（通信与信息系统专业论文）模拟地铁杂散电流自动监测系统中电流测量技术手段研究.pdf

摘要 象散毫流对趣铁竭舞魏缝逮金羼管道、逶诿彀缆终盎竣及恁铁 主体结构镶笳等发生电纯学腐锤，产生严重盼趣密。器蘸嚣内外 对地铁杂散电流防护措施多采用被动的防护措施，尽管有些城市 她铁实现了杂敬龟滚豹实对煎测，势煞有针对蛙避行人工沿毽， 憾霹藏还不熊实现有效翁鑫羲篮控势防治，饪餐采取积稷主渤豹 防护措施，从根源上来消除杂散电流的产生，在j | 鑫测系统和自动 防治上找到好的契合点，是一个涉及电子、自动测试、电防护领 域豹重大潆题。 本文介绍了地铁杂散电流产生的枫理、危害以凝目前所采用的 防护手段，提出了对她铁效散电流实行自动监控电源补偿的防治方 案；奔缨t 实验室模援楚镞杂散毫藏戆淫搂墼翡莰诗霉实褒过耧， 穗对电流测璧筝段进行分析的基础上，详细的说明了其电流自动监 测蒜统的检测电路设计和绺数选择过程；简要的介纲了监测系统的 诗藓穰运孬界嚣；莠黠杂散瞧滚摸掇隳潍窝实验缝采避行了译缨翁 分孝筇。 通过系统调试和实验结果分析，证嘲该物理模型较好的模拟了 实驻地铁杂教魄流豹情况，其塞动篮测系统孛捡溺魄路麴设嚣癸现 了在线鉴瓣，系统箕存良姆静线性度帮稳定莛，麓够瀵足耩硬褥要， 为日后探讨自动监控电源补偿防治方寨的有效性搬供了实验基础 和科研依据。 关键词地铁淤散电流 自动监测系缆模拟地铁装置 电流梭溅 a b s t r a c t m e t r os t r a yc u r r e n tc a u s e ss e r i o u se l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o ni nm e t a l p i p e l i n e s ，c o m m u u i c a t i o nc a b l ee p i d e r m i sa n dr e b a r s i nc o n c r e t em a i n s t r u c t u r eb u r i e du n d e r g r o u n dn e a r b ym e t r o ，n o wt h ep r o t e c t i o nm e t h o d s o f m e t r os t r a yc u r r e n ta d o p t e di no u rc o u n t r yo ra b r o a da l ea l m o s tp a s s i v e t h o u g h t h e m o n i t o r i n gs y s t e m s o fm e t r o s t r a y c u r r e n ta n da r t if i c i a l p r o t e c t i o nw o r kh a v eb e e nu s e da n d d o n ei nm a n y c i t i e s ，t h ee f f i c i e n ta n d a u t o m a t i cp r o t e c t i o nm e t h o dh a sn o tb e e nf o u n d ，h o wt oa d o p ta c t i v ea n d e f f e c t i v e p r o t e c t i o n m e t h o do fm e t r o s t r a yc u r r e n t ，t o e l i m i n a t et h e r e s o u r c eo fi t sg e n e r a t i o na n df i n dg o o dc o a l i t i o nb e t w e e n m o n i t o r i n ga n d a u t o - p r o t e c t i n gi sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hp r o b l e m i n v o l v e di nt h er e s e a r c h a r e a so fe l e c t r o n i c s ，a u t o - t e s t i n gs y s t e ma n de l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o n p r o t e c t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s ma n d d a m a g e so f m e t r os t r a yc u r r e n t ，a n dt h ep r o t e c t i o nm e t h o d sn o v v a d o p t e di nm e t r o 。 