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首都师范大学 硕士学位论文 地铁杂散电流模拟装置的补偿电源研制 姓名：高文祥 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：李永刚 20050401 首都师范大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 地铁杂散电流对道轨、主体结构中的钢筋、周围的埋地金属管线及沿线的建 筑物等造成电化学腐蚀， 产生严重危害。目 前国内外对地铁杂散电流防护措施多 采用被动的“ 堵截” 或“ 疏导” 的防护措施， 取得了 一些成效， 但还没有从根源 上消除杂散电 流的 产生。 为了寻找一种积极有效的防治 地铁杂散电 流的方法， 本 文提出了 利用分段检测和自 动补偿相结合的电 源补偿方案， 这是一个涉及电 子、 测试和电防护领域的应用研究。 本文介绍了地铁杂散电流产生的机理、危害以及目 前所采用的防护手段，提 出了对模拟道轨进行电流补偿以有效减小或降低地铁杂散电流产生的积极防治 方案; 介绍了 实验室地铁杂散电 流模拟装置设计和实 现的 全过程; 在对电 源类型 进行分析的基础上， 分降压、 主电路和控制电路三部分详细介绍了所选电源电路 设计过程及关键器件的参数选择: 在对隔离方法对比分析的基础上， 详细介绍了 采集、 隔离、 放大部分的电路设计及关键器件的参数选择; 简要介绍了对电路进 行测试的方法及测试过程。 为检验补偿电 源在地铁杂散电流模拟装置上的补偿效果，设计了7 组实验， 并对每组实验数据的效果进行了 详细的分析。 验证了 地铁杂散电 流模拟装置较好 的 模拟了 实际地铁杂散电 流的 情况， 电 源补偿装置也能较好的 完成减小“ 被补偿 区段” 模拟轨道电流的目的。 因此， 这种防治方案是合理的、 可行的，为日 后探 讨利用受控开关电 源来实现积极的电 流补偿， 提供了 实验基础和科研依据。 关键词: 杂散电流 模拟装置 补偿电源 首都师范大学硕士学位论文 英文摘要 ab s t r a c t m e t r o s t r a y c u r r e n t c a u s e s a b o u t s e r io u s ly h a r m f u l e le c t r o c h e m ic a l c o r ro s io n in s u b w a y r a il , r e b a r in c o n c r e t e m a in s t r u c t u r e b u r i e d u n d e r g r o u n d n e a r b y m e t r o , u n d e r g r o u n d m e t a l p ip e li n e a r o u n d t h e m e t r o , a n d b u ild i n g s a lo n g t h e m e t r o . u p t o n o w , p a s s iv e “ in t e r c e p t i n g “ a n d “ c h a n n e l in g “ s a f e g u a r d p r o c e d u r e s h a v e b e e n t a k e n t o p r e v e n t m e t r o s t r a y c u r r e n t f r o m h a r m in g a n d w o r k e d i n a c e r t a i n s e n s e . h o w e v e r , t h e g o a l o f d is p e l li n g it h a s n o t u lt im a t e ly a c h ie v e d . t h is t h e s is is d e v o t e d t o t h e s t u d y o n p r e v e n t in g m e t r o s t r a y c u r r e n t in a p o s it iv e a n d e ff e c t iv e w a y . c o m b in i n g m u t t i- w a y m e a s u r i n g a n d a u t o m a t ic c o m p e n s a t io n , t h is p o w e r s u p p ly c o m p e n s a t io n p r o j e c t c o v e r s s e v e r a l f ie ld s , i n c l u d in g e le c t r o n s , t e s t in g , a n d e le c t r ic it y p ro t e c t io n t h e g e n e r a t io n m e c h a n is m , h a r m o f m e t r o s t r a y c u r r e n t a s w e ll a s p r