地铁杂散电流的监测应用
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摘要：采用微元法建立杂散电流分布仿真模型并得出分布规律，通过采集实际地铁运营线路的监测数据进行分析，验证了杂散电流监测系统的监测效果，可实现对杂散电流的实时监测。
关键词：杂散电流；实时监测；工程应用；防护措施
0引言
随着我国经济的加速发展，各大城市轨道交通发展迅速。由于城市轨道交通受限于空间，以及可控制性、列车体积等因素，均采用直流电力牵引系统[1]。该系统中包含作为正极的接触网（轨），以及作为负极回流线的钢轨。在城市轨道交通运营过程中，部分电流将脱离该回路，泄漏至大地中，被称之为杂散电流。运营之初，由于钢轨对地绝缘良好，泄漏的电流较少，随时间的推移，轨道周围的环境、土壤发生变化，受潮湿、老化等多方面的影响，走行轨与大地之间的杂散电流明显增加。杂散电流最严重的危害是对金属造成电化学腐蚀。对于轨道交通而言，杂散电流腐蚀钢轨和钢筋混凝土中的钢筋及各种埋地金属管线，降低轨道交通周围建筑物的强度，威胁其安全。由于该腐蚀具有隐蔽性，如果发生突发事故，后果往往非常严重[2]。因此，对杂散电流进行建模，研究杂散电流的分布与大小，预测腐蚀情况，对杂散电流进行有效监测与防范，对轨道交通的建设及城市的发展意义重大。
1地铁杂散电流分布仿真分析
建立单边供电以及双边供电2种供电模式下单一列车的杂散电流分布模型。该模型采用微元法，将列车行驶的区间假设为由许多微小的分段组成，将机车作为注入源。假设变电所位于边界且不接地，系统中所有的参数均为均匀分布，采用“钢轨-排流网-大地-埋地金属”基本模型。利用Mathematica软件解出不同供电模式、不同条件下杂散电流以及钢轨电位的值，并进行对比，分析各种条件对杂散电流以及钢轨电位的影响。将牵引变电所之间的距离L设为2km，设流经列车的电流为2000A，假设排流网不排流。设钢轨的纵向等效电阻RG为0.02/km，排流网的纵向等效电阻RP为0.001/km，大地的纵向等效电阻RD为0.001/km，埋地金属的纵向等效电阻RM为0.01/km；设钢轨与排流网之间的等效电导g0为1/15S/km，排流网与大地之间的等效电导g1为1/3S/km，大地与埋地金属之间的等效电导g2为1/3S/km。列车运行在距变电所1km以内，在单边和双边供电模式下，杂散电流、钢轨与排流网之间的电压对比分别如图1和图2所示；列车距变电所距离不同时，以1.5、3、6km为例，杂散电流、钢轨；在流经列车电流不同的条件下，杂散电流、钢轨与；钢轨纵向电阻不同条件下，杂散电流、钢轨与排流网。杂散电流会随列车距变电所距离、流经列车的电流、钢轨的纵向等效电阻的增大而增大；双边供电模式比单边供电模式下杂散电流小，因此地铁直流牵引供电系统一般都采用双边供电模式。
2杂散电流监测
为了减少杂散电流腐蚀，一般从以下方面进行治理：控制杂散电流产生的根源，减小泄漏杂散电流，称为源控制法[3]；尽量减轻泄漏的杂散电流对金属结构的腐蚀，延长金属的使用寿命；按时监测地铁各相关参数，发现问题及时处理，以防止发生危险。监控杂散电流的大小及腐蚀情况，对维护轨道交通的正常运营具有重要意义。埋地金属的极化电位及其对钢轨的电压、钢轨的纵向等效电阻、钢轨的过渡电阻等参数为需重点监控的参数，可反映杂散电流的大小。其中，埋地金属的极化电位可通过测量其与参比电极电位之间的电位差确定，参比电极通常选用Cu或CuSO4电极；钢轨对埋地金属电压不能过高，以避免人员发生触电危险，因此一般需要安装轨电位限制装置；钢轨的纵向等效电阻以及钢轨的过渡电阻在地铁运营初期一般不会出现问题，但伴随长时间的运营，钢轨绝缘器件以及其他组件出现老化，钢轨的纵向电阻以及过渡电阻值有可能发生变化，并超出标准范围，对其进行监测可及时发现问题及更换对应组件，因此对这2组参数进行测量对于控制杂散电流意义重大。监测点通常设置在重要的埋地金属、组件容易老化损坏以及杂散电流腐蚀严重的位置处。杂散电流监测系统可分为分散式和集中式。分散式杂散电流监测系统由参比电极、信号电缆、传感器、便携机、微机综合分析装置等组成。在已经设置的各个监测点，可通过便携式综合测试装置分别进行人工测量。主要测量结构钢筋以及道床钢筋的极化电压偏移值，汇总后，经传输通道传送到综合测试装置中，完成全线的杂散电流极化电压图，通过对比分析，发现其薄弱环节，可有针对性地进行维护。