蘭州地鐵1號(hào)線雜散電流分布規(guī)律試驗(yàn)研究

李亞寧,高曉紅

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

0　引言

雜散電流腐蝕對(duì)城市軌道交通系統(tǒng)本身及周圍建筑物的影響，始終是影響城市軌道交通安全運(yùn)營(yíng)的重要因素，關(guān)于這一問題的研究已取得了大量成果[1-3]。為了更好地對(duì)雜散電流的腐蝕危害進(jìn)行防護(hù)、控制和評(píng)價(jià)，有必要對(duì)不同環(huán)境條件下雜散電流的產(chǎn)生及其分布規(guī)律進(jìn)行分析[4]。本文以在建的蘭州地鐵1號(hào)線(以下簡(jiǎn)稱1號(hào)線)的土壤為試驗(yàn)研究對(duì)象，在設(shè)計(jì)了雜散電流試驗(yàn)室模擬測(cè)試裝置的基礎(chǔ)上，測(cè)量了不同工況(如不同土壤環(huán)境、加設(shè)金屬管道、加設(shè)排流網(wǎng)等)的雜散電流值。通過分析測(cè)試數(shù)據(jù)，獲得外部因素對(duì)雜散電流的影響規(guī)律，為1號(hào)線雜散電流的防腐設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1　1號(hào)線工程概況

1號(hào)線一期工程全線長(zhǎng)26.78 km，東起東崗，西至陳官營(yíng)，且2次橫跨黃河；沿途設(shè)車站20座，平均站間距為1 339 m，最大站間距為2 340 m，最小站間距為834 m。外部電源采用集中供電方式。該供電方式由兩級(jí)電壓制110 kV/35 kV以及牽引網(wǎng)電壓1 500 VDC構(gòu)成，采用架空接觸網(wǎng)授流的牽引網(wǎng)形式。整個(gè)線路設(shè)有停車場(chǎng)和控制中心各1座，以及2座主變電所。其中，控制中心和停車場(chǎng)位于東崗車輛段內(nèi)；2座主變電所分別為西客站主變電所和五里鋪主變電所，均位于對(duì)應(yīng)車站附近。車輛采用A型車，編組為4動(dòng)2拖[5-6]。

2　試驗(yàn)裝置及測(cè)試過程

2.1　試驗(yàn)裝置

本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)室模擬裝置如圖1所示[7]。試驗(yàn)器材如下。

①塑料容器：其長(zhǎng)、寬、高分別為50 cm、40 cm、60 cm，用于盛土和防止電流泄漏。

②金屬合金電阻片：片長(zhǎng)為25 cm，用于代替地鐵走行軌(鋼軌)。

③直流穩(wěn)壓電源：型號(hào)為TH-SS0322，量程為0～30 V，用于模擬地鐵牽引變電所。

④萬用表2個(gè)，分別用于測(cè)量牽引電流(總電流)及土壤中雜散電流。

⑤電阻4個(gè)，阻值為5 Ω，用于限制電流大小、保護(hù)電路儀器。

⑥探針2枚，用于測(cè)量雜散電流值。

⑦導(dǎo)線若干。

圖1　試驗(yàn)室模擬裝置

2.2　測(cè)試過程

針對(duì)1號(hào)線沿線站點(diǎn)的不同土壤條件，取馬灘站、西客站這2個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。按圖1所示的模擬裝置，利用金屬探針和萬用表直接測(cè)量泄漏到土壤中的雜散電流。在測(cè)試過程中，為了提高測(cè)試結(jié)果的可靠性，在每種工況下測(cè)量3次，并以3次測(cè)量的算術(shù)平均值作為最后測(cè)量結(jié)果。

3　試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1　不同環(huán)境下的土壤對(duì)雜散電流的影響

在保持其他條件不變、牽引電流為1.22 A的情況下，分別對(duì)西客站和馬灘的土壤樣本進(jìn)行測(cè)量，得到不同土壤環(huán)境下(正常土壤、壓實(shí)土壤以及加石頭層土壤)的雜散電流值，不同土壤環(huán)境下雜散電流的變化曲線如圖2所示。

圖2　雜散電流變化曲線(不同土壤環(huán)境)

由圖2可知，正常土壤的雜散電流值最大，壓實(shí)土壤的雜散電流值居中，加石頭層土壤的雜散電流值最??；2個(gè)站點(diǎn)的土壤樣本的測(cè)試結(jié)果都有相同的規(guī)律。這是因?yàn)檎Ｍ寥辣容^松軟、土壤間的空隙較大，而壓實(shí)土壤的空隙比較小，所以壓實(shí)土壤的電阻率更大。石頭的結(jié)構(gòu)較為緊密，電流不易通過。在土壤中增加石頭層，可增大土壤的電阻。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，在建設(shè)地鐵時(shí)，要根據(jù)地鐵線路不同地段的土壤情況，采取對(duì)應(yīng)的防護(hù)措施。例如，為了減少土壤較松軟地段的雜散電流，可壓實(shí)該地段的土壤，或在土壤里鋪石頭層。

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，且在達(dá)到一定距離后雜散電流增長(zhǎng)得更快[8]。由圖2可知，在牽引變電所距離相同(如L=12 cm)時(shí)，西客站土壤樣本所測(cè)得的雜散電流明顯小于馬灘站的測(cè)試值，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。這是因?yàn)閺牡乩砦恢蒙峡?，馬灘站較西客站更靠近黃河，土壤濕度較大。

表1　雜散電流值對(duì)比(L=12 cm)

3.2　加金屬管道對(duì)雜散電流的影響

加金屬管道的試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3所示。

圖3　加金屬管道的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

根據(jù)圖3連接試驗(yàn)電路。在牽引電流為1.22 A的情況下，在土壤層中間加1根鋼管，其他條件保持不變。將該條件下測(cè)得的數(shù)據(jù)與正常土壤情況下測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可得加金屬管道的雜散電流變化曲線如圖4所示。