t h e nan e wp r o t e c t i o np r o je c ti s e x p o u n d e d ，w h i c hc a np r o t e c tm e t r o s t r a yc u r r e n tb ym e n - i so fm o n i t o r i n ga n da u t o “c o m p e n s a t i n gw i t hp o w e r s u p p l y t h ep r o c e s s o fd e s i g na n dr e a l i z a t i o no fm e t r o m o d e l i n g i n l a b o r a t o r yi s a l s oi n t r o d u c e di n p a r t i c u l a r l y b a s e d o na n a l y z i n gt h e m e t h o d so fc u r r e n t t e s t i n g ，t h i sp a p e re x p l i c a t e st h ed e s i g na n dp a r a m e t e r o p t i o np r o c e s so ft e s t i n gc i r c u i ti nm o d e l sc u r r e n ta u t o - t e s t i n gs y s t e m 。 t h ec o m p u t e ru s e ri n t e r f a c ei sa l s os u m m a r i z e d i nt h ee n do ft h i sp a p e r ， ad e t a i la n a l y s i so ft h em e t r os t r a yc u r r e n tc o n d i t i o ni n p h y s i c a lm e t r o m o d e la n d e x p e r i m e n td a t ai s g i v e n 。 t h r o u g l ld e b u g g i n gt h i ss y s t e ma n da n a l y z i n gt h ed a t a ，e x p e r i m e n t s h a v ep r o v e dt h a tt h i sp h y s i c a lm o d e lh a sr e f l e c t e dt h ec u r r e n td i s t r i b u t i o n i nt h em e t r or a i l ，a n dt h ed e s i g no ft e s t i n gc i r c u i ti n i 抟a u t o t e s t i n g s y s t e mh a sr e a l i z e dt h ec u r r e n tt e s t i n gt i m e l ya n de f f i c i e n t l y a n dt h i s s y s t e m sl i n e a r i t ya n ds t a b i l i t ya r ev e r yg o o d s oi tc a l ls a t i s f yt h en e e do f r e s e a r c hw o r k ，w h i c hw o u l d p r o v i d e t h ee x p e r i m e n tb a s i sa n dd a t af o rt h e r e s e a r c ho f a t t e s t i n g t h e e f f i c i e n c y o ft h e m o n i t o r i n g a n d i l a u t o c o m p e n s a t i n gp r o j e c ti nt h ef u r t h e r k e yw o r d s ：m e t r o ；s t r a yc u r r e n t ；a u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e m ；m e t r op h y s i c a l m o d e l ；c u r r e n tt e s t i n g i i i 首都师范大学硕士学位沧文 第一辩引言 第一睾孳| 言 1 1 什么是地铁杂散电流“ 利用直流供电牵引驱动机车的轨道交通系统，大多数采用走行轨道作 为回流通路，城市轨道交通( 包括地铁和轻轨) 就是采用这种形式。