地鐵雜散電流的監(jiān)測應(yīng)用

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摘要：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)營線路的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測效果，可實(shí)現(xiàn)對雜散電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：雜散電流；實(shí)時(shí)監(jiān)測；工程應(yīng)用；防護(hù)措施

0引言

隨著我國經(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)營之初，由于鋼軌對地絕緣良好，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(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，對雜散電流進(jìn)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(jìn)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(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L設(shè)為2km，設(shè)流經(jīng)列車的電流為2000A，假設(shè)排流網(wǎng)不排流。設(shè)鋼軌的縱向等效電阻RG為0.02/km，排流網(wǎng)的縱向等效電阻RP為0.001/km，大地的縱向等效電阻RD為0.001/km，埋地金屬的縱向等效電阻RM為0.01/km；設(shè)鋼軌與排流網(wǎng)之間的等效電導(dǎo)g0為1/15S/km，排流網(wǎng)與大地之間的等效電導(dǎo)g1為1/3S/km，大地與埋地金屬之間的等效電導(dǎo)g2為1/3S/km。列車運(yùn)行在距變電所1km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(shí)，以1.5、3、6km為例，雜散電流、鋼軌；在流經(jīng)列車電流不同的條件下，雜散電流、鋼軌與；鋼軌縱向電阻不同條件下，雜散電流、鋼軌與排流網(wǎng)。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。

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(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金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕，延長金屬的使用壽命；按時(shí)監(jiān)測地鐵各相關(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，對維護(hù)軌道交通的正常運(yùn)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(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(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)營初期一般不會(huì)出現(xiàn)問題，但伴隨長時(shí)間的運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)范圍，對其進(jìn)行監(jiān)測可及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題及更換對應(yīng)組件，因此對這2組參數(shù)進(jìn)行測量對于控制雜散電流意義重大。監(jiān)測點(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(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)測點(diǎn)，可通過便攜式綜合測試裝置分別進(jìn)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(jìn)行維護(hù)。該方法操作簡單，便于施工，但在后期運(yùn)營維護(hù)中需要人工對各監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行逐一測試，不適于全線雜散電流狀態(tài)的實(shí)時(shí)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(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)對整條線路的車站、區(qū)間進(jìn)行雜散電流監(jiān)測和數(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，對雜散電流的監(jiān)測主要包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容：（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測牽引鋼軌對道床排流網(wǎng)結(jié)構(gòu)鋼筋電壓；（2）實(shí)時(shí)監(jiān)測牽引鋼軌對隧道壁結(jié)構(gòu)鋼筋電壓；（3）實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(yùn)后，監(jiān)測參比電極的自然本體電位。

3雜散電流監(jiān)測實(shí)測分析

為了驗(yàn)證對雜散電流進(jìn)行監(jiān)測的有效性，對已投入運(yùn)營的軌道交通線路進(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)測站的全部監(jiān)測點(diǎn)采集數(shù)據(jù)。將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬仿真.通過對不同的傳感器實(shí)施監(jiān)測，監(jiān)測數(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)測點(diǎn)傳感器的實(shí)測數(shù)據(jù)后，對其進(jìn)行分組對比模擬可以發(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)對監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)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(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)測發(fā)現(xiàn)，部分實(shí)測值遠(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)測過程中，為了全面有效地對整條線路的雜散電流進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)的選擇十分重要。根據(jù)本次實(shí)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(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)測點(diǎn)，可以較為全面地對各個(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。通過對雜散電流實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，可以全面、詳細(xì)地了解整個(gè)監(jiān)測系統(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(jì)民生具有重要的意義。而在軌道交通線路運(yùn)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(jìn)行了建模分析，并利用Mathematic軟件對所建模型進(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)測數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)時(shí)監(jiān)測作用明顯。

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作者:王睿思 單位:中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司