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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律，通過采集實際地鐵運營線路的監測數據進行分析，驗證了雜散電流監測系統的監測效果，可實現對雜散電流的實時監測。

關鍵詞：雜散電流；實時監測；工程應用；防護措施

0引言

隨著我國經濟的加速發展，各大城市軌道交通發展迅速。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[1]。該系統中包含作為正極的接觸網（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，軌道周圍的環境、土壤發生變化，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，如果發生突發事故，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，預測腐蝕情況，對雜散電流進行有效監測與防范，對軌道交通的建設及城市的發展意義重大。

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，將列車行駛的區間假設為由許多微小的分段組成，將機車作為注入源。假設變電所位于邊界且不接地，系統中所有的參數均為均勻分布，采用“鋼軌-排流網-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L設為2km，設流經列車的電流為2000A，假設排流網不排流。設鋼軌的縱向等效電阻RG為0.02/km，排流網的縱向等效電阻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；設鋼軌與排流網之間的等效電導g0為1/15S/km，排流網與大地之間的等效電導g1為1/3S/km，大地與埋地金屬之間的等效電導g2為1/3S/km。列車運行在距變電所1km以內，在單邊和雙邊供電模式下，雜散電流、鋼軌與排流網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、6km為例，雜散電流、鋼軌；在流經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。雜散電流會隨列車距變電所距離、流經列車的電流、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一般都采用雙邊供電模式。

2雜散電流監測

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構的腐蝕，延長金屬的使用壽命；按時監測地鐵各相關參數，發現問題及時處理，以防止發生危險。監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為需重點監控的參數，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老化，鋼軌的縱向電阻以及過渡電阻值有可能發生變化，并超出標準范圍，對其進行監測可及時發現問題及更換對應組件，因此對這2組參數進行測量對于控制雜散電流意義重大。監測點通常設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。雜散電流監測系統可分為分散式和集中式。分散式雜散電流監測系統由參比電極、信號電纜、傳感器、便攜機、微機綜合分析裝置等組成。在已經設置的各個監測點，可通過便攜式綜合測試裝置分別進行人工測量。主要測量結構鋼筋以及道床鋼筋的極化電壓偏移值，匯總后，經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，發現其薄弱環節，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測點進行逐一測試，不適于全線雜散電流狀態的實時監測。集中式雜散電流監測系統主要包含參比電極、信號電纜、數據轉換器、排流柜、上位機等裝置[4]。該結構可通過信號線纜將分布于全線各處的監測點采集的極化電位信號統一傳送到變電所內設置的排流監測裝置，隨后上傳到微機綜合裝置進行數據處理，即可將雜散電流監測納入電力監控系統統一管理，實現由電力監控系統對整條線路的車站、區間進行雜散電流監測和數據采集，并進行相應的統計、整理、歸檔、及時報警、查詢等。在實際工程應用中，對雜散電流的監測主要包括以下幾項內容：（1）實時監測牽引鋼軌對道床排流網結構鋼筋電壓；（2）實時監測牽引鋼軌對隧道壁結構鋼筋電壓；（3）實時監測道床排流網結構鋼筋對參比電極的電位；（4）實時監測隧道壁結構鋼筋對參比電極的電位；（5）列車停運后，監測參比電極的自然本體電位。

3雜散電流監測實測分析

為了驗證對雜散電流進行監測的有效性，對已投入運營的軌道交通線路進行數據采集。數據的采集是在整條線路的車站中，選取部分監測站的全部監測點采集數據。將采集的數據進行模擬仿真.通過對不同的傳感器實施監測，監測數據達到了行業標準，故目前該線路采取的雜散電流防護措施是有效的。采集完上述監測點傳感器的實測數據后，對其進行分組對比模擬可以發現，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一些巨大波動；不同時間內，不同位置的傳感器同一時刻接收到的數據是不同的，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，其實時監測與距離機車通過點的遠近有很大關系，同時當時的列車運行狀態對監測點的實測數據也有較大影響。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的增大而增大。經理論分析可得，雜散電流與供電距離的平方成正比，監測數據的分析也可驗證該結論。因此，減小供電距離可以減小雜散電流。經實測發現，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的修正值。在實際監測過程中，為了全面有效地對整條線路的雜散電流進行監測，監測點的選擇十分重要。根據本次實測數據的模擬曲線分布規律，可以得出，應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置監測點，可以較為全面地對各個重點部位的軌道電壓、金屬結構極化電位、鋼軌過渡電阻及縱向電阻等參數進行有效監測。通過對雜散電流實時監測數據的分析，可以全面、詳細地了解整個監測系統的運行過程及結果，保障系統的有效性。由此證明在抑制雜散電流的工作中，監測系統發揮了重要的作用。

4結語

城市軌道交通作為城市建設中越來越重要的一環，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生的雜散電流，因其危害巨大，應予以重視。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的增大而增大。通過采集實際地鐵運營過程中的大量數據，分析了同一傳感器以及不同傳感器在不同時段內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系，并根據線路運行的實測數據進行仿真，對比理論建模的結果，證明雜散電流監測系統的有效性，對雜散電流實時監測作用明顯。

參考文獻：

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

[2]王崇林，馬草原，王智，等.地鐵直流牽引供電系統雜散電流分析[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設計原理與應用[M].成都：西南交通大學出版社，2008.

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

[5]王術合，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.

作者:王睿思 單位:中鐵第五勘察設計院集團有限公司