畢業(yè)論文-蘭州軌道交通1號線雜散電流分析

摘要本文以在建的蘭州軌道交通1號線為對象，研究電氣化鐵路雜散電流，分析其形成原因，以及對有關(guān)設(shè)備及人員的干擾和危害，為雜散電流腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。目前，城市軌道交通供電系統(tǒng)多數(shù)采用走行軌回流的直流牽引供電方式，運(yùn)行過程中產(chǎn)生的雜散電流會對地下金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕，影響城市軌道交通安全運(yùn)營。為了保障城市軌道交通和管道的安全，必然要加強(qiáng)雜散電流的檢測和防護(hù)。本文引用了大量文獻(xiàn)，綜述了雜散電流腐蝕的分類、特點(diǎn)以及雜散電流腐蝕產(chǎn)生的危害性和隱蔽性及其機(jī)理，并進(jìn)行了理論分析，同時綜述了雜散電流的檢測方法和檢測設(shè)備，并提出了幾種合理的防護(hù)措施。加強(qiáng)對雜散電流腐蝕危害及防治方法的研究，對保證城市軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、周邊的管線及建筑設(shè)施的安全運(yùn)行，延長它們的使用壽命具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。關(guān)鍵詞：雜散電流；軌道交通；監(jiān)測；腐蝕防護(hù)

目錄TOC\o"1-3"\u第1章緒論 第1章緒論1.1論文的選題背景隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，我國各個城市為了緩和日趨嚴(yán)重的城市交通壓力，紛紛加快了城市軌道交通的建設(shè)。同時為了保持城市的美觀，供水、燃?xì)夤艿酪约肮╇姾屯ㄐ烹娎|大多數(shù)采用地下埋設(shè)或隱蔽敷設(shè)。目前，國內(nèi)城市軌道交通供電系統(tǒng)多數(shù)采用走行軌(第三軌)回流的直流牽引供電方式，由于第三軌與大地不能做到完全絕緣，導(dǎo)致部分電流流入大地進(jìn)而流入與地鐵緊鄰的鋼質(zhì)管道上，造成直流雜散電流腐蝕，影響城市軌道交通安全運(yùn)營。所以，城軌雜散電流對這些管道和電纜的腐蝕危害以及對應(yīng)的防治方法則成為一個倍受關(guān)注的問題。而且分析雜散電流的分布規(guī)律，并且設(shè)計(jì)出合理有效的防護(hù)雜散電流的方案，可以減少在地鐵建設(shè)中的投資、降低地鐵的運(yùn)營成本。加強(qiáng)對雜散電流腐蝕危害及防治方法的研究，對保證城市軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、周邊的管線及建筑設(shè)施的安全運(yùn)行，延長它們的使用壽命具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，同時本文還可以為蘭州軌道交通1號線雜散電流的腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。1.2雜散電流的研究現(xiàn)狀一、現(xiàn)在的雜散電流分析以直流為主，交流為輔。經(jīng)過幾十年的實(shí)踐，沒有發(fā)現(xiàn)交流牽引系統(tǒng)的地中電流存在明顯的腐蝕作用(交流電引起的腐蝕大約為直流電的1%或更小。)，而且對其調(diào)查研究也不完善。二、現(xiàn)行的雜散電流的防護(hù)措施各有各的缺點(diǎn)，仍需改進(jìn)。