交流供電制式下礦山法地鐵隧道的牽引回流分布特征分析

李鯤鵬 靳守杰 李俊豪 曹曉斌 朱傳林

(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 611756， 成都； 2.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 510010， 廣州；3.廣州地鐵集團(tuán)有限公司， 510330， 廣州∥第一作者， 正高級(jí)工程師)

與直流供電制式相比，采用25 kV交流供電制式的線路，因接觸網(wǎng)供電區(qū)間長(zhǎng)度較長(zhǎng)，列車的運(yùn)行速度較快[1]。因此，我國(guó)在幾個(gè)主要的大城市規(guī)劃了25 kV交流供電制式的城市軌道交通線路。

直流供電制式下地鐵的雜散電流是回流系統(tǒng)的1個(gè)重要問(wèn)題[2-3]。采用交流供電制式后，雜散電流的問(wèn)題可能比直流供電制式更加嚴(yán)重，其主要原因?yàn)椋喝嘟涣髯儔浩鞯囊幌嗯c牽引變電所接地網(wǎng)及鋼軌相連，另外兩相連接不同區(qū)間的接觸網(wǎng)。列車從接觸網(wǎng)上取得牽引電流，再通過(guò)車輪傳給鋼軌。由于鋼軌與大地?zé)o法做到絕對(duì)絕緣，因此牽引電流通過(guò)由鋼軌、回流線和大地組成的回流系統(tǒng)回到變電所。此外，交流牽引電流不僅可以通過(guò)鋼軌對(duì)地的泄漏電阻流入大地，還可通過(guò)空間電磁耦合在隧道與橋梁等鋼筋結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生感應(yīng)電流。這些電流流入大地后成為雜散電流，危害周邊人身與設(shè)備安全。

大量學(xué)者已經(jīng)對(duì)傳統(tǒng)直流制供電地鐵牽引回流分布進(jìn)行了研究[4-6]，而交流制下的地鐵隧道回流屬新生事物，尚未見相關(guān)的研究報(bào)告。本文根據(jù)設(shè)計(jì)的需求，對(duì)比分析了交流供電與直流供電2種制式下泄漏電流的分布規(guī)律，重點(diǎn)研究了交流供電下礦山法地鐵隧道結(jié)構(gòu)中泄漏電流的分布規(guī)律及影響因素，為設(shè)計(jì)人員提供參考。

1 建立地鐵隧道模型

1.1 設(shè)定走行軌的等效參數(shù)

城市軌道交通線路大多采用60 kg/m型鋼軌，其斷面面積為77.45 cm2，等效的圓柱體截面半徑為0.05 m。走行軌縱向電阻為0.04 Ω/km[7]。

軌道對(duì)地之間存著一定的過(guò)渡電阻。本文采用CDEGS軟件建模，通過(guò)添加固定電阻率的絕緣涂層實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)渡電阻的控制。涂層電阻率的計(jì)算公式為：

(1)

式中：

ρ——絕緣層電阻率，Ω·m；

Rg——軌地過(guò)渡電阻，Ω；

r1——裸導(dǎo)體半徑，m；

r2——含絕緣層的導(dǎo)體總半徑，m。

CJJ/T 49—1992《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：兼用作回流的地鐵走行軌與隧道主體結(jié)構(gòu)(或大地)之間的過(guò)渡電阻值不應(yīng)小于15 Ω·km。(編者注：該標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)已修訂為CJJ/T49—2020《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》。)

Rg取15 000 Ω·m、r1取0.05 m時(shí)，設(shè)涂層的厚度為0.01 m，則r2取0.06 m。根據(jù)式(1)可計(jì)算得到涂層的電阻率ρ為500 000 Ω·m。

1.2 建立牽引電流與牽引供電區(qū)間的等效模型

交流供電制式下牽引供電區(qū)間長(zhǎng)度在15 km左右，因此本文在仿真中以15 km作為1個(gè)牽引供電區(qū)間，且設(shè)定列車位于區(qū)間未端、牽引變電所位于區(qū)間首端，牽引電流為2 000 A。

根據(jù)上文的計(jì)算結(jié)果，得到單根鋼軌的仿真等效模型如圖1所示，其內(nèi)部為1根半徑為0.05 m的實(shí)心圓柱形鋼鐵，長(zhǎng)為15 km；外覆厚度為0.01 m、電阻率為500 000 Ω·m的涂層。軌道的埋深取20 m。