e s e n t s h e lt e r m e a s u r e s a r e i n t r o d u c e d in t h e f ir s t p a rt o f t h is p a p e r . b e s id e s , a p o s it iv e p r e v e n t in g a n d t r e a t in g p r o j e c t is p u t f o r w a r d i n a w a y t o e ff e c t iv e ly r e d u c e m e t r o s t r a y c u r r e n t , b y c o m p e n s a t i n g s t im u la t e d t h e m e t r o t r a il c u r r e n t . t h e w h o l e p r o c e s s o f d e s ig n i n g a n d e s t a b lis h i n g i n t h e la b o r a t o ry s im u l a t e d d e v ic e o f m e t r o is a ls o d is c u s s e d ; o n t h e b a s is o f a n a ly s is o f ty p e s o f t h e p o w e r , a d e t a ile d in t r o d u c t io n o f c ir c u it d e s ig n a n d m a j o r p a r a m e t e r s o f k e y c o m p o n e n t s is w o v e n in t o t h r e e p a r t s : s t e p - d o w n c i r c u it , m a in c ir c u it a n d c o n t r o l c i r c u it ; b a s e d o n t h e c o m p a r i s o n o f m e t h o d s o f is o la t i n g , a d e t a i le d in t r o d u c t io n o f c i r c u it s o f g a t h e r in g , is o la t in g , e n la r g in g d e v ic e s a s w e ll a s m a j o r p a r a m e t e r s o f k e y c o m p o n e n t s s o m e c ir c u it d e s ig n a n d k e y p a r a m e t e r s c h o ic e o f d e v ic e ; t h e f o l lo w in g is a b r ie f in t r o d u c t io n o f m e t h o d s a n d p r o c e s s o f c ir c u it - t e s t i n g . f i n a lly , s e v e n g r o u p s o f e x p e r im e n t d a t a a r e c o l le c t e d f ro m s t im u la t e d s u b w a y r a i l , f o llo w e d b y a d e t a ile d a n a ly s is o f e v e r y g r o u p s e x p e r im e n t r e s u lt . t h e s t im u la t e d d e v ic e o f m e t r o s t r a y c u r r e n t c a n b e tt e r s t imu la t e s t h e a c t u a l 首都师范大学硕士学位论文英文摘要 s it u a t io n , a n d p o w e r - c o m p e n s a ti n g d e v ic e c a n r e d u c e s im u la t e d r a il c u r r e n t o f “ c o m p e n s a t e d s e c t o r “ m o r e s u c ces s f u lly . t h e r e f o r e , it c a n b e s a f e ly c la im e d t h a t t h is k in d o f p r e v e n t i n g a n d t r e a t in g s c h e m e is r a t io n a l a n d f e a s ib le . s u b s e q u e n t ly , a g o o d f o u n d a t io n h a s b e e n f o u n d e d f o r f u rt h e r r e s e a r c h o n t h e u s e o f c o n t ro lle d s w it c h in g - m o d e p o w e r s u p p ly in a c t iv e ly c o m p e n s a t in g c u r r e m. k e y w o r d s : s t r a y c u r r e n t ; s t i m u la t e d d e v ic e ; c o m p e n s a t i n g s u p p 扮 m 首都师范大学硕士学位论文 第一章 问题的提出 第一章 问题的提出 1 . 