三、對于雜散電流在大地中的衰減方式，衰減測量以及與腐蝕關(guān)系仍然了解不深。四、目前國外的地鐵管理部門及高等院校內(nèi)均設(shè)置了專門的機(jī)構(gòu)來研究雜散電流并取得了豐富成果。我國的地鐵建設(shè)起步較晚，因而對于雜散電流的相關(guān)研究開展比較晚，目前國內(nèi)只有少數(shù)幾家研究機(jī)構(gòu)，如中國礦業(yè)大學(xué)等。目前國際上雜散電流防護(hù)通常采用VDE0115國際標(biāo)準(zhǔn)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50122-2、EN50162和德國(VDV)501／2標(biāo)準(zhǔn)。而我國唯一雜散電流標(biāo)準(zhǔn)是1992年頒布的《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》。五、由于土壤、混凝土等的性質(zhì)都不相同，現(xiàn)在雜散電流排流的研究和設(shè)計(jì)正在兼容性，擴(kuò)展性，易操作性上進(jìn)行新的探索。1.3主要設(shè)計(jì)內(nèi)容本文以在建的蘭州軌道交通1號線(以下簡稱1號線)為研究對象，沿線進(jìn)行土壤采樣，自行設(shè)計(jì)了雜散電流實(shí)驗(yàn)室模擬裝置，得到了蘭州地區(qū)土質(zhì)條件不同影響因素與雜散電流的關(guān)系，分析了雜散電流對1號線的影響。

第2章雜散電流介紹2.1雜散電流簡介雜散電流，又稱迷流(StrayCurrent)，主要指不按照規(guī)定途徑移動的電流，它存在于土壤中，與需要保護(hù)的設(shè)備系統(tǒng)沒有關(guān)聯(lián)。這種在土壤中的雜散電流會通過管道某一部位進(jìn)入管道，并在管道中移動一段距離后在從管道中離開回到土壤中，這些電流離開管道的地方就會發(fā)生腐蝕，也因此被稱為雜散電流腐蝕。雜散電流的輸出點(diǎn)有很多，包括有外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，DC電車系統(tǒng)，DC開礦以及焊接系統(tǒng)，高壓DC、AC傳輸線路。在雜散電流進(jìn)入管道的部分，管道為陰極而得到保護(hù)，但是過大的電流進(jìn)入時，這部分管道就會發(fā)生過保護(hù)。同時雜散電流離開管道的地方就會因?yàn)槭ル娮佣g。電氣化鐵路、交、直流高壓輸電系統(tǒng)等都能產(chǎn)生雜散電流。它對金屬的損耗屬于電化學(xué)腐蝕范疇。金屬失去電子被氧化，介質(zhì)中的其它離子得到電子被還原。2.2雜散電流的分類2.2.1直流型是主要來源于直流電氣化鐵路、直流電解系統(tǒng)、直流電焊系統(tǒng)、高壓直流輸電線路、其他管道外加的陰極保護(hù)系統(tǒng)的雜散電流。2.2.2交流型是主要來源于交流電氣化鐵路，高壓交流輸電線路的雜散電流。2.3雜散電流的來源雜散電流是因外界條件影響而產(chǎn)生的電流。其主要來源一般為：1.電氣牽引網(wǎng)路流經(jīng)金屬物(指鋪軌以外的金屬物)或大地返回直流變電所的電流；2.動力和照明交流電路的漏電；3.大地自然電流；4.雷電和電磁輻射的感應(yīng)電流等。5.由于電氣化鐵路、礦山、工廠、港口各種用電設(shè)備接地與漏電，在土壤當(dāng)中也會形成雜散電流的循環(huán)。2.4雜散電流形成過程以單邊供電為例，如圖2.1所示。目前，城市軌道交通一般采用直流牽引供電，機(jī)車所需的牽引電流由牽引變電所的正極出發(fā)，通過架空接觸網(wǎng)(軌)、受電弓向電力機(jī)車供電，然后經(jīng)過走行軌(即回流軌)回流到牽引變電所的腹肌，產(chǎn)生回流電流。