圖4　雜散電流變化曲線(加金屬管道)

由圖4可知，加入金屬管道后測(cè)得的雜散電流更大。金屬管道具有良好的導(dǎo)電能力。地下金屬管道相當(dāng)于給雜散電流增加了1條導(dǎo)電通路，增加了雜散電流的泄漏量。

因此，在建設(shè)地鐵時(shí)，應(yīng)該在合理的情況下盡量增加其附近金屬管道的埋設(shè)深度，降低金屬管道對(duì)雜散電流的影響。

3.3　加排流網(wǎng)對(duì)雜散電流的影響

在土壤表面以下3 cm處鋪設(shè)排流網(wǎng)，用1根導(dǎo)線將排流網(wǎng)與電源負(fù)極相連。加排流網(wǎng)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D5所示。

圖5　加排流網(wǎng)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

將牽引電流值調(diào)整到1.22 A，并與正常土壤條件下測(cè)量時(shí)的牽引電流值保持一致。加排流網(wǎng)的雜散電流變化曲線如圖6所示。

圖6　雜散電流變化曲線(加排流網(wǎng))

由圖6可知，加了排流網(wǎng)之后，雜散電流有了明顯的下降，且其增幅隨探針距離的增大而有所下降。這說明排流網(wǎng)對(duì)雜散電流有很好的抑制作用。因此，在建設(shè)地鐵的時(shí)候，如果條件許可，可以在鋼軌下部鋪設(shè)排流網(wǎng)。

3.4　排流網(wǎng)深度對(duì)雜散電流的影響

通過改變圖5中排流網(wǎng)的鋪設(shè)深度，對(duì)不同工況進(jìn)行測(cè)試。將排流網(wǎng)鋪設(shè)深度分別設(shè)置為3 cm、5 cm、7 cm。在牽引電流為1.22 A的情況下，得到了排流網(wǎng)不同埋深時(shí)的雜散電流變化曲線，如圖7所示。

由圖7可知，排流網(wǎng)在埋深為7 cm時(shí)的效果最差，在埋深為3 cm或5 cm時(shí)的效果較好。但對(duì)比圖7(a)和7(b)可知，排流網(wǎng)的不同埋深在不同站點(diǎn)所產(chǎn)生的排流效果有一定差異。在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)線路實(shí)際情況確定排流網(wǎng)的鋪設(shè)深度，以達(dá)到更好的排流效果。

圖7　雜散電流變化曲線(排流網(wǎng)不同埋深)

3.5　單/雙邊供電對(duì)雜散電流的影響

在單邊供電條件下，增加1個(gè)電源，構(gòu)成雙邊供電。將2個(gè)電源的正極分別連在模擬鋼軌的兩端，并在鋼軌的中間部位引出1個(gè)電阻；將這個(gè)電阻分別接在2個(gè)電源的負(fù)極，以構(gòu)成1個(gè)雙邊供電的環(huán)境。把牽引電流調(diào)至1.22 A，與單邊供電試驗(yàn)電流保持一致，然后進(jìn)行測(cè)量。單/雙邊供電的雜散電流變化曲線如圖8所示。

圖8　雜散電流變化曲線(單/雙邊供電)

由圖8可知，相對(duì)于單邊供電，雙邊供電條件下從鋼軌泄漏到大地的雜散電流明顯減少，可見雙邊供電對(duì)雜散電流有很好的過濾效應(yīng)。因此，在進(jìn)行地鐵建設(shè)時(shí)，中間站之間應(yīng)盡量采用雙邊供電。

3.6　土壤濕度對(duì)雜散電流的影響

以圖1的模型連接試驗(yàn)電路，將牽引電流調(diào)至0.63 A，對(duì)不同濕度下的土壤進(jìn)行測(cè)試。在土壤的濕度分別為5%、10%以及15%的情況下，其雜散電流變化曲線如圖9所示。

圖9　雜散電流變化曲線(不同土壤濕度)

由圖9可知，雜散電流隨著土壤濕度的增大而增大。土壤中的水分不僅會(huì)導(dǎo)致雜散電流的泄漏，還會(huì)加速金屬構(gòu)件的腐蝕。因此，1號(hào)線應(yīng)該在2次穿越黃河的地段加強(qiáng)對(duì)排水設(shè)施的建設(shè)，保持這2個(gè)地點(diǎn)的土壤干燥。對(duì)于其他地鐵的建設(shè)，在通過江河的地段，要盡量保持土壤干燥，在易積水的地段要有良好的排水系統(tǒng)。

4　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了雜散電流試驗(yàn)室模擬測(cè)試裝置，并基于此對(duì)蘭州地鐵1號(hào)線不同站點(diǎn)的雜散電流進(jìn)行了研究，分析不同因素對(duì)雜散電流的影響規(guī)律，得到了如下結(jié)論。

①不同環(huán)境條件下土壤的雜散電流值不同：正常土壤的雜散電流值最大，壓實(shí)土壤的次之，加石頭層土壤的最小。

②增加金屬管道，會(huì)增加雜散電流的泄漏量。

③加排流網(wǎng)后，雜散電流明顯下降，且排流網(wǎng)的不同埋深在不同站點(diǎn)所產(chǎn)生的排流效果存在一定的差異。

④雙邊供電對(duì)雜散電流有著很好的抑制效果。

⑤土壤濕度對(duì)雜散電流的影響較大：濕度越大，雜散電流值越大。

該研究結(jié)果為蘭州地鐵投運(yùn)后的安全運(yùn)行提供了技術(shù)支持。

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