1 杂散电流及地铁杂散电流的定义1 1 ,2 1 在正常情况下，电流应该按照人们设计的要求在指定的导体内 流动。如果由 于某种原因，一部分电流离开了 指定的导体而在原来不应有电流的导体内流动， 这部分电 流就叫杂散电 流3 1 地铁作为城市轨道交通的重要工具正在迅速发展，地铁的运行方式多采用直 流 供电 、 直 流电 力 牵引 系 统 ( d c - p o w e r e d t r a n s i t s y s te m ) 和 把 走行 轨作 为电 流回 流 线。 在 列 车 运 行 ( 启 动、 加 速、 匀 速、 滑 行、 减 速、 制 动、 倒 车、 停 止等 ) 过 程中以 及 负 载不同 ( 空 载、 轻 载、 重 载 ) 的 情况 下， 走行 轨 上 会 形 成 大 小差 别 很 大的 工作电 流。 该电流绝大部分能经过走行轨流回到电 源负极，而总有一小部分从轨道与地 面绝缘不良的位置泄漏到地铁道床及周围土壤介质中，形成杂散电 流， 俗称地铁 迷 流 ( m e t r o s t r a y c u r r e n t ) , 杂散电 流 经 过 在 地 下无 规 律流 动， 最 后绝 大部 分 还 会 流 回到电 源供电 系统的负极。当 然也存在极少的 杂散电 流无法流回到直流供电电 源 的负极，而成为真正的迷流。 1 .2地铁杂散电流的危害 一般来说，在城市轨道交通系统的规划设计过程中就意识到了杂散电 流的危 害，因此在走行轨的设计和施工建设中采用了良 好的与地绝缘的措施。 在地铁建 成并投入运营的初期， 走行轨与道床之间的绝缘程度较高，即轨、地过渡电阻值 较大，由 走行轨泄漏到土壤介质中的杂散电 流也较少。但是随着地铁运营年限的 增 加 ( 北 京 地 铁已 经 运营3 0 多 年 ) ， 环境 的 改 变， 绝缘 材 料的 老 化， 轨 道 散 落 物的 堆积，同时由于受到不可避免的污染、 潮湿、 渗水、漏水和机车对道轨的强作用 力等因素的影响，地铁轨道与地面的绝缘程度也会变差， 使轨、地绝缘性能降低 或先期防 护措施失 效(4 ) ， 从而 造成由 走行轨 流入大 地中 的 泄 漏电 流 会增加。 根据 资 料介 绍， 当 杂 散电 流 为1 a时 ， 一 年内 可 腐 蚀3 6 k g 铅、 l l k g 铜 和l o k g 铁。 在 杂散电流干扰比较严重的地区，电流可达几十安培甚至几百安培，壁厚8 - 9 m m 钢管， 快则2 - 3 个月就会穿孔，因 此杂散电 流造成的腐蚀相当严重5 1 。 在直流电 压牵引供电的地铁系统中，实测结果表明，列车在启动和加速运行时流入地下的 杂散电 流值一般要大于1 0 0 a 6 ) 。 又由 于地铁线路长， 周围的 地下金属结构多， 杂 散电流不仅腐蚀地铁主体工程的钢筋混凝土结构和地铁系统内的埋地金属管线， 而且也 腐蚀城市用的 各种公 共金 属管道 ( 埋入 地下的 各 种水、电 、 油、 气管 道等 ) 。 首都师范大学硕士学位论文第一章 问题的提出 在某个区段中一股不太小的杂散电流，可能使车站和区间隧道主体结构中的 钢筋发生电化学腐蚀， 也可能使得与轨道交通系统无关的金属在自 然腐蚀的环境 下又受到电腐蚀的作用，产生很严重的局部腐蚀。如果是金属管道，就会使其韧 性降 低， 脆性增加， 受力时很容易开裂或断裂， 这种腐蚀称为坑状腐蚀或溃疡腐 蚀1 7 1 。久而久之， 可能出 现漏洞， 容留的液体、 气体就会泄露出 来，可能 造成重 大事故;如果是建筑物混凝土中钢筋局部被腐蚀，钢筋就会变粗，从内部对建筑 物施加撑力， 使建筑物整体强度和耐久性大大降 低，甚至会出 现开裂、下沉。 这 样不仅会造成经济上的巨大损失，甚至发生气、油泄露， 酿成灾难性的事故。 杂 散电 流 会 造 成 地 铁 设 施 ( m- 轨、 道床、 地铁附 件等 ) 、 地 铁沿 线的 钢 筋 混 凝 土 结构物以 及埋地管线发生腐蚀，产生严重后果，主要表现在以下四个方面8 1 , ( 1 ) 钢轨及其附 件: 列车下部的车轮及轨道处于阳极区， 容易发生电 腐蚀。 腐蚀部位多发生在道钉钉入处、固定钢轨处、钢轨接头处等等。资料表明，遭 受杂散电流腐蚀的钢轨在隧道内及道岔等部位尤为显著， 在有些地方2 - 3 年就 要更换轨道。 特别是道钉也会造成杂散电流腐蚀，而且多发生在钉入部位， 仅 从暴露面上难以 发 现 1 9 1 ( 2 ) 钢筋混凝土结构物: 杂散电 流流过混凝土时对混凝土本身并不产生影 响，但很容易腐蚀浇注在混凝土中的钢筋。一旦结构物中的钢筋与钢轨有电 接 触，则杂散电 流腐蚀会更严重。