但因?yàn)殇撥壊豢赡芡耆^緣，所以牽引電流并不能全部由鋼軌回流到變電所，而是有一部分電流由走行軌流入大地。這部分電流便形成了雜散電流，圖2.1中，It為牽引電流，Is為雜散電流；圖2.1雜散電流形成原理圖2.5雜散電流腐蝕機(jī)理雜散電流的腐蝕機(jī)理如圖2.2所示。圖中符號含義同圖2.1。圖2.2雜散電流腐蝕原理圖走行軌與埋地金屬管線都屬于電子導(dǎo)體，而土壤則屬于離子導(dǎo)體，電子從A和D兩個位置分別流出時，金屬導(dǎo)體與地面的交界面為陽極；電流在C和F兩個位置分別流入時，地面與金屬導(dǎo)體的交界面為陰極，即A、B、C和D、E、F是兩個串聯(lián)的原電池原電池1：A(陽極)→B(土壤)→C(陰極)原電池2：D(陽極)→E(土壤)→F(陰極)根據(jù)土壤中有無氧氣，腐蝕原電池的電極反應(yīng)分為析氫腐蝕(如式3.1所示)和吸氧腐蝕。(如式3.2所示)在充氣的電解質(zhì)中，在陰極發(fā)生如下反應(yīng)：4H2O+4e-在缺氧或酸性環(huán)境中，將發(fā)生如下反應(yīng)，有氫氣析出：2H2這兩種腐蝕反應(yīng)通常生成Fe(OH)2并在鋼筋表面或介質(zhì)中析出，部分還可以進(jìn)一步被氧化形成Fe(OH)3。生成的Fe(OH)2繼續(xù)被介質(zhì)中流的O2氧化成棕色的Fe2O3(紅銹的主要成分)，而Fe(OH)2.6雜散電流的危害2.6.1對走行軌及其附件的腐蝕牽引電流通過走行軌回流到牽引變電所，如圖2.2所示，由于走行軌對地不能完全絕緣，所以會有部分電流從走行軌泄漏到大地中去，此時走行軌處于腐蝕電池的陽極，很容易受到腐蝕。資料表明，軌道的雜散電流腐蝕在隧道內(nèi)及岔道等地方更為明顯，有些地方2～3年就需要重新?lián)Q軌。走行軌及其附件的腐蝕一般都發(fā)生在與其它物體的接觸面上，這些腐蝕很難從外面發(fā)現(xiàn)，等到發(fā)現(xiàn)時就需要更換鋼軌等等，因此危害很大。2.6.2對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞雜散電流會腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋，但并不對混凝土本身產(chǎn)生影響。當(dāng)雜散電流流入鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中時，鋼筋為陰極，會發(fā)生析氫腐蝕，而產(chǎn)生的氫氣無法逸出，所以會形成等靜壓力，使鋼筋與混凝土脫開。當(dāng)雜散電流流出鋼筋時，鋼筋為陽極，會發(fā)生腐蝕產(chǎn)生Fe(OH)2、Fe2O32.6.3對埋地管線的腐蝕目前埋地管線主要有天然氣管道、自來水管、供暖管道、石油管道、電纜等，很容易聚集雜散電流，遭受腐蝕。若管線距離地鐵系統(tǒng)或輸電線路比較近時，很容易受到雜散電流的影響，幾個月便會穿孔，所以在設(shè)計(jì)與建設(shè)過程中應(yīng)加以重視。2.6.4對人身安全的威脅當(dāng)埋地管道與高壓交流輸電線路接近或交叉時，交流輸電線路產(chǎn)生的電流通過磁耦合在管道上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，使管道對地電位不為零。若管道電壓超過92V(德國標(biāo)準(zhǔn))，可能會對操作和維護(hù)人員的人身安全構(gòu)成威脅。