深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司 沈 威 安成名 孟 偉 楊 光

在設(shè)計(jì)和建設(shè)軌道交通項(xiàng)目時(shí)，雜散電流的監(jiān)測(cè)是其中需要重點(diǎn)考慮的問題，因?yàn)檐壍澜煌ń饘俳Y(jié)構(gòu)在自然環(huán)境中容易受到腐蝕。軌道交通在運(yùn)行過程中，通常采用直流供電的方式，如果列車的負(fù)荷量不停，也會(huì)在走行軌上形成數(shù)值不等的工作電流[1～3]。走行軌上的一部分電流還能夠通過走行軌，與電源的負(fù)極構(gòu)成電路閉環(huán)，進(jìn)而使得一部分電流回流到電源負(fù)極；另一部分電流經(jīng)由軌道接觸到地面絕緣不良的位置處，會(huì)對(duì)周圍的軌道交通道床、非介質(zhì)或者四周的土壤造成電流污染，形成雜散電流[4～5]。由于雜散電流的存在，很容易對(duì)軌道交通的關(guān)鍵部件造成損害，嚴(yán)重時(shí)將危及軌道交通埋地燃?xì)夤芫€的安全，繼而將釀成無法挽回的事故。

因此，在確保軌道交通建設(shè)、軌道交通運(yùn)營(yíng)能否正常運(yùn)行時(shí)，如何防護(hù)雜散電流就是有待研究的關(guān)鍵技術(shù)問題。常規(guī)技術(shù)中多采用被動(dòng)“堵截”和“疏導(dǎo)”的方式[6～7]，但是軌道交通走行軌上泄漏的雜散電流具有諸多不容易防護(hù)的特點(diǎn)，比如雜散電流樣式繁多、分散性強(qiáng)、防護(hù)困難，難以預(yù)測(cè)等。針對(duì)上述問題，本文提出了電能補(bǔ)償?shù)姆椒▉斫鉀Q雜散電流，以克服上述問題。

1 雜散電流分布數(shù)學(xué)模型

列車在運(yùn)行時(shí)，受電弓接受來自接觸網(wǎng)的電流，在電流的驅(qū)動(dòng)下列車前行，同時(shí)列車車輪將驅(qū)動(dòng)電流通過接觸走行軌傳回至直流牽引變電所，如圖1所示。

圖1 軌道交通雜散電流干擾原理

軌道交通雜散電流等效電路示意如圖2所示。列車至變電所的距離為L(zhǎng)；回路系統(tǒng)總電流為I，其中x位置處走行軌傳遞的電流為i(x)；走行軌由于與地面接觸，導(dǎo)致一部分電流以雜散電流的形式流入地下，這部分電流為is(x)。

圖2 軌道交通雜散電流等效電路示意

基于軌道交通供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，取走行軌區(qū)間L中x——x+dx的一段電路結(jié)構(gòu)，建立如圖3所示的節(jié)點(diǎn)等效電路，其中圖3(a)是節(jié)點(diǎn)電壓、圖3(b)是節(jié)點(diǎn)電流關(guān)系示意圖。

圖3 節(jié)點(diǎn)等效電路示意

如上所述，回路系統(tǒng)總電流I為x位置處的走行軌電流i(x)和該位置處的雜散電流is(x)之和，即：

圖3中的走行軌電位為u(x)，走行軌單位長(zhǎng)度電阻和對(duì)地絕緣電阻率分別為Rs和Rg。

根據(jù)圖3的節(jié)點(diǎn)電壓示意結(jié)構(gòu)，可得：

將式(3)代入式(2)，整理得：

將式(4)兩邊對(duì)x求導(dǎo)，得：

根據(jù)圖3的節(jié)點(diǎn)電流示意結(jié)構(gòu)，可得：

將式(5)代入式(6)，整理得：

式(8)的通解為：

將式（4）移項(xiàng)可得：

考慮邊界條件：①x=0，i(0)=I；②x=L，i(L)=I。代入式(9)可得：

將式(11)、式(12)代入式(9)可得：

從而可得列車的走行軌電流 i(x)和泄漏到地下的雜散電流i(x)，即：

用MATLAB進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，在長(zhǎng)L的走行軌上，兩端雜散電流為零，中間達(dá)到最大值。

2 減小雜散電流干擾的方法

根據(jù)上述理論建模研究的結(jié)果，可以參照雜散電流is(x)表達(dá)式中is(x)隨各參數(shù)變化而變化的規(guī)律來研究如何減少雜散電流的干擾。

2.1 接觸軌長(zhǎng)度L

由于is在x=L/2處達(dá)到最大值，因此研究x=L/2時(shí)is隨L的變化情況。

將x=L/2代入式(15)，整理得：

由式(16)可以看出，L減小時(shí)，is(L/2)隨之變小，is(x)與L呈正相關(guān)，即在走行軌L兩端電壓不變的情況下，L越小，土壤中的雜散電流越小，反之則越大。因此，在設(shè)計(jì)直流牽引變電所的位置時(shí)，應(yīng)盡可能使變電所的數(shù)量多一些，距離密集一些，這樣可以減少雜散電流is。

2.2 走行軌對(duì)地絕緣電阻Rg

一般來說，走行軌選定后，其單位長(zhǎng)度電阻值Rs也就確定了，由式(17)可知，增加對(duì)地絕緣電阻Rg的值，可以使得雜散電流is值顯著減少。假定軌道單位長(zhǎng)度電阻Rs=0.03 Ω，供電區(qū)間L=2 km，總電流 I=700 A，用 MATLAB作出雜散電流峰值is(L/2)隨軌地過渡電阻Rg的曲線圖，如圖4所示。