在列 率运行( 簿止、启动、鸯曩遮、减速、匀遮、潺行、割韵、攮车等) 遵程中 以及负载不弼情况下( 空载、轻载、黧载) ，走行轨上会形成太小麓别极 大的工作电流。该电流除了在敷设在地丽的轨道上流幼以外，总有一部分 扶辘遂与遗熬绝缘不莛斡搜鬟渣漏到遴藤及羼围土壤分矮孛，形残杂数电 流，俗称地铁迷流( m e t r os t r a yc u r r e n t ) ，杂散电流在地下流动，最后还 会回到电源供电系统的负极。 1 2 地铁杂散电流的危害 严格说米，必了减小杂教毫流，城啦辘道交通系绞戆走行辕在设计察 藏王中采用了馥好的与逸绝缘措施。程遮铁建成并投入运营的初期，走行 轨与道床之问的绝缘程度较高，即轨、地过渡电阻值较大，由走行轨泄漏到 土壤余质中的迷流也较少。毽是随着地铁运营时闯的搬移鄢境斡改变， 缝缘耪辩魏老纯，鞔道教落物的堆积，受翻不可避免豹污染、潮澄、渗水、 漏水和高地威力作用等因素的影响轨道与地面的绝缘程度也会变麓，使地 铁车站以及区间隧道中的孰、地绝缘性熊降低或先鬏防护措施失效f n 。在 蘩个嚣莰静一羧不太小豹汆敬毫流，不仅珂熊使车站翱区闻隧道主钵结构 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猩自然 腐蚀的环境下又受到电腐蚀的作用，如聚是金属管道，就会在腐蚀点处变 薄，久瑟久完，可爱窭瑗灏濑，容瞽懿液体、气俸就会渣露窭来，掰能造 成重大事故；如果是建筑物的钢筋局部被腐蚀，建筑物熬体强度就会降低， 蕻至会出现开裂、下沉、甚至更严重的攀敞。 杂数毫滚会雩i 起遮铁设施、建铁瓣熹夔兹镶荔瀑凝结耩穆戳及淫遣 褥线发生腐蚀，产生严重精果，主要表现在以下四个方面【3 】： 1 蔓塑塑蔓壅登堡主兰竺婆苎 篁二皇翌曼。 ( 1 )钢轨敷其附件：在列车下部，列车处于阳极隧，容易发生电 锤。资辩袭蛲，锈羲躺杂散龟滚囊缝在隧道蠹及遵愈等鼙霞茏灸 显著，在榭照地方2 3 年就要更换轨道。道钉也有杂散电流腐 蚀，而且多发生在钉入部位，从暴嚣顾上难以发现。 ( 2 )锶黪混凝缮搀翳：杂散邀滚遴过滠凝辩对漫凝本襄并 不产生影响，僵浇注在混凝土内部拘钢筋很容易缴生腐蚀。如聚 结构物中的钢筋与钢轨肖电接触，则杂散电流腐蚀会更严重。地 铁建筑戆静主体是潺凝，被深建程蟪下，镪簸又隐藏奁潼凝主 中，函沈根本无法我到瓣蚀韵部位，极无法进行鬻换。 ( 3 )埋地管线：杂散电流对埋地管线会产生腐蚀。地铁系统内的 理邈管线主要鸯自来水管、虿演管线、蒸汽簦线等，在系统姊掰 可携有煤气管线、石滴管线、垂亲农餐线等公用攀她管线以及各 种电缆管掷。据调查这热管线不同程廉地存在被杂散电流腐蚀的 离题，有些铁管数年蠹鏊至数蔗蠹鼯发生点链。在设诗耧建设媲 铁是毅寄考虑既薅题会产生极严重的嚣巢豹。 ( 4 )异常腐触：在把线路引入修理库、交检库及遮转库等建筑物 黩，翅绝缘楚工不嶷霹健钢辘与建筑貔发生菜静程度懿电连接， 获两使浚满奄流增大，产生较强熬杂散电瀛瘸镪。恻翔，设绝缘 电阻降到o 1q ，钢轨电服的一昼夜平均值为+ 5 v ，则有平均5 0 a 蛉电滚演出，撮据f a r a d a y 电解第一建律坌= m a t ( 祥翌附录) 推算鑫静絷数龟流寤镳爨为每年4 s o k g ，这耱特凝波尽量避尧。 1 。3 北京及因虑终地铁杂散电流腐蚀现状 d b 京地铁采用7 5 0 v 直流举碍f 供电方式1 4 j ，地铁建设遥黼初期，也在炭 践中避渐力珏深了对焱教电流腐蚀燕害豹认识，及时采取7 一系刭对她锬 杂教秀滚熬骧裁帮骧护豢藏，避行了杂数彀流灏大量实验测量，设置了 有效的防护监测，鞭得了一定的效果。但是随着地铁运营时间的推移。地 铁运黼环境受到不盯避免的污染、滏湿、渗水、漏水和离蟪应力作用等 霾索靛嚣穗哥蕤搜蟪铁车站浚获嚣海隧遭串酶辘、建绝缘镶麓薄羝或凳 期防护措施失效。邀样就有大鼹杂散电流泄漏剁周围的土壤介质中去， 2 营帮辨撼大学醺士掌毽豫文 繁一章萼 翥 鞠辫于囊然蕊蠛，逮滚在数蕊上要浇翅然潇蚀熬龟漉大咒十倍，甚登上予 倍，而鼹自然膦蚀的电流是自救的，自然腐蚀的速度进行很慢，一般是缀过 一浚较长对瓣熟黎强方爱或浆嚣囊g 邃滚瀣予鼗蓬大，搜爱嚣茨生熬褒镶 较快，经常遭鼹迷流腐蚀的管线几个月德可能会穿t l f ：“。 铡魏l g 豪撼铁一麓工糕 线孛实灏本襻娥至崇文辩段，箕慝演较、涟 过渡趣隧蓬最磷为7 4 1q 溉，蕊最低魏o 。1 6 q 蛾螽蠢仪楚翦嚣瓣o 。