在地鐵系統(tǒng)中，當(dāng)牽引電流回流不暢，并且造成大量的雜散電流流入大地中時，會導(dǎo)致鋼軌與結(jié)構(gòu)鋼筋之間電壓升高，對站臺乘客的人身安全造成威脅。2.6.5影響電氣設(shè)備的正常工作在雜散電流嚴(yán)重的地段，可能導(dǎo)致陰極保護(hù)電位儀報(bào)警、工作中斷，也可能使某些電氣設(shè)備發(fā)生誤動作等，影響電氣設(shè)備的正常工作。如果軌道與軟枕之間絕緣損壞，將會產(chǎn)生很大的雜散電流，可能會燒毀排流柜。2.6.6對通信產(chǎn)生的影響受電弓(靴)產(chǎn)生的電猝發(fā)與浪涌是組成城市雜波的重要組成部分，會對周圍的通信設(shè)備造成干擾。另外車輛內(nèi)的接觸導(dǎo)線是高次諧波的發(fā)射天線，其產(chǎn)生的敷設(shè)會污染近距離的電磁環(huán)境。2.6.7異常腐蝕當(dāng)把線路引入運(yùn)轉(zhuǎn)庫、修理庫及交檢庫等建筑物時，如果絕緣施工不良會使鋼軌與建筑物之間發(fā)生某種程度的電連接，從而使泄露電流變大，產(chǎn)生異常劇烈的雜散電流腐蝕。2.7雜散電流的干擾判斷2.7.1直流雜散電流干擾判斷1.外觀判斷法對埋地管道來說，如果受到直流雜散電流的腐蝕，其外觀是：孔蝕傾向大，創(chuàng)面光滑、邊緣比較整齊，有時有金屬光澤，腐蝕產(chǎn)物似炭黑色粉末，無分層現(xiàn)象，有水存在且腐蝕激烈時，可以明顯觀察到電解過程。但是在土壤電阻率大于10000的情況下，一般很難發(fā)生雜散電流腐蝕。相比而言，自然腐蝕的外觀特征是：腐蝕產(chǎn)物為黑色或黃色，銹層比較松弛，孔蝕傾向小，創(chuàng)面不光滑，邊緣不整齊，清除腐蝕產(chǎn)物后表面粗糙。2.電氣判斷法由于雜散電流難以直接測量，所以對于管道是否受到雜散電流影響，目前通常是按管地電位較自然電位正向偏移值來判斷，如果管地電位較自然電位正向偏移值難以測量時，可采用土壤電位梯度來判定雜散電流強(qiáng)弱程度。根據(jù)我國石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《埋地鋼制管道直流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(SY/T0017-2006)規(guī)定：當(dāng)管道任意點(diǎn)上的管地電位較自然電位正向偏移20mV或管道附近的土壤電位梯度大于0.5mV/m時，則認(rèn)為有直流雜散電流干擾；當(dāng)管道任意點(diǎn)上的管地電位較自然電位正向偏移100mV或管道附近的土壤電位梯度大于2.5mV/m時，應(yīng)及時采取防護(hù)措施。歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN50162規(guī)定可以使用管地電位較自然電位偏移值、管地電位波動、管道附近的土壤電位梯度和管道中的電流值四種方法判斷是否存在雜散電流干擾。我國對直流干擾程度判斷的標(biāo)準(zhǔn)如下表2.1所示。表2.1我國直流干擾程度判斷標(biāo)準(zhǔn)管地電位正向偏移值(mV)直流干擾程度<20弱20~200中>200強(qiáng)我國對雜散電流強(qiáng)弱判斷的標(biāo)準(zhǔn)如表2.2所示表2.2我國雜散電流強(qiáng)弱判斷標(biāo)準(zhǔn)土壤電位梯度(mV/m)雜散電流強(qiáng)弱程度<0.5弱0.5~5中>5強(qiáng)2.7.2交流雜散電流干擾判斷在《埋地鋼制管道交流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》SY/T0032-2000中根據(jù)土壤酸堿性來確定排流效果的指標(biāo)：在弱堿性條件下，交流干擾電壓應(yīng)≤10V；在中性條件下，交流干擾電壓≤8V；在酸性條件性，交流干擾電壓≤6V。而國外則是從人身安全和管道腐蝕角度進(jìn)行評價(jià)，歐洲標(biāo)準(zhǔn)CEN/TS15280使用交流電流密度、交直流電流密度比等作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