资料记载，钢筋混凝土结构承受外力的能力非 常强，而一旦发生腐蚀，腐蚀产物在阳极处大量堆积产生机械胀力而使混凝土 开 裂l i e 。 地铁道床及 主体是钢筋 混凝土结 构， 被深 埋在地下， 而 钢筋被 浇注 在 混凝土中，因此根本无法找到腐蚀的部位，更无法进行更换。只有到混凝土外 表发生变形才能发现，这时也只能做局部维护，大大降低了其整体使用寿命。 ( 3 ) 埋地管 线: 杂散电 流不 仅会对地铁周围 埋地管 线会产生 腐蚀， 而且电 流还可能通过管线的 传递从远方流出，造成流出点被腐蚀。地铁系统内的埋地 管线主要有自 来水、 石油、空气、 蒸汽、 通信等管线， 在系统外则可能有煤气、 石油、自 来水、电缆等公用事业管线。据调查这些管线不同程度地存在被地铁 杂 散电 流 腐蚀的问 题， 有 些 管 线 在 数 年内 甚 至 数 月内 即 发 生点 蚀 【9 .u 1 。 在 早 期 地 铁设计和建设时也没有考虑到杂散电流问题会如此严重。 ()异常 腐蚀: 为了 维修或装卸货物方便， 在 把地 铁道轨引 入修理库、 交 检库及运转库等建筑物时，往往忽视道轨、枕木、道床间的绝缘问题，使钢轨 与建筑物发生某种程度的电连接， 使泄漏电流增大， 产生较强的杂散电流腐蚀， 这种情况也应引起一定的重视。 首都师范大学硕士学位论文 第一章 问题的提出 1 .3 国内 外地铁杂散电 流腐蚀现 状( 主 要研究 北京 地铁) 北京地铁采用7 5 0 v直流牵引 供电 方式1 2 1 ， 国内 外地铁大部分也采用7 5 0 v或 1 5 0 0 v直流牵引供电方式。地铁建设运营初期，地铁建设者们通过国外参观学习 和一定的建设实践，逐渐加深了对杂散电 流腐蚀危害的认识，及时采取了一系列 措施限制和防治地铁杂散电流，还采取了大量实验测量，设置了有效的防护监测 手段，取得了一定的防护效果。通过多年的运营实践，积累了可供以后建造地铁 或轻轨直接使用的预防杂散电 流的经验。随着地铁运营年限的增加，运营环境受 到 不可 避免的 污染( m湿、 废弃物、 渗水、 漏 为、 列车对道 轨的 作用力 等因 素的 影 响，造成轨、地绝缘性能降低，使先期防护措施失效。这样就有大量杂散电 流泄 漏到周围的土壤介质中去，相对于自 然腐蚀，杂散电流在数值上要大几十倍，甚 至上千倍，而且自 然腐蚀的电流是自 发的，腐蚀速度很慢，一般要经过较长时间 的 腐蚀才能 观察到 【 1 3 1 ; 而杂散电 流数值大， 使金属 被腐 蚀的 较快， 经常遭受 杂散 电流腐蚀的管线有时 几个月 便可能 会穿孔2 经过多年的运营，某些区段的 轨地过渡电阻会大幅降低，造成泄露的杂散电 流也大幅增加。对北京地铁一期工程 1 线的木择地至崇文门段的实际测量中， 其 南洞轨地过渡电阻值最大值为7 4 . 1 9. k m ， 而最小值为0 . 1 6 0. k m ， 后者仅是前 者的0 . 2 2 % ;北洞轨地过渡电阻值最大值为7 4 . 1 0 k m ，而最小值为0 . 5 0， k m , 后者仅是前者的 0 . 6 7 % 。二期工程环线比一期工程好些，其中最大值为 5 8 . 9 。 k m ，最小值为0 . 8 4 9 0， k m ，后者也仅是前者的1 . 4 4 %，很显然如此低 的轨 地过渡电 阻必 然会泄 漏很大的 杂散电 流 1 4 3 地铁杂散电流的存在及它的危害性已经引起相关部门的重视。1 9 7 9 年， 北京 地铁科研所进行了大规模的测量调查， 对北京站至古城全线2 2 . 6 k m分段测量了 地 铁主体结构与走行轨之间的电压和电流，确定了轨、地过渡电阻。初测表明:某 些区 段最大泄漏电 流达到 1 7 .6 a 1 5 。 从而深 切认识到杂散电 流确实数 值很大， 危 害程度当然不可忽视。 在项目 进行过程中，观看了北京地铁公司为本项目 拍摄的 现场录像， 我们看到:现在北京地铁的各个区段都安装了杂散电流的 监测装置。 从 现 场 检 查金 属的 腐 蚀 情 况 来 看， 杂散电 流 腐 蚀表 现 形式 往 往 呈 现穿 孔 ( y m 并向深度发展，其腐蚀速度和强度相当普通金属自 然腐蚀速度的 1 0 - 1 0 0倍，可 见杂散电 流对地铁主体钢筋结构、附 近埋地管线和地铁沿线建筑物的危害性还是 相当 大的1 5 1 ，而且大部分损坏是不可修复的。 根据北京地铁公司实测结果，北京 地铁杂散电流的最大值可达2 2 0 a - 3 2 6 a。北京地铁第一期工程投入运营数年后， 其主体结构钢筋发现严重腐蚀，隧道内水管腐蚀穿孔，仅东段部分区段更换穿孔 首都师范大学硕士学位论文 第一章 问题的提出 水管5 4 处 6 1 ， 天 津 也 存 在 水 管 被杂 散电 流 迅 速 蚀穿的 情况 16 1 北京、上海、天津、南京、广州、深圳和香港等国内的地铁均采用直流电力 牵 引 口c - p o w e r e d tr a n s i t s y s t e m ) 的 方 式 1 1 1 。 因 此由 地 铁杂 散 电 流 产生 的 问 题 也 尤 为 突出，如香港曾因地铁杂散电 流引起煤气管道的腐蚀穿孔，而造成煤气泄漏的事 故;北京、天津地铁也存在水管被腐蚀穿孔的情况。 