圖4 雜散電流峰值is與軌地過渡電阻Rg之間的關(guān)系曲線

由圖4可知，軌地過渡電阻Rg在小于10 Ω·km時(shí)，隨著Rg的增大，雜散電流峰值is(L/2)隨之急劇減小；軌地過渡電阻Rg在大于20 Ω·km時(shí)，雜散電流峰值曲線已經(jīng)趨于平緩，減小值已經(jīng)不太明顯。當(dāng)Rg為20 Ω·km時(shí)，根據(jù)式(17)可求得雜散電流峰值is(L/2)為0.524 7 A。因此，為了增大軌地過渡電阻，可以采取在走行軌與地面接觸地方鋪設(shè)絕緣層(絕緣道床)或在燃?xì)夤芫W(wǎng)表面覆蓋一層絕緣材料的方法，如刷絕緣漆或者包裹絕緣塑料。

2.3 排流網(wǎng)

在列車軌道下層與土壤之間鋪設(shè)鋼結(jié)構(gòu)排流網(wǎng)，實(shí)質(zhì)上可以減小走行軌的Rs，如圖5所示。

圖5 軌地排流網(wǎng)的設(shè)置

由圖5可知，當(dāng)雜散電流從走行軌泄漏后流入排流網(wǎng)和埋地金屬時(shí)，因土壤是良好導(dǎo)體相當(dāng)于電解質(zhì)，走行軌失電子為陽(yáng)極區(qū)，排流網(wǎng)得電子為陰極區(qū)，走行軌、土壤和排流網(wǎng)、埋地燃?xì)夤芫€三者之間將構(gòu)成兩個(gè)電解池。由于排流網(wǎng)鋼筋存在縱向電阻，泄漏至排流網(wǎng)鋼筋的雜散電流不一定全部通過排流網(wǎng)回流，其中還有部分雜散電流繼續(xù)從排流網(wǎng)鋼筋中泄漏，泄漏至大地中的埋地燃?xì)夤芫€，此時(shí)排流網(wǎng)將作為陽(yáng)極區(qū)，埋地金屬作為陰極區(qū)，排流網(wǎng)、土壤和埋地燃?xì)夤芫€三者之間將構(gòu)成一個(gè)電解池。當(dāng)走行軌為陽(yáng)極區(qū)時(shí)，將會(huì)對(duì)走行軌和扣件系統(tǒng)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，當(dāng)排流網(wǎng)為陽(yáng)極區(qū)時(shí)，將會(huì)對(duì)排流網(wǎng)鋼筋產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。

2.4 單設(shè)回流軌系統(tǒng)

根據(jù)上述分析，為解決雜散電流問題，采用了雜散電流腐蝕防護(hù)措施，但是受環(huán)境條件、施工措施、運(yùn)營(yíng)管理等多種因素影響，無法完全解決該問題。由于雜散電流主要通過走行軌泄漏至大地然后再?gòu)拇蟮胤祷刂翣恳冸娝?，因此，采用回流軌，不利用走行軌回流是解決雜散電流及其危害的根本方法。該方法的根本思路是使得總電流等于走行軌電流，即從而使雜散電流為零，相當(dāng)于切斷了雜散電流的傳播路徑。該方案和走行軌回流的供電方案對(duì)比如圖6所示。

圖6 采用回流軌的列車牽引系統(tǒng)

由圖6可以看出，走行軌回流系統(tǒng)電流通過牽引系統(tǒng)后通過車輪流到大地，不能與路基、道床完全絕緣。采用回流軌回流技術(shù)后，采用相應(yīng)技術(shù)使?fàn)恳到y(tǒng)直接與回流軌相連，回流軌與大地完全絕緣，電流通過牽引系統(tǒng)后不通過車輪直接流入回流軌，可以保證電流不與走行軌接觸，全部通過回流軌流回變電所陰極。與走行軌供電回流系統(tǒng)方案對(duì)比，回流軌回流供電技術(shù)中供電系統(tǒng)、車輛、軌道、站臺(tái)門、限界、土建結(jié)構(gòu)均有不同影響和變化。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備、施工等方面對(duì)回流軌回流技術(shù)與走行軌回流技術(shù)進(jìn)行比較，結(jié)果顯示采用回流軌回流技術(shù)后，城市軌道交通運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性均有較高的提升。注意該方法需要重建一條回流軌線，初始投資比較大，而且回流軌線的位置要合理的確定以保證公共安全問題。

3 結(jié)語

本文用數(shù)學(xué)建模的方法分析了著地軌道交通走行軌在地面及土壤中產(chǎn)生的雜散電流分布及其對(duì)天然氣金屬埋地管道的腐蝕影響，可以通過模型公式中可變因素的改變來減少雜散電流的擴(kuò)散。根據(jù)各可變因素，可以看出：增加變電所數(shù)量、減小電流回流路徑L，在軌地之間鋪設(shè)絕緣層，在金屬燃?xì)夤艿劳獗戆^緣材料等均是有效的方法；甚至可以在軌道下方土壤中鋪設(shè)排流網(wǎng)，增大軌道和排流網(wǎng)與管道之間的夾角(最好是垂直鋪設(shè))也能夠最大限度地減少雜散電流。當(dāng)然排除雜散電流的終極方法還是摒棄走行軌導(dǎo)電而改為采用回流軌，傳回電流才能從根本上消除軌道交通對(duì)地面產(chǎn)生的雜散電流。