第3章蘭州軌道交通1號線雜散電流分析3.11號線工程概況1號線自西向東穿過中心城區(qū)，線路串聯(lián)了城關(guān)區(qū)、七里河區(qū)、安寧區(qū)西固區(qū)四個主要功能區(qū)塊。1號線西起陳官營站，途經(jīng)崔家大灘、迎門灘、馬灘、西客站、西關(guān)十字、東方紅廣場、盤旋路、省人民醫(yī)院、東部市場，東至東崗鎮(zhèn)，線路全長約26km。1號線兩次穿越黃河，一次是在銀灘黃河大橋附近，從馬灘穿越黃河后進(jìn)入安寧區(qū)；另一次是從營門灘附近穿越黃河進(jìn)入西固區(qū)。1號線采用集中供電方式，兩級電壓制110kV/35kV，牽引網(wǎng)電壓為DC1500V；采用架空接觸網(wǎng)授流方式的牽引網(wǎng)形式。3.2模型分析由于整個地鐵線路是由多個變電所為機(jī)車供電，供電的方式、列車的負(fù)荷、線路的條件等多方面的未知變量，地鐵中嚴(yán)格意義上的雜散電流泄露的理論公式是很難推導(dǎo)的。為了簡化所要研究的問題，且能夠達(dá)到了解雜散電流分布規(guī)律的要求，可設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測試裝置來建立地鐵雜散電流分布的模型，分析雜散電流對城軌的影響。3.3實(shí)驗(yàn)裝置及測試過程3.3.1實(shí)驗(yàn)裝置本研究設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)測試裝置如圖3.1所示。盛裝土壤的容器尺寸為：長×寬×高=0.5m×0.4m×0.6m。土壤厚度為0.5m。用長0.4m、阻值分別為0.5Ω、1.0Ω的鎳鉻合金電阻片平鋪在土壤表面模擬圖2.1中的走行軌。用型號為TH-SS3022數(shù)顯直流穩(wěn)壓電源(量程為0~30V)模擬圖2.1中的牽引變電所。Rb為電路的保護(hù)電阻，由6個阻值為2.5Ω圖3.1實(shí)驗(yàn)室模擬裝置圖3.3.2測試過程由于受實(shí)驗(yàn)室各種條件的限制，無法直接測量土壤電阻率，只能選在室外進(jìn)行測量。通過對1號線路走向的分析，最終分別對位于安寧區(qū)、七里河區(qū)、城關(guān)區(qū)的世紀(jì)大道站、西客站和五里鋪站3個站點(diǎn)的土壤進(jìn)行采樣，并進(jìn)行土壤電阻率和雜散電流的測量。其中土壤電阻率測試方法采用等距四電極法，雜散電流的測量則用圖3所示的模擬裝置進(jìn)行測量。在測試過程中，為提高測試結(jié)果的可靠性，在每種工況下測量3次，以3次測量的算術(shù)平均值作為最后結(jié)果。下面給出具有代表性土質(zhì)的3個站點(diǎn)的雜散電流測試結(jié)果。所選世紀(jì)大道站、西客站和五里鋪站3個站點(diǎn)的土壤電阻率分別為ρ=28.33Ω?m、ρ=34.54Ω?m、3.4結(jié)果分析3.4.1牽引電流對雜散電流的影響實(shí)驗(yàn)中模擬鋼軌的縱向電阻有Rt=0.5Ω和Rt=1.0Ω兩種規(guī)格，機(jī)車與牽引變電所之間的距離為28cm，測試探針插入土壤的埋深h=7cm。