在国外，英国地铁己 有近百 年的历史，由于地铁迷流腐蚀曾使钢筋混凝土发生塌方事故;美国也曾经报道过 由阴极保护系统来的杂散电流曾造成汽油管线漏电点上与之接触的水管腐蚀穿 孔， 而 漏出 的 水 侵蚀了 汽油管线 表面， 使阴 极 保护系统失效 1 1 7 ,1 8 1 。 地 铁杂散电 流 问题已引起了高度的重视，发达国家在该课题上投入了巨大的物力和人力进行研 究，而我们国家在这方面的研究进展处于刚刚起步阶段。 1 .4国内外地铁杂散电流腐蚀防护研究现状 地铁杂散电流的危害已引起国内外的重视，欧美各国、日本的铁路通讯和电 力 部门 的 研究 所及高 等院 校内 均设 置了 专门 机构从事这方面的 研究1 2 , 1 9 ,2 7 1 . 研究 方法基本采用被动的 “ 堵截”和 “ 疏导”方法， 研究内容上主要从 “ 控流”、“ 降 阻”、“ 防流”、“ 排流”、 “ 收流” 和采用高阻抗混凝土防护体系六个方面: 一、控制轨道 作为回流线的轨道) 上流过的电流，即 “ 控流” 法。 二、降低地铁轨道单位长度上的电阻，称之为 “ 降阻”法。 三、对杂散电流作用物加强防护，称之为 “ 防流” 法。 四、为保护金属导体而采取的 直接将导体上的电流排放到道轨而采取的防护 措施，我们在此称之为 “ 排流”法。该方法又可细分为 “ 直接排流法”、 “ 选择 排流法”、 “ 强制排流法”三种。 五、除枕木穿孔固定用的钢筋外，在枕木以下的混凝土整体道床内，应设置 杂散电流收集钢筋网，收集由道轨泄露的杂散电流，称之为 “ 收流” 法。 六、采用高阻抗混凝土防护体系。修筑地铁用的棍凝土通过改变组成、改善 内 部结构来提高它的 绝缘和屏蔽性能， 从而增加阻 抗来抑制杂散电 流 1 9 ,2 0 1 .5 课题的来源、主要研究内容及意义 1 . 5 . 1 课魔的来源 通过对国内外专家研究成果的分析总结，可以 得出:由于地铁走行轨泄漏的 杂散电 流具有分散性和不可预测性，仅从 “ 堵截” 和 “ 疏导” 两个方面着手进行 研究，也就是说采用被动的防治地铁杂散电流的方法，国内外至今还没有找到一 首都师范大学硕士学位论文 第一章 问题的提出 个最终消除地铁杂散电流危害的办法，所以我们还应该在他们研究成果的基础上 做更深入的研究和探索。 导师多年从事对地铁杂散电 流的分析研究，现在又承担北京市自 然科学基金 课题 “ 北京地铁杂散电 流腐蚀防护研究”项目.他还有多年从事电源研究与开发 经验，在导师的指导下，我的课题也是继续进行这方面的研究，探索一种积极有 效的减小或降低地铁杂散电流的方法，为北京市自 然科学基金课题 “ 北京地铁杂 散电流腐蚀防护研究” 项目 及其以 后的研究工作奠定一定的基础。 1 . 5 .2课颐的主要研究内容 学习和研究国内外关于地铁杂散电流和关于电源开发设计的文献，深入了解 地铁杂散电流的形成机理和基本特点，分析由其引起的电化学腐蚀过程和所产生 的危害。制作出切实适合本课题研究的模拟实验装置，利用实验室地铁杂散电流 模拟装置进行实地测量，分析总结出在模拟轨道上因杂散电流泄露大而需要补偿 的区段。 基于实验室地铁杂散电 流模拟装置， 本课题设计出适合模拟装置的补偿电源， 并将该电源加到模拟实验装置上进行测试、实验，分析其补偿效果。为以后进行 程控补偿或设计适合工业使用的电 源提供参考。 1 . 5 . 3课皿的愈义 研究如何有效减小或降低地铁杂散电流，从而减轻地铁杂散电流对道轨、枕 木、 道床、 埋地管线和地铁沿线的地下建筑物的危害具有深刻的理论及实际意义。 研究目 的就是从如何有效减小或降低地铁杂散电流出发，设计出一种能够随时根 据负载电流大小而动态改变输出电 流的、力求使负载两端实际电压近似为零的跟 踪电流源。 因此，通过本课题在实验室条件下的模拟研究，一方面可以减小模拟轨道上 被补偿区段的集中电流，从而有效减小了泄漏到模拟介质中去的杂散电流;另一 方面，由 于模拟负载的端电压近似为零，那么在理论上可以认为模拟电源的供电 电压完全降在了模拟机车上，从而提高了供电功率的利用率，节约了能源。所以 无论从理论角度还是工程实际需要方面考虑，都应当加强在防治地铁杂散电流方 面研究的力度和深度。 其次， 本课题是北京市自 然科学基金课题“ 北京地铁杂散电流腐蚀防护研究” 的一个组成部分。该北京市自 然科学基金课题设计思想具有一定的创造性和前瞻 性，国内外的研究人员很少采用这个思路进行研究。 首都师范大学硕士学位论文 第二章 杂散电 流补偿方案的提出及分析 构性破坏，这种破坏对承受荷载的地铁混凝土主体结构是十分危险的，它会降低 混凝土结构的强度，影响结构的耐久性和承载能力1 3 1 由如图1 所示的地铁直流供电、杂散电流产生和腐蚀点示意图，并结合地铁 杂散电流的产生机理，不难得出:随着地铁运营年限的增加，地铁杂散电流的危 害有不断增加的趋势。如果在 a 点被腐蚀，可能会破坏地铁道轨;b点被腐蚀， 可能会破坏地铁主体的钢筋混凝土结构; c . d 点被腐蚀， 可能会造成管道中的油、 液、气的泄露，严重时可能会造成灾难。 2 . 2国内外防治杂散电流研究状况及不足 2 .2 . 1 影晌杂散电 流大小的因素 研究表明，地铁杂散电流的产生、大小、分布与以下几个因素有关: ( 1 ) 地 铁 轨 地 过 渡电 阻 值. 走行 轨与 地 之间 的 过 渡电 阻 越小， 它 们 之间 的 泄 漏点 越 多，地铁杂散电流越容易产生，而且数俏裁大，危害也就越大. ( 2 ) 走行 轨阻 抗的 大小。 