎng)之間的電壓對比

圖3 列車距變電所不同距離雜散電流對比

圖4 列車距變電所不同距離鋼軌與排流網(wǎng)之間電壓對比

圖5 流經(jīng)列車不同電流條件下雜散電流對比

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

圖7 不同鋼軌縱向電阻條件下雜散電流對比

圖8 不同鋼軌縱向電阻條件下鋼軌與排流網(wǎng)之間電壓對比

2 雜散電流監(jiān)測

為了減少雜散電流腐蝕，一般從以下方面進行治理：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金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕，延長金屬的使用壽命；按時監(jiān)測地鐵各相關(guān)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，以防止發(fā)生危險。

監(jiān)控雜散電流的大小及腐蝕情況，對維護軌道交通的正常運營具有重要意義。埋地金屬的極化電位及其對鋼軌的電壓、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；鋼軌對埋地金屬電壓不能過高，以避免人員發(fā)生觸電危險，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營初期一般不會出現(xiàn)問題，但伴隨長時間的運營，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，并超出標準范圍，對其進行監(jiān)測可及時發(fā)現(xiàn)問題及更換對應(yīng)組件，因此對這2組參數(shù)進行測量對于控制雜散電流意義重大。

監(jiān)測點通常設(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重的位置處。

雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)可分為分散式和集中式。

分散式雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)由參比電極、信號電纜、傳感器、便攜機、微機綜合分析裝置等組成。在已經(jīng)設(shè)置的各個監(jiān)測點，可通過便攜式綜合測試裝置分別進行人工測量。主要測量結(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試裝置中，完成全線的雜散電流極化電壓圖，通過對比分析，發(fā)現(xiàn)其薄弱環(huán)節(jié)，可有針對性地進行維護。該方法操作簡單，便于施工，但在后期運營維護中需要人工對各監(jiān)測點進行逐一測試，不適于全線雜散電流狀態(tài)的實時監(jiān)測。

集中式雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)主要包含參比電極、信號電纜、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、排流柜、上位機等裝置[4]。該結(jié)構(gòu)可通過信號線纜將分布于全線各處的監(jiān)測點采集的極化電位信號統(tǒng)一傳送到變電所內(nèi)設(shè)置的排流監(jiān)測裝置，隨后上傳到微機綜合裝置進行數(shù)據(jù)處理，即可將雜散電流監(jiān)測納入電力監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一管理，實現(xiàn)由電力監(jiān)控系統(tǒng)對整條線路的車站、區(qū)間進行雜散電流監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，并進行相應(yīng)的統(tǒng)計、整理、歸檔、及時報警、查詢等。

在實際工程應(yīng)用中，對雜散電流的監(jiān)測主要包括以下幾項內(nèi)容：（1）實時監(jiān)測牽引鋼軌對道床排流網(wǎng)結(jié)構(gòu)鋼筋電壓；（2）實時監(jiān)測牽引鋼軌對隧道壁結(jié)構(gòu)鋼筋電壓；（3）實時監(jiān)測道床排流網(wǎng)結(jié)構(gòu)鋼筋對參比電極的電位；（4）實時監(jiān)測隧道壁結(jié)構(gòu)鋼筋對參比電極的電位；（5）列車停運后，監(jiān)測參比電極的自然本體電位。

3 雜散電流監(jiān)測實測分析

為了驗證對雜散電流進行監(jiān)測的有效性，對已投入運營的軌道交通線路進行數(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)測站的全部監(jiān)測點采集數(shù)據(jù)。將采集的數(shù)據(jù)進行模擬仿真，仿真對比圖見圖9—圖13。

圖9 傳感器A1最小極化電位時間對比圖

圖10 傳感器A3最小極化電位時間對比圖

圖11 傳感器B1-B15負向平均極化電位時間對比圖（某日夜）

圖12 傳感器D1-D8負向平均極化電位時間對比圖（某日夜）

圖13 傳感器D1-D8負向平均極化電位時間對比圖（某日晝）

通過對不同的傳感器實施監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)達到了行業(yè)標準，故目前該線路采取的雜散電流防護措施是有效的。

采集完上述監(jiān)測點傳感器的實測數(shù)據(jù)后，對其進行分組對比模擬可以發(fā)現(xiàn)，同一傳感器處在不同時間段的電位均不相同，但不同傳感器處在相同時間段中的電位大多呈相似的曲線，在不同時間段也會出現(xiàn)一些巨大波動；不同時間內(nèi)，不同位置的傳感器同一時刻接收到的數(shù)據(jù)是不同的，而同一傳感器在不同時刻的電位也不相同，這是由于不同傳感器位置不同，其實時監(jiān)測與距離機車通過點的遠近有很大關(guān)系，同時當(dāng)時的列車運行狀態(tài)對監(jiān)測點的實測數(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)測數(shù)據(jù)的分析也可驗證該結(jié)論。因此，減小供電距離可以減小雜散電流。

經(jīng)實測發(fā)現(xiàn)，部分實測值遠大于理論計算值，因此在實際計算過程中需考慮相應(yīng)的修正值。

在實際監(jiān)測過程中，為了全面有效地對整條線路的雜散電流進行監(jiān)測，監(jiān)測點的選擇十分重要。根據(jù)本次實測數(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兩端的進站信號機和出站信號機附近，以及各個回流點、部分需要測試的鋼軌分斷點、橋梁兩端、盡頭線、線路與車輛段之間的連接處設(shè)置監(jiān)測點，可以較為全面地對各個重點部位的軌道電壓、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)進行有效監(jiān)測。

通過對雜散電流實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，可以全面、詳細地了解整個監(jiān)測系統(tǒng)的運行過程及結(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)，其對于民計民生具有重要的意義。而在軌道交通線路運營過程中產(chǎn)生的雜散電流，因其危害巨大，應(yīng)予以重視。

本文采用微元法對單一列車在單邊和雙邊供電模式下的雜散電流分布進行了建模分析，并利用Mathematic軟件對所建模型進行了仿真。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。

通過采集實際地鐵運營過程中的大量數(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向平均極化電位的變化關(guān)系，并根據(jù)線路運行的實測數(shù)據(jù)進行仿真，對比理論建模的結(jié)果，證明雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)的有效性，對雜散電流實時監(jiān)測作用明顯。

[1] 孔瑋. 城市軌道交通直流牽引系統(tǒng)故障分析及若干問題的研究[D]. 華北電力大學(xué)博士學(xué)位論文，2005.

[2] 王崇林，馬草原，王智，等. 地鐵直流牽引供電系統(tǒng)雜散電流分析[J]. 城市軌道交通研究，2007，10（3）：51-53.

[3] 于松偉. 城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計原理與應(yīng)用[M]. 成都：西南交通大學(xué)出版社，2008.

[4] 李亞寧. 城市軌道交通雜散電流的成因與防護監(jiān)測探析[J]. 甘肅科技，2009，25（23）：53-54.

[5] 王術(shù)合，劉 斌，朱曉軍. 城市軌道交通新型雜散電流治理方案探討[J]. 電氣化鐵道，2016z：58-61.

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)計院集團有限公司，工程師。