當(dāng)牽引電分別為I=0.3A、0.6A、0.9A時，對距牽引變電所不同可以看出，對于同一牽引電流，雜散電流沿著測點(diǎn)與牽引變電所之間的線路呈拋物線變化，在實(shí)驗(yàn)條件下的15cm處取得極大值；對于同一測試位置，雜散電流隨牽引電流值增大而增大，而且，不同牽引電流對應(yīng)的雜散電流極值所在位置基本一致。這說明對于建成的兩牽引變電所之間的線路，其雜散電流匯集的位置是在一個比較狹小的范圍內(nèi)。由此啟發(fā)我們在設(shè)計(jì)中如何合理確定牽引電流和牽引變電所之間的距離等因素，在保證機(jī)車有足夠牽引力的情況下將雜散電流降到最低。據(jù)此得出結(jié)論，在蘭州軌道交通建設(shè)中，可采用提高牽引網(wǎng)的電壓、限制牽引電流的措施來降低雜散電流帶來的危害。例如，1號線一期工程采用DC1500V的電壓，有助于減小雜散電流。另外，除了線路末端采用單邊供電外，線路中間均采用雙邊供電。采用雙邊供電的雜散電流值為單邊供電的1/4。圖3.2(a)世紀(jì)大道站圖3.2不同牽引電流時比較圖3.2(b)西客站圖3.2(c)五里鋪站圖3.2不同牽引電流時比較圖3.3比較了不同站點(diǎn)在相同牽引電流I=0.9A圖3.3不同站點(diǎn)雜散電流比較由圖3.3可知，當(dāng)世紀(jì)大道站、西客站和五里鋪站采取相同的牽引電流0.9A時，雜散電流在測量點(diǎn)與牽引變電所間呈現(xiàn)出相似的變化趨勢，并且取得極值的位置也很接近。但對于同一位置，雜散電流的絕對值存在差異。其中，世紀(jì)大道站的雜散電流最大，五里鋪站的雜散電流最小，前者的極值比后者的極值高出41.3%。所以，同一線路采取相同的牽引電流顯然是不科學(xué)的。在設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行管理中，要綜合考慮各種因素，盡可能地對不同站點(diǎn)間的牽引電流進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，使得受其影響的雜散電流最小。3.4.2鋼軌縱向電阻對雜散電流的影響牽引電流I=0.6A，測試探針插入土壤的埋深H=7cm，機(jī)車與牽引變電所之間的距離L=28cm，鋼軌縱向電阻分別為Rt=0.5Ω圖3.4(a)世紀(jì)大道站圖3.4(b)西客站圖3.4不同鋼軌縱向電阻比較(I=0.6圖3.4(c)五里鋪站圖3.4不同鋼軌縱向電阻比較(I=0.6A由圖3.4可知，對于同一鋼軌縱向電阻，沿著測點(diǎn)與牽引變電所之間的線路雜散電流呈拋物線變化，在實(shí)驗(yàn)條件下也是于15cm處取得極大值。在其他條件不變的情況下，隨著鋼軌縱向電阻的增大，雜散電流隨之增大。從兩種鋼軌縱向電阻對應(yīng)的雜散電流分布可以看出，大阻值時雜散電流的變化幅度較大，而小阻值時相對平緩。與圖3.2對照，發(fā)現(xiàn)鋼軌縱向電阻對雜散電流的影響要大于牽引電流對雜散電流的影響幅度。因此，在蘭州軌道交通一期工程中，在滿足對鋼軌其他技術(shù)方面的要求時，應(yīng)該盡量減小鋼軌的縱向電阻，比如通過選擇電阻率較小材質(zhì)的鋼軌或者橫截面較大的鋼軌，以便通過減小鋼軌的縱向電阻來減小雜散電流的大小，從而減輕雜散電流的腐蝕危害。圖3.5比較了具有相同縱向電阻的鋼軌置于不同站點(diǎn)時雜散電流沿線變化。由圖3.5可知，當(dāng)鋼軌縱向電阻均為1Ω時，世紀(jì)大道和西客站的雜散電流極值很接近，均高于五里鋪站的極值，兩極值相差約23%。所以，同一線路布置具有相同鋼軌縱向電阻也是不科學(xué)的。