地鐵排流對(duì)鋼軌電位及雜散電流的影響研究

黃山山，賀睿，劉振鋒

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510000）

1 概述

城市軌道交通直流牽引系統(tǒng)雜散電流的防護(hù)問(wèn)題一直是業(yè)內(nèi)難題，為減少雜散電流對(duì)城市軌道交通自身及周邊設(shè)施的腐蝕影響，通過(guò)在牽引變電所設(shè)置排流柜，將排流網(wǎng)中的雜散回流至負(fù)極母線，減少雜散電流對(duì)周邊的擴(kuò)散。通過(guò)建立牽引供電回流系統(tǒng)模型，利用MATLAB仿真分析排流對(duì)鋼軌電位及雜散電流的影響。

2 雜散電流的產(chǎn)生及危害

在城市軌道交通中，地鐵列車的電源普遍采用直流電，牽引電流從牽引變電所整流器正極出發(fā)，經(jīng)接觸網(wǎng)、地鐵列車和鋼軌返回牽引變電所整流器的負(fù)極。隨著地鐵運(yùn)行時(shí)間的變長(zhǎng)，在隧道潮濕和粉塵的環(huán)境下，鋼軌與大地間的絕緣電阻將會(huì)減小。牽引電流流經(jīng)鋼軌回流至負(fù)極時(shí)，將會(huì)有一部分牽引電流泄漏至大地中的結(jié)構(gòu)鋼或管道中，經(jīng)過(guò)地下金屬結(jié)構(gòu)回流至牽引變電所負(fù)極，此部分泄漏至大地的牽引電流稱為雜散電流。雜散電流會(huì)對(duì)附近的地下金屬產(chǎn)生一種氧化還原的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，即電化學(xué)腐蝕，對(duì)金屬結(jié)構(gòu)有嚴(yán)重的危害。

從原理上分析，通過(guò)截?cái)嚯s散電流的泄漏即可防止雜散電流腐蝕，但目前完全消除雜散電流的技術(shù)難度還很大，而且經(jīng)濟(jì)上耗費(fèi)很高。目前主流對(duì)雜散電流的防護(hù)思想為“以防為主，以排為輔，防排結(jié)合，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)”。“防”即從源頭出發(fā)，加強(qiáng)鋼軌對(duì)地絕緣，以減少鋼軌的泄漏電流；“排”即采用排流法，在道床內(nèi)鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)并進(jìn)行電氣連接，形成排流網(wǎng)，通過(guò)電纜連接至排流柜裝置，極性排流使電流回流至牽引變電所整流器負(fù)極，避免繼續(xù)泄漏擴(kuò)大危害范圍。

3 排流柜作用及原理

排流柜是城市軌道交通系統(tǒng)中為了減少雜散電流對(duì)結(jié)構(gòu)鋼造成電化學(xué)腐蝕而設(shè)計(jì)的專用設(shè)備，一般安裝在牽引變電所內(nèi)，連接在排流網(wǎng)與負(fù)極柜之間。排流柜的采用極性排流原理，當(dāng)排流網(wǎng)電位比鋼軌電位高時(shí)，才有電流通過(guò)。排流柜為雜散電流提供可靠通路回流至整流器負(fù)極，能有效地防止雜散電流對(duì)地下金屬設(shè)備、隧道結(jié)構(gòu)鋼筋的電腐蝕破壞，同時(shí)也防止雜散電流的進(jìn)一步擴(kuò)散，造成更大范圍的危害。

排流柜裝置主要由主回路和監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)兩部分組成。主回路由快速熔斷器、直流接觸器、硅二極管、限流電阻、阻容保護(hù)和檢測(cè)變送器組成。排流柜主回路的核心元件是硅二極管，極性排流原理就是利用硅二極管的正向?qū)ǚ聪蚪刂沟奶匦?，可阻止從?fù)極母線到排流網(wǎng)的逆向排流。監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)用于收集電壓電流等信號(hào)，控制直流接觸器的分合，將信息輸出至顯示回路。

4 鋼軌電位限制裝置作用及原理

由于鋼軌與大地間存在電阻，當(dāng)鋼軌泄漏至大地的雜散電流增大時(shí)，鋼軌與大地之間產(chǎn)生電位差。乘客在進(jìn)出車廂時(shí)會(huì)觸碰到列車金屬車體，雙腳在列車與站臺(tái)之間會(huì)產(chǎn)生跨步電壓，如果此時(shí)鋼軌對(duì)地電位過(guò)高，會(huì)危及乘客人身安全。同時(shí)，鋼軌對(duì)地電位過(guò)高會(huì)使直流框架保護(hù)誤動(dòng)作跳閘，影響正常牽引供電。