1.3 建立隧道的等效模型

由于隧道內(nèi)部充滿空氣，由于CDEGS軟件的MALZ模塊無(wú)法設(shè)置過(guò)于復(fù)雜的土壤結(jié)構(gòu)，因此仿真中用長(zhǎng)度為15.1 km、橫截面為6 m×6 m的長(zhǎng)方體代替。空氣的電阻率取1×1018Ω·m。

1.4 建立隧道的結(jié)構(gòu)模型

地鐵隧道的施工方法有礦山法、盾構(gòu)法、明挖法和沉管法等，其中：埋深較大時(shí)多采用礦山法和盾構(gòu)法，埋深較小時(shí)多用明挖法、盾構(gòu)法和沉管法等方法[8]。雜散電流外溢時(shí)主要流經(jīng)隧道壁的混凝土層和隧道外的土壤層。本文將土壤層的電阻率設(shè)為200 Ω·m，混凝土的電阻率取800 Ω·m。地鐵隧道的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

a) 單根鋼軌仿真模型

b) 單根鋼軌模型截面圖

a) 隧道整體結(jié)構(gòu)模型

b) 隧道截面尺寸

2 不同供電制式下地鐵牽引回流分布特征

交流供電制式地鐵線路采用的是直接供電加回流線的供電方式，每隔1段距離采用吸上線將回流線與鋼軌相連。為比較直流與交流2種供電制式的區(qū)別，仿真時(shí)在機(jī)車位置分別往鋼軌中注入交流2 000 A和直流2 000 A的電流，其電流分布如圖3所示，橫坐標(biāo)的0點(diǎn)處為該供電區(qū)間的中心點(diǎn)。

根據(jù)鋼軌電流和回流線電流分布規(guī)律的仿真結(jié)果，當(dāng)總牽引電流為2 000 A時(shí)，得到直流與交流2種供電制式下不同位置處的泄漏電流如表1所示。

圖3 交流與直流制式下鋼軌電流分布情況對(duì)比

表1 不同的距機(jī)車位置下不同供電制式電流大小對(duì)比

由表1計(jì)算可知：交流制式下流過(guò)回流線的電流占總牽引電流的22.0%～28.1%，直流制式下流過(guò)回流線的電流占總牽引電流的17.0%～18.0%，因而交流制供電下的回流線回流能力大于直流制供電下回流線的回流能力。在供電區(qū)間的中點(diǎn)(距機(jī)車位置7.5 km)處，交流制式下的泄漏電流值約為直流制式下泄漏電流值的4.3倍。造成泄漏電流差異如此大的主要原因是：交流供電制式下牽引電流可以通過(guò)空間電磁耦合傳入周邊隧道的結(jié)構(gòu)鋼筋中，并通過(guò)結(jié)構(gòu)鋼筋流入大地，從而導(dǎo)致泄漏電流的途徑增加，泄漏電流增大。

3 交流供電制式下牽引回流分布因素

3.1 牽引供電區(qū)間長(zhǎng)度對(duì)牽引回流分布的影響

交流制供電下地鐵車站的站間距一般要比直流制供電下的站間距大，其范圍為2 km至20 km不等。本文研究時(shí)先保持其他參數(shù)不變，僅改變供電區(qū)間距離，利用CDEGS軟件仿真計(jì)算得到不同牽引供電區(qū)間長(zhǎng)度下的回流電流分布情況，如圖4～5所示。為了便于分析，將不同長(zhǎng)度下的供電區(qū)間中點(diǎn)與圖4～5中橫坐標(biāo)的0點(diǎn)對(duì)齊。

圖4 不同牽引供電區(qū)間長(zhǎng)度下的鋼軌電流分布

圖5 不同牽引供電區(qū)間長(zhǎng)度下的回流線電流分布

從圖4～5可以發(fā)現(xiàn)，圖中各條線都呈U型，即中點(diǎn)處的電流小于兩端的電流。將總牽引電流減去2根鋼軌的電流和1條回流線的電流后，可得到不同供電區(qū)間長(zhǎng)度下對(duì)應(yīng)的泄漏電流值，其分布規(guī)律如圖6所示。