在設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行管理中，要綜合考慮各種因素，盡可能地對不同站點(diǎn)間的鋼軌縱向電阻進(jìn)行人為處理，使其雜散電流最小。圖3.5不同站點(diǎn)雜散電流比較3.4.3雜散電流沿土壤深入的變化牽引電流I=0.6A，鋼軌縱向電阻Rt=0.5Ω，機(jī)車與牽引變電所之間的距離L=28cm，當(dāng)測量點(diǎn)與牽引變電所之間的距離Lx=15cm時，測試得到了雜散土壤深度的分布，如圖3.6所示。由圖3.6可知，在其他條件不變的情況下，雜散電流隨土壤埋深的增加呈下降趨勢，并且當(dāng)深度達(dá)到一定程度時雜散電流會減小到零。因此，在蘭州軌道交通一期工程中，可以通圖3.6雜散電流隨土壤深度變化曲線3.4.4機(jī)車與牽引變電所距離對雜散電流影響牽引電流I=1.0A，鋼軌縱向電阻Rt=0.5H，測試探針插入土壤的埋深h=7cm，測量點(diǎn)始終保持在牽引變電所與機(jī)車的中點(diǎn)位置。機(jī)車與牽引變電所間距離分別為L=4cm、8cm、12cm、16cm、20cm、24cm、28cm時，對雜散電流進(jìn)行測量，結(jié)果如圖圖3.7Is隨L由圖3.7可知，在其他條件不變的情況下，雜散電流隨機(jī)車與牽引變電所間距離的增大而增大，且在16cm處發(fā)生了增長速率的變化，說明到達(dá)一定距離后雜散電流的增長會更快。針對這一結(jié)論，在蘭州軌道交通一期工程中，在確保滿足其他條件時，應(yīng)盡量縮小供電區(qū)間的長度，即縮小牽引變電所之間的距離，從而削弱雜散電流的腐蝕危害。在1號線一期工程中，牽引變電所與車站合建，因此，在滿足供電要求的前提下，盡量減小站間距。這樣，雖然可能會增大初期投資和運(yùn)營成本，但提高了安全運(yùn)行的可靠性。

第4章雜散電流的防護(hù)與監(jiān)測4.1雜散電流腐蝕防護(hù)措施雜散電流的防護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“以堵為主，以排為輔，堵排結(jié)合，加強(qiáng)監(jiān)測”的原則。4.1.1“堵”——源控法源控法就是隔離、控制所有可能的雜散電流泄漏途徑，減少雜散電流進(jìn)入地鐵的主體結(jié)構(gòu)、設(shè)備及其相關(guān)的設(shè)施。根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，單邊供電情況下雜散電流的公式如式4.1所示：Is雜散電流值與列車到牽引變電所距離的平方成正比；與回流走行軌縱向電阻成正比；與牽引電流成正比；與走行軌的對地過渡電阻成反比。目前地鐵采用了很多有效方法，很多新方法也在不斷被提出并應(yīng)用于實(shí)踐。1.在可能的情況下，設(shè)計(jì)時可適當(dāng)縮短變電所的位置。2.減小機(jī)車取流量，牽引網(wǎng)采用雙邊供電，提高直流牽引電壓。3.加強(qiáng)走行軌對地絕緣，增大軌道對主體結(jié)構(gòu)的過渡電阻。4.保持牽引回流通路順暢，安裝均流電纜，設(shè)法降低走行軌的電阻值。5.采用隔離法，減少雜散電流的蔓延。4.1.2“排”——排流法排流法就是通過雜散電流的收集及排流系統(tǒng)，提供雜散電流返回至牽引變電所負(fù)母線的通路，防止雜散電流繼續(xù)向本系統(tǒng)外泄漏，以減少腐蝕。目前地鐵采用是智能排流柜的工作原理。如圖4.1所示，直流接觸器CZ用于控制排流支路是否投入使用，R、C用于抑制主回路通斷時產(chǎn)生的尖峰脈沖，硅二極管D1用于防止逆向排流，快速熔斷器Fu用于在出現(xiàn)短路等故障時保護(hù)排流柜電路免受損害。