该方法操作简单，便于施工，但在后期运营维护中需要人工对各监测点进行逐一测试，不适于全线杂散电流状态的实时监测。集中式杂散电流监测系统主要包含参比电极、信号电缆、数据转换器、排流柜、上位机等装置[4]。该结构可通过信号线缆将分布于全线各处的监测点采集的极化电位信号统一传送到变电所内设置的排流监测装置，随后上传到微机综合装置进行数据处理，即可将杂散电流监测纳入电力监控系统统一管理，实现由电力监控系统对整条线路的车站、区间进行杂散电流监测和数据采集，并进行相应的统计、整理、归档、及时报警、查询等。在实际工程应用中，对杂散电流的监测主要包括以下几项内容：（1）实时监测牵引钢轨对道床排流网结构钢筋电压；（2）实时监测牵引钢轨对隧道壁结构钢筋电压；（3）实时监测道床排流网结构钢筋对参比电极的电位；（4）实时监测隧道壁结构钢筋对参比电极的电位；（5）列车停运后，监测参比电极的自然本体电位。
3杂散电流监测实测分析
为了验证对杂散电流进行监测的有效性，对已投入运营的轨道交通线路进行数据采集。数据的采集是在整条线路的车站中，选取部分监测站的全部监测点采集数据。将采集的数据进行模拟仿真.通过对不同的传感器实施监测，监测数据达到了行业标准，故目前该线路采取的杂散电流防护措施是有效的。采集完上述监测点传感器的实测数据后，对其进行分组对比模拟可以发现，同一传感器处在不同时间段的电位均不相同，但不同传感器处在相同时间段中的电位大多呈相似的曲线，在不同时间段也会出现一些巨大波动；不同时间内，不同位置的传感器同一时刻接收到的数据是不同的，而同一传感器在不同时刻的电位也不相同，这是由于不同传感器位置不同，其实时监测与距离机车通过点的远近有很大关系，同时当时的列车运行状态对监测点的实测数据也有较大影响。杂散电流将随着通过列车的电流、钢轨纵向等效电阻以及钢轨过渡电导的增大而增大。经理论分析可得，杂散电流与供电距离的平方成正比，监测数据的分析也可验证该结论。因此，减小供电距离可以减小杂散电流。经实测发现，部分实测值远大于理论计算值，因此在实际计算过程中需考虑相应的修正值。在实际监测过程中，为了全面有效地对整条线路的杂散电流进行监测，监测点的选择十分重要。根据本次实测数据的模拟曲线分布规律，可以得出，应尽量在沿线车站站台两端的进站信号机和出站信号机附近，以及各个回流点、部分需要测试的钢轨分断点、桥梁两端、尽头线、线路与车辆段之间的连接处设置监测点，可以较为全面地对各个重点部位的轨道电压、金属结构极化电位、钢轨过渡电阻及纵向电阻等参数进行有效监测。通过对杂散电流实时监测数据的分析，可以全面、详细地了解整个监测系统的运行过程及结果，保障系统的有效性。由此证明在抑制杂散电流的工作中，监测系统发挥了重要的作用。
4结语
城市轨道交通作为城市建设中越来越重要的一环，其对于民计民生具有重要的意义。而在轨道交通线路运营过程中产生的杂散电流，因其危害巨大，应予以重视。本文采用微元法对单一列车在单边和双边供电模式下的杂散电流分布进行了建模分析，并利用Mathematic软件对所建模型进行了仿真。仿真结果表明杂散电流将随着通过列车电流、钢轨纵向等效电阻以及钢轨过渡电导的增大而增大。通过采集实际地铁运营过程中的大量数据，分析了同一传感器以及不同传感器在不同时段内采集的最小极化电位、最大极化电位、正向平均极化电位以及负向平均极化电位的变化关系，并根据线路运行的实测数据进行仿真，对比理论建模的结果，证明杂散电流监测系统的有效性，对杂散电流实时监测作用明显。
参考文献：
[1]孔玮.城市轨道交通直流牵引系统故障分析及若干问题的研究[D].华北电力大学博士学位论文，2005.
[2]王崇林，马草原，王智，等.地铁直流牵引供电系统杂散电流分析[J].城市轨道交通研究，2007，10（3）：51-53.
[3]于松伟.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M].成都：西南交通大学出版社，2008.
[4]李亚宁.城市轨道交通杂散电流的成因与防护监测探析[J].甘肃科技，2009，25（23）：53-54.
[5]王术合，刘斌，朱晓军.城市轨道交通新型杂散电流治理方案探讨[J].电气化铁道，2016z：58-61.
作者:王睿思 单位:中铁第五勘察设计院集团有限公司