圖6 不同牽引供電區(qū)間長(zhǎng)度下的泄漏電流分布

由圖4～6可知，即使?fàn)恳╇妳^(qū)間的長(zhǎng)度發(fā)生變化，泄漏電流的最大值依然出現(xiàn)在供電區(qū)間的中點(diǎn)處，此處的鋼軌電流值和回流線電流值最小。表2給出了不同牽引供電區(qū)間長(zhǎng)度下供電區(qū)間中點(diǎn)的電流分配情況。

基于表2的數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算可以得到：牽引供電區(qū)間長(zhǎng)度為15 km時(shí)，其中點(diǎn)處的泄漏電流為505 A，占總牽引電流的25.2%；牽引供電區(qū)間長(zhǎng)度為9 km時(shí)，其中點(diǎn)處的泄漏電流為84 A，僅占總牽引電流的4.2%。因而可以得出結(jié)論，大地的泄漏電流大小與牽引供電區(qū)間的長(zhǎng)度密切相關(guān)。

表2 不同牽引供電區(qū)間長(zhǎng)度下供電區(qū)間中點(diǎn)的電流分配

3.2 土壤電阻率對(duì)回流電流分布的影響

本文以廣州某地鐵線路為例進(jìn)行研究。該線路的實(shí)測(cè)土壤電阻率區(qū)域范圍為15～600 Ω·m，故在模型中分別設(shè)置了土壤電阻率的5個(gè)等級(jí)：15 Ω·m、150 Ω·m、200 Ω·m、400 Ω·m、600 Ω·m，用以研究土壤電阻率對(duì)回流分布的影響。仿真得到的鋼軌電流分布及泄漏電流分布分別如圖7～8所示。

圖7 不同土壤電阻率下的鋼軌電流分布

從圖7～8可以看出，隨著土壤電阻率增大，供電區(qū)間中點(diǎn)處流過(guò)的鋼軌電流增大，泄漏電流減少。當(dāng)土壤電阻率為15 Ω·m時(shí)，供電區(qū)間中點(diǎn)處的泄漏電流為519 A；當(dāng)土壤電阻率增至600 Ω·m時(shí)，供電區(qū)間中點(diǎn)處的泄漏電流減少到471 A，但其變化量?jī)H占總牽引電流的2.4%。

圖8 不同土壤電阻率下的泄漏電流分布

通過(guò)上述分析可知，牽引供電區(qū)間的長(zhǎng)度才是影響交流供電制式下泄漏電流的主要因素，土壤電阻率對(duì)牽引回流系統(tǒng)的影響并不大。因此，減少牽引供電系統(tǒng)對(duì)地泄漏電流的主要途徑是減少牽引供電系統(tǒng)與周邊結(jié)構(gòu)鋼筋的電磁耦合系數(shù)，設(shè)計(jì)中可通過(guò)減少供電區(qū)間長(zhǎng)度或?qū)⑺淼澜Y(jié)構(gòu)鋼筋進(jìn)行絕緣分段實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

1) 交流供電制式下的泄漏電流不僅可以通過(guò)鋼軌對(duì)地泄漏電阻產(chǎn)生，還可以通過(guò)空間電磁耦合傳入周邊隧道等設(shè)施的結(jié)構(gòu)鋼軌中，這導(dǎo)致了交流供電制式的泄漏電流大于直流供電制式的泄漏電流。如在15 km的牽引供電區(qū)間內(nèi)，交流供電制式下的泄漏電流可達(dá)400 A，為同等條件下直流供電制式下泄漏電流的5倍左右。

2) 交流供電制式下的牽引供電區(qū)間長(zhǎng)度越長(zhǎng)，泄漏電流越大，且最大泄漏電流與區(qū)間長(zhǎng)度呈非線性關(guān)系。當(dāng)供電區(qū)間長(zhǎng)度為9 km時(shí)，其最大泄漏電流小于100 A；當(dāng)供電區(qū)間長(zhǎng)度增大至15 km時(shí)，其最大泄漏電流大于500 A。

3) 土壤電阻率對(duì)泄漏電流有一定的影響，但不是泄漏電流的主要影響因素。

4) 交流供電制式下泄漏電流主要通過(guò)空間電磁耦合產(chǎn)生，因此對(duì)采用交流供電制式的城市軌道線路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)減少供電區(qū)間長(zhǎng)度或?qū)⑺淼澜Y(jié)構(gòu)鋼筋進(jìn)行絕緣分段的方式來(lái)減少電磁耦合，以降低泄漏電流。