電流傳感器M用來檢測排流回路中的排流電流量的大小，然后通過排流柜控制器控制IGBT通斷的占有比率，控制電流輸送的大小。當(dāng)IGBT關(guān)斷時，排流回路中串入R1和R2，排流電流較小。正常情況下，IGBT的導(dǎo)通占空比將排流電流量控制在規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi)。圖4.1智能排流柜原理圖4.1.3其他雜散電流腐蝕防護(hù)方法1.陰極保護(hù)法。在需要保護(hù)的金屬結(jié)構(gòu)上外接一直流電源的負(fù)極，使得金屬結(jié)構(gòu)對地電位降低，從而達(dá)到防電蝕的目的。由于陰極保護(hù)需要外加一獨(dú)立直流電源，其本身也是一腐蝕源，因此在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)慎用。2.陽極保護(hù)法。將被保護(hù)結(jié)構(gòu)件的電位提高到鈍態(tài)電位，從而阻止雜散電流腐蝕。由于地下結(jié)構(gòu)設(shè)施復(fù)雜，在實(shí)際實(shí)施中是很難將被保護(hù)的設(shè)施提高到鈍化電位的。4.2雜散電流腐蝕防護(hù)的監(jiān)測手段設(shè)計(jì)完備的雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)能監(jiān)視和測量雜散電流的大小，為運(yùn)營維護(hù)提供依據(jù)。雜散電流難以直接測量，通常利用結(jié)構(gòu)鋼極化電壓的測量來判斷結(jié)構(gòu)鋼筋是否受到雜散電流的腐蝕作用，極化電壓的正向偏移平均值不應(yīng)超過0.5V。在整體道床上埋入一個長期有效參考電極，用于測量排流網(wǎng)與整體道床參考電極的電壓；在隧道的側(cè)壁也埋入一個有效參考電極，測量結(jié)構(gòu)鋼與側(cè)壁參考電極的電壓。軌道電位是測量軌道與側(cè)壁結(jié)構(gòu)鋼之間的電壓。4.2.1自然本體電位U0的測量在沒有雜散電流擾動的情況下，測量的地鐵埋地金屬對地電位分布呈現(xiàn)出一個穩(wěn)定值，此穩(wěn)定電位我們稱之為自然本體電位U0。地鐵一天內(nèi)有幾個小時的完全停止運(yùn)營時間，在列車停止運(yùn)行2h后，可以進(jìn)行自然本體電位U0的自動測量。當(dāng)存在雜散電流擾動的情況時，測量電位出現(xiàn)偏離，所測電位為U1，其偏移值為?U。4.2.2半小時軌道電位最大值測量從嚴(yán)格意義來講，軌道電位應(yīng)是以無限遠(yuǎn)的大地為基準(zhǔn)，而走行軌電位測量以無限遠(yuǎn)的大地是很難實(shí)現(xiàn)的，在測量中一般是測量走行軌對埋地金屬結(jié)構(gòu)的電壓來代表軌道電位。由于軌道電位的瞬時值變化很大，因此在實(shí)際測量過程中，其監(jiān)測和計(jì)算的參數(shù)并不太準(zhǔn)確。

結(jié)論本文以蘭州軌道交通1號線為研究對象，設(shè)計(jì)了雜散電流實(shí)驗(yàn)室模擬裝置，并對不同影響因素下所產(chǎn)生的雜散電流進(jìn)行了測量。取得的主要成果如下：(1)蘭州軌道交通1號線如果采用相同的牽引電流，各站點(diǎn)間所產(chǎn)生雜散電流的極值差異達(dá)到了41.3%；在不同站點(diǎn)鋪設(shè)具有相同縱向電阻的鋼軌，雜散電流也會有23%的差異。(2)在其他條件不變的情況下，雜散電流隨機(jī)車與牽引變電所間距離的增大而增大；而且在16cm處發(fā)生了增長速率的變化。這說明到達(dá)一定距離后雜散電流的增長會