钢制的 走行 轨本 身的 阻 抗 越 大， 地铁 杂 散电 流 就 越大。 ( 3 ) 机车 运 行的 牵引电 流大 小。 机车的 牵引电 流 越 大 ( 列 车在 启 动、 加 速和 超负 荷 运行时， 瞬间 牵引电 流达到 上千安培 ) ， 地铁杂散电 流 也会越大。 () 供电 区 间的 距离. 地 铁列车的 位置 通过走行轨连接到电 源负极的 距离 越远， 地 铁杂散电流产生的范围就越大，数值相应也越大. ( 5 ) 土 壤 情况。 土 壤 越潮 湿， 流 入 土 壤中 的 杂 散电 流 与 走行 轨 上流 过电 流的比 例 就 越大， 此外杂散电 流的 产生与土 壤的 酸碱度、 细 菌情况 等也有一定 关 系2 1 1 其中 轨 地过 渡电 阻 及走行轨阻 抗是 影响 杂散电 流最重要的 两个因 素 2 2 现在 防治地铁杂散电流也主要采用一些被动的防治方法，从其产生、泄露部位和危害 对象等方面有针对性的进行研究，尽量减小或降低地铁杂散电流的危害。 2 . 2 .2国内外防治杂散电流研究状况 地铁杂散电流对地铁道轨、道床、埋地管线、地铁沿线的建筑物影响已 经引 起国外相关研究机构的重视，欧美各国、日 本的铁路通讯和电力部门的研究所及 高等院 校内 均设置了 专门 机构从事这方面的 研究 1 2 ,1 9 ,z n 。 研究方法基本采用被动 的“ 堵截” 和 “ 疏导”方法，内容上来说主要从 “ 控流” 、 “ 降阻” 、 “ 防流” 、 “ 排 流” 、 “ 收流”和采用高阻抗混凝土防护体系六个方面着手: 首都师范大学硕士学位论文 第二章 杂散电 流补偿方案的提出及分析 绝对不能相连，各个焊接点要牢固可靠。在道床内 和牵引变电所车站的下面都要 铺设杂散电流收集网，变电 所下面收集网的纵横钢筋密度要比 铺设在道床下面的 钢筋密度大得多， 并在收集网上设置排流接线端子， 排流端子设在区间隧道内 测， 目的 在于收集由 走行轨泄漏的杂散电流， 并由此将杂散电 流排回到供电 所的负极. 防 止地铁杂散电 流流向 区间 隧 道混凝土结构中的 钢筋或其它金属导体 1 6 六、采用高阻抗混凝土防护体系。杂散电流存在是发生电化学腐蚀的条件， 但要产生杂散电流也必须要满足两个条件:一个是对地电压的存在;另一个是大 地电阻的存在。根据欧姆定律:电 流与电压成正比，而与电阻成反比。前面己 经 论述如何减小对地电 压而减小杂散电流，现在来说明如何增加大地电阻而减小杂 散电流。采用的方法是对修筑地铁的混凝土通过改变其组成、改善其内部结构来 提高它的绝缘和屏蔽性能，从混凝土材料本身来预防控制杂散电流。可以通过提 高混凝土材料的复阻抗来削弱杂散电流腐蚀。 提高材料的阻抗模， 不但可以降低 杂散电 流腐蚀，就是对于一般的 钢筋锈蚀也能起到很好的抑制作用。 在粉煤灰混 凝土的基础上研制了由 矿粉和胶乳组成的复合高效阻抗剂，它可以 极大地提高混 凝土的阻抗模 1 9 .x ，从而有效地抑制地铁工程中的杂散电 流， 进而减小杂散电流 对道轨、道床、地铁沿线建筑物和埋地金属管线的腐蚀和侵害。 通过对国内 外专家研究成果在 “ 控流” 、 “ 降阻” 、 “ 防流” 、 “ 排流” 、 “ 收流” 和采用高阻抗混凝土防护体系六个方面防治杂散电流方法的分析总结， 可以得出: 由于地铁走行轨泄漏的杂散电流具有分散性和不可预测性，无论采用哪一种方法 或那几种方法都是被动的防治方法，无法从根本上消除地铁杂散电流，也就无法 消除地铁杂散电 流危害。也就是说仅从被动的 “ 堵截”和 “ 疏导”两个方面着手 研究，国内外至今还没有找到一个最终消除杂散电流危害的办法。 所以我们还应 该在他们研究成果的基础上做更深入的 研究，在实验室条件下寻找并提出一种积 极有效的防治地铁杂散电流的方法 反向电流补偿法。实验室研究并设计出一 种能够随时根据负载电流大小而动态改变输出电 流的、力求使负载两端实际电压 近似为零的跟踪电流源，以最终达到有效减小地铁杂散电流的目的。 2 . 3 杂散电流防治新方案 一种积极有效的防治地铁杂散电 流方法 上文分析了国内外在地铁杂散电流防治方面的研究历史、进展和现状，总结 了目 前采用的防抬方法和防护措施，并分析它们的优点和不足。根据地铁杂散电 流检测系统在地铁模拟装置上检测出来的杂散电流泄露情况，找出因杂散电流泄 露 太大 而 需 要 对 其 进 行 防治 补 偿的 区 段 ( 如图4 中 的c . d 之间 ) 。 根 据我 们的 实 验 室模拟实验和研究分析，提出一种积极有效的防治地铁杂散电流的新方案，该方 首都师范大学硕士学位论文第二章 杂般电流补偿方案的提出 及分析 案的原理:如图4电流源补偿原理框图，根据原理做出实际的模拟装置及补偿电 源，并在实验室环境下测试其补偿效果. 图咯电 流源补偿 原理框图 2 .3 . 1接触性电位差的存在 由 于 地 铁 走 行 轨固 有的电 阻 ( r a b ) 和回 流电 流 ( i a b ) 的 存 在， 根 据欧 姆定 律， 在 a , b 之间 就有接触性电位差u a b 存在， 这里所说的接触， 主要是指道轨和枕木、 道床之间接触。 