為防止鋼軌對(duì)地電位過(guò)高，每個(gè)車站和車場(chǎng)都設(shè)有鋼軌電位限制裝置，連接在鋼軌與大地之間，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋼軌對(duì)地電位。當(dāng)電位超過(guò)設(shè)定值，鋼軌電位限制裝置就會(huì)通過(guò)接觸器動(dòng)作，將鋼軌與大地快速短接，從而保障人身安全和設(shè)備安全。但由于鋼軌電位限制裝置閉合時(shí)，鋼軌與大地之間無(wú)電阻，將會(huì)造成鋼軌對(duì)地泄漏電流增大。

5 排流對(duì)鋼軌電位及雜散電流影響仿真分析

5.1 模型建立

為研究排流對(duì)鋼軌電位及雜散電流的影響，結(jié)合Matlab仿真，建立鋼軌—排流網(wǎng)—大地分布結(jié)構(gòu)回流系統(tǒng)模型進(jìn)行分析（如圖1）。由于流入土壤中的雜散電流流通面積較大，忽略大地的縱向電阻，此次仿真假設(shè)雜散電流極大部分通過(guò)排流網(wǎng)回流，忽略極小部分流入大地的雜散電流。

以單邊供電方式為例建立牽引回流模型：

圖1 鋼軌-排流網(wǎng)-大地結(jié)構(gòu)分布圖

設(shè)置牽引變電所為計(jì)算坐標(biāo)原點(diǎn)，模型參數(shù)符號(hào)表示的含義如下：Rs為鋼軌的縱向電阻，Rr為排流網(wǎng)的縱向電阻，Rd為大地的縱向電阻，Rg為鋼軌對(duì)排流網(wǎng)的過(guò)渡電阻，Rg1為排流網(wǎng)對(duì)地的過(guò)渡電阻；I為列車取流電流，L為列車到牽引變電所的距離，i(x)為鋼軌電流，u(x)為鋼軌對(duì)地電壓，is(x)為泄露到排流網(wǎng)中的雜散電流；

結(jié)合圖2和圖3，根據(jù)基爾霍夫定律列出方程：

聯(lián)立式（1）和式（2），得到鋼軌回流電流和泄漏的雜散電流方程如下：

泄漏到排流網(wǎng)的雜散電流：

泄漏到大地的雜散電流：

5.2 仿真分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料，參數(shù)取值如下：

鋼軌縱向電阻Rs=0.026Ω/km，鋼軌對(duì)排流網(wǎng)過(guò)渡電阻Rg=15Ω，排流網(wǎng)縱向電阻Rr=0.01Ω/km，列車取流I=1000A，列車與牽引所距離L=3km。得到以下對(duì)比仿真波形如圖2、3所示：

圖2 單邊供電下排流情況與軌電位關(guān)系圖

圖3 單邊供電下排流情況與雜散電流關(guān)系圖

根據(jù)仿真結(jié)果可以得出：

（1）排流柜投入排流后，會(huì)整體抬升鋼軌對(duì)地電位；

（2）排流柜投入排流后，由鋼軌泄漏的雜散電流量明顯高于不排流情況。

由上述結(jié)果分析，排流網(wǎng)收集雜散電流進(jìn)行排流的同時(shí)，會(huì)引起總雜散電流的泄漏量增大，并引起更高的鋼軌電位，而鋼軌電位限制裝置動(dòng)作合閘將鋼軌與大地短接后，又會(huì)造成雜散電流泄漏量增大，影響地鐵的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

6 結(jié)語(yǔ)

目前地鐵系統(tǒng)設(shè)置排流網(wǎng)對(duì)雜散電流進(jìn)行收集，通過(guò)排流柜控制排流，能防止繼續(xù)泄漏擴(kuò)大危害范圍。通過(guò)建立直流供電牽引回流系統(tǒng)模型，分析排流柜的投退對(duì)鋼軌電位及雜散電流的影響變化。通過(guò)分析結(jié)果可知，排流柜排流的同時(shí)，會(huì)引起增大總雜散電流泄漏量和抬升鋼軌對(duì)地電壓的副作用。因此在工程實(shí)際中，要盡量減少排流柜進(jìn)行排流，只有當(dāng)雜散電流很大時(shí)才將排流柜投入。除了采用排流防護(hù)法，應(yīng)從源頭上控制雜散電流的產(chǎn)生，輔以陰極保護(hù)法、陽(yáng)極保護(hù)法等其他防護(hù)方法結(jié)合，起到良好的防護(hù)效果。