由 于u a b 的 存在， 就相当 于a . b之间对大地外加了一个电 压源， 因 此u a b 与 大 地 ( 负 旬就 构 成了 回 路， 就有电 流 经 过大 地 在a . b 之间 流 动， 我 们 就把经过大地的电 流称为杂散电流。而且根据电路原理， 杂散电 流的大小和泄露 情况 主 要由u a b 决 定 匹铁 建成以 后， 凡基本 不 再 变化 ) ， 所以 设 法降 低u a b 成 为 我们课题的关键，也就是说我们的目 标就是降低a . b之间的电压。 2 . 3 .2补偿点的选取 由于道轨、枕木和道床的接触， 及接触电 压ub 的存在，再加上地铁常年运 营， 在道轨的下面难免会造成一系列的泄露点a , b , c , d - 二 ， 通过对实验室地 铁杂散电 流检测系统测试出的数据进行分析，找出因泄露大而需补偿的区段m 如上图4 电 流源补偿原理框图 所示， 需要补偿的区段c d一般选在取样区段 a b内，反之，不但起不到补偿的效果。 还可能造成更大的杂散电流泄露。 首都师范大学硕士学位论文第二章 杂散电流补偿方案的提出及分析 2 . 3 . 3 减小接触性电位差的手段及意义 根据对地铁杂散电流回路的分析， 对于区段a b ， 为了降低u a b ， 又由于道轨 电 阻 ( r a s ) 基 本恒 定， 地铁 施工 投 产 后 就 无法 再 继续 降 低， 根 据欧 姆定 律 ( u a b = r a b x i a b ) ， 所以 我 们将要采取的 手 段就是设 法减少i a b 。 经过研究分析发 现: 在 轨道 上需要补偿的区段a b加一个与i a b 大小近似、方向 相反的i b a ，在理论上可以达 到减小】 a b 的目的。 i a b 减小，而r a b 不变，所以 相应的u a b 就减小。对杂散电流 回 路 来 讲，电 源电 压u a b 的 减 小， 大 地电 阻 扭 。 瑛本不 变， 泄 露到 地 下去 的 杂散 电 流( i a b ) 就会相应减小。 经检测，区段a b之间可能都有泄露，但因泄露的大小、危害程度不同，因 而并不需要对整个区段a b都进行补偿，应该选取泄露电 流大、危害范围大、程 度严重而真正需要补偿的区段c d进行补偿。 有效的减小了区段c d上的骊 ， 一方面可以使u a b 得到有效的减小， 泄露到 地下的杂散电流就会相应减少，从而可以有效降低地铁杂散电流对道轨、道床、 埋地管线和地下建筑物的破坏;另一方面，由于变电所提供的供电电压u基本不 变， u a b 降 低， 根 据电 路 原 理， 加 在 机车 上的电 压 就 会相 应的 增 加 l “w 理 想 状 况 下， 相当 于 变电 所 所提 供的u . i 全部 加 在了 机 车 上 ) ， 这 样 还可以 提高 供电 所 提 供的 功率( p = u x d 的利用率， 节约了能 源。 通过以上分析得出:减小地铁杂散电流的危害，从两方面解决，一方面是尽 力减小接触性电位差:通过降低走行轨电阻、用电 流源补偿的方法减小走行轨上 的回流电流等方法实现;另一方面是减少由于接触性电 位差而产生的杂散电流: 可以通过提高混凝土电阻、提高轨地过渡电阻等方法实现，但是投产运营后，就 很难再对其进行改变了。所以我们的总体开发设计思路是:以尽量减小杂散电流 为目 标， 通过实验室模拟研究，设计出 一种能够随时根据被补偿区段电流大小而 动 态改 变 输出电 流 的 灌被 补偿的 区 段 上流 过的 集中电 流 近 似为 匆、 力 求 使 被 补 偿 的区段两端电压近似为零的跟踪电流源。 首都师范大学硕士学位论文 第三章 实验室地铁杂散电流棋拟装里及电 流源补偿装置的设计 方案一比 较符合项目 研究的实际，而且具有很强的可操作性， 便于在实验中 操作实施，为最优方案。 方案二考虑的情况太复杂，不利于实施，而且没有抓住待研究问题的关键。 方案三也是一种比较好的设计方案， r r r r ，而且模拟轨道总电阻增加 很多，因此模拟轨道上回流的电流非常小，为了检测出模拟轨道下面各泄露点杂 散电流泄露情况，就需要比 较高的供电电压.因此，采集到的信号太小还需要再 放大，才能作为控制信号控制遥控电流源的输出，增加了实验的复杂性和成本。 通过对以上三种方案的对比分析，方案一为实施本项目的最优方案。 3 . 3 地铁杂散电 流泄润环境的模拟 3 . 3 . 1 可模拟性分析 地 铁走 行 轨 ( 道 轨 ) 通过 绝 缘 紧固 件固 定 在 枕 木 上， 枕 木 对 道 轨 起支 撑作 用， 并 将道轨及机车压力传递到道床。由图5 所示，在枕木之下是道床，其通常是由 碎 石铺设而成，之下便是由 钢筋棍凝土修筑而成的路基，路基的下面还铺设有地铁 杂散电流收集网。随着地铁运营年限的增加，地铁运营环境难免发生一些变化， 比 如: 绝缘材料 t it轨与 枕 木之间的 绝缘钩的 老化， 道床上难免沉积一些废弃 物， 不可避免的渗水、漏水、潮湿、污染和机车对道轨的作用力等因素严重影响轨道 与枕木、枕木与道床、道床与路基之间的绝缘性能，导致道轨、枕木、道床、路 基等物体的绝缘性能变差，使先期的防护措施失效。最终导致轨地过渡电阻值的 下降，使杂散电流很容易向道床、主体结构中的钢筋泄漏，再通过潮湿的土壤流 向地铁周边的金属管线及地铁沿线混凝土结构的钢筋，并对其产生严重的腐蚀。 在实验室中模拟地铁杂散电流产生、泄露点及流动路径的主要目 的是为了 论 证:地铁轨道进行分段电 流补偿对防治地铁杂散电流是有效的。所以设计模拟装 置只要能够满足模拟轨道在模拟供电 情况下产生可检测的杂散电流。 通过对比补 偿前后的泄露情况，即可检验补偿的有效性。 在实验室条件下，建造地铁机车、 道轨、 枕木、道床来模拟实际的道轨、枕 木、道床，对本项目 的研究意义不太大，而且实验成本相对大很多。因此必须对 地铁杂散电流的存在环境进行简化，具体做法是在一个塑料或有机玻璃制作的容 器内 ， 充 填一 些 具 有 导电 性的 介 质 ( 土 壤 或 水 ) 来 模 拟。 总之，虽然地铁杂散电 流存在环境非常复杂，但是通过以上分析可以得出结 论:地铁杂散电流的存在环境是可以实验室模拟的。 首都师范大学硕士学位论文 第三章 实验室地铁杂散电 流模拟装置及电 流源补偿装里的 设计 3 . 3 .2 介质的选择 1 、对采用一定类型的土坡作为导电介质方案的分析 土壤的导电 性主要与土壤电阻率有关， 但是土壤电阻率主要受土壤的含水量、 含盐量、土壤质地、环境温度及细菌微生物多少等影响。土壤含盐量增加，使作 为电介质的土壤导电性增强，电阻率下降。添加食盐，对于不同的土壤其产生的 效果也不同，如分别在砂质粘土、砂土、砂中加入等量食盐后，砂质粘土的电阻 率可减小1 / 3 - - 1 / 2 , 砂土的电阻率减小3 / 5 - 3 / 4 ， 砂的电阻率减小7 / 9 7 / 8 ; 对于 多岩土壤，用 1 %食盐溶液浸渍后，其导电率可增加7 0 %。 土壤中水含量对土壤 电 阻率影响很大，土壤湿度是决定土壤导电 情况的另一个重要标志2 1 1 ， 较为千燥 的土壤导电性很差，通常需要很长时间才能形成宏电池环境， 产生在现有实验条 件下可检测到的杂散电 流。 所以 采用干燥土壤的可行性不大， 如实验要采用土壤， 则必须增加其含水量。至于温度、细菌微生物，由于实验室条件的限制，我们在 设计过程中没有作过多的考虑. 采 用土 壤 作为 实 验室 地 铁 杂 散电 流的 存 在环 境， 首 先 要 选 择土 壤的 质 地 w质 粘 土、 砂 土、 砂 ) ， 其次 必 须 要 增 加 其湿 度， 在实 验 效 果 不 理 想时， 甚 至 加入 食盐， 这样才能创造较好的杂散电流存在环境。但是加入食盐后的土壤会出现板结、盐 分沉淀等问 题，实验室中 要做杂散电流检测实验和腐蚀危害程度实验，不但需要 的时间长，而且还需要反复实验研究，在这种情况下，保持相对稳定的土壤湿度 和盐分在土壤介质中的均匀分布存在很大难度，同样也给实验条件的保持、 还原 等带来了困难，所以土壤介质在本实验中不宜采用。 2 、对采用一定浓度的盐溶液作为导电 介质方案的分析 土壤介质不宜采用，在项目 实施过程中，我们设计用一定浓度盐溶液模拟地 铁杂散电流的存在环境。实验中， 用精密万用表的 “ 0档” 对不同浓度的盐溶液 ( n a c l 溶液) 进行了粗测，发现其电阻的大小与溶液浓度、 探头大小、 探头之间的 距离、 水的 流动速度、温度有密切关系。即:在探头之间 距离、 接触面积一定的 情况下， 溶液浓度越大， 其电 阻值越小;在溶液浓度、探头之间距离一定的情况 下，探头接触面积越大，其电阻值越小:在溶液浓度、探头接触面积一定的 情况 下， 探头之间距离越大， 其电 阻值越大。另外，项目 实施过程中尽量使溶液保持 稳定并在室温下进行，以 排除溶液流动、温度变化对测量结果产生干扰。 通 过以 上 分 析 ， 我 们 用 食 盐 溶 液 滩度1 % ) 模 拟 地 铁 杂 散电 流 模 拟 装 置中 杂 散 电 流的存在环境，消除了 利用土壤作为杂散电流传输介质的缺点， 有利于反复进 行杂散电流检测和实验研究，在实际实验中也取得了良 好的效果。 首都师范大学硕士学位论文第三童 实脸室 地铁杂散电 流模拟装置及电流源补偿装置的设计 3 . 4地铁杂散电流模拟装1及电源补偿装1的设计与分析 3 . 4 . 1 杂散电流模拟装且的设计 实际设计的地铁杂散电 流模拟装置如图7 所示。 5 - 2 0 v的直流供电电压由直 流稳压稳流电 源wy k -3 0 3 b 2 提供， 正极接模拟道轨的一端，负极接模拟道轨的 另一端。 模拟轨地过渡电阻的铜丝插入模拟介质中，玻璃或塑料器皿内盛有适量 的n a c l 溶液 ( 浓度1 9 /. ) ， 同时 在溶液中 散落 着一 些铁块和金属管道。 图7 实 验室 地铁杂 散电 流模拟装t 3 . 4 . 2 模拟装i ff 地铁杂散电流补偿装it的设计 图 8实 验 室地铁杂 散电 游 卜 偿 装置 根据实验室地铁杂散电流模拟装置及电 源补偿原理的分析，设计了 如图8 地 铁 杂 散电 流 模 拟装 置的电 源 补 偿 装 置 ( 主 要 补 偿泄 露 相对比 较大 的 区 间 ) ， 通 过 检 测 系统检测出需要补偿的区间c - d ， 把采集到的区段a - b之间电压信号， 通过隔 离放大器去控制遥控电流源的输出电 流 i ， 其输出 加在因泄露太大而需要补偿的 区间c - d ，并调节i ，尽量使其与模拟轨道电流i 的大小基本相等、方向相反。 首都师范大学硕士学位论文第三章 实验室地铁杂散电 流模拟装里及电 流源补偿装置的设计 3 . 4 .3实验室地铁杂散电流模拟装里的等效电路及杂散电流的计