2 2 ； l e 溺虢、逮过渡魄隧馕最藤为n 1q 黼，两蠛低瓷0 5 翁臁，蓐嚣莰怒嚣者 的0 6 7 。二粥工程球线较一期工程芟j ：姥，其中最高赋段为5 8 9 q k m ，最 低联羧凳0 , 8 4 9 好蕊，鼓者仅怒兹者鹣 。4 4 ，禳显然魏忿鬣翁过渡遣辍嚣 羧必然会渣潺缀丈靛聚散彀瀛湖。 为了证明地铁的确存在熊害性很大的杂散电流，1 9 7 9 年，北京触铁 辩疆蕊避孬了大瓣模黧潮薰键粪，对塞邈至砉鞍垒拨2 2 6 k m 分莰泌燮 了她锾主体结糠与走霄辘之阉驰电匿辩呶流，扶而确淹了轨、地过渡电 激，菜婆嚣簸璐麦溪灏邀滚遮戳1 7 6 a , 获爨撮率瓣缀计瀚方法，报攒法 挝第电瓣定律q = k a t 计算，垒年金塌腐蚀的损失量这列2 3 6 7 k g 。 获疆錾袋璐缝壹金震藏媾镳谤嚣采卷，条教毫流鬻镀表瑷缮式缓霞 塑砜穿孔并向深度发雕，其腐蚀速度和强度棚当普遇娆属自然腐蚀避度 赘1 0 1 0 0 嵇，霹瑟露羧宅滚辩逮簸未侮镶蕊络褥，黔遥埋蟪警绫瓣露 害经逶是耀姿大戆阐。穰撂l 象地铗公甓实灏结采粥，j e 痕蟪镀迷瀛虢袋 大傻霹达2 2 0 a 一3 2 6 a 。翡潦谶铁第一瓣工糕投天运帮数年藏，其主体结 构锶翁发理严爨腐蚀，隧道幽水管薅蚀穿魏，仪寒段郝分驻段燮换穿张求 管5 毒憝薅。 潮疼恕塞、爱津、海、广嫂秘誊溅撒铁均袋煺塞流瞧力零譬l ( d c - p o w e r e d t r a n s i t s y s t e m ) 篚j 方式嘎出地铁杂散电流产生的阀题也梵毙 突凌，懿香港餐灏筵魏迷流孳 越豢管遵翡毖疆雾藐，褥逡藏藻气溪灞黪 事故【踟。天津嫩铁也存：黻着水瞥被迷流迅遮蚀穿的情况吼在国外，如日冰、 荚瀚、滚蓍、豢犬囊、荚莺、靛拿大巍镄爹戆等翼魏撼镶煎存在建魏遮 滚蕊旗戆闫斟7 一。 1 4 谍题的激源鼍主要研究内饔 。毒， 镖嚣窳漾 3 首都师范 学硕士学位论文 第一章引富 在我国，地铁作为城市重要的交通工具正得到迅速发腿。除北京、上 海、褡港、天涛霸广嫂建铁b 投入运营磬，秘葭深囊、寄避、南熹逡铁迄 正在规划之中 l l l 。由于地铁怒种复杂的地下工程，其结构在施工完成艏 己定缎。经若干年运营后，要对主体结构因迷流腐蚀而进行更换或翻修则 是十分艰难酶。蜷镶杂数电流对懑嚣土壤奔质孛静堙建蛰线，金震堙媳 物也存在极大的畿金威胁，所l ：土，减少杂散电流对金属腐蚀的影响及采 用台理的措施来减小杂散电流，对其进行有效防治一直媳地铁电腐蚀防 护领域重要匏磁究深霪。 本课题是氍攀永剐副教授为项目负责人钓北京市富然科学基金颁鞫 北京地铁杂散电流腐蚀防护研究( 项目母：3 0 3 2 0 0 9 ) 的一个子课越。 该鑫然辩学基金顼嚣静研究内容是在实验室镬佟个摸毅蟪铁直流镤邀 环蕊静装置，剩爝媲铁豹物理实验室模型，进行杂散电流情况的实时髓 铡，利用特殊功能开关电源对模拟轨道分区谶行电源补偿，从根源上掷 卷l 杂散毫滚的产生，薨讨论其工程防护方寨熟有效经。 1 ，4 2 本谋题矫究离容 本课题是该自然科学基金项目的一部分，虫要研究内密包括：地铁及 其运符融杂毅奄流燎况熬摸撼装鬟设计窝实现；实验室摸掾媲铁装萋杂散 电流自动检灏系统斡检溅宅路设计；杂散毫流情况模掇和分橱。为西磊滋 行程控开关电源补偿研究提供熨瓣基础和依据。 4 首都师范大学硕士学位论文第二章地壁爨散电逦皇塑! ! 堡堕塑查塞塑坌塑 第二章地铁杂散电流电源补偿防治方案的分析 2 1 地铁供电系统及杂散电流的产生机理”1 供电轨 。! 围i 地铁直流供电系统厦杂散电流的产生 图l 为直流牵引供电方式下轨道交通车辆( 地下铁道) 电流示意图。 供电系统为高压直流电( d c 7 5 0 v d c l 5 0 0 v ) ，供电轨接直流电源的正极， 走行轨接直流电源的负极。设定电力机车的牵引电流为，如果走行轨与 地之间绝缘良好，则全部电流应该流过走行轨；实际上走行轨与地之间存 在多个电流泄漏点，形成如图所示的杂散电流，“、，”等，真正流过走 行轨的电流只为，从图中可以看出，由于迷流没有规律，因此走行轨上 不同部位的回流，是不相同的。通过各个泄漏点泄漏出来与流回的杂散电 流是没有规律的，即形成杂乱的迷流，如果迷流，“、，”流过区域有金 属物体，则电流就会通过金属，每一股流过金属物体的迷流会在金属的表 面形成一个电流流入点和一个电流流出点，其中金属物表面电流流出点直 接接触到土壤，潮湿且呈现酸性或碱性的土壤充当了电解质，于是电流流 出点处的金属就会被电离形成氧化物或盐类，金属物就会被逐渐电解腐 蚀，变成氧化物或盐类。久而久之，金属管线就会在腐蚀点穿孔，开裂， 减少其使用寿命，甚至造成灾害。 2 2 直流牵引地铁系统中杂散电流简化电路及等效分析。” 为使研究的问题简化，将地铁区间列车运行状况简化为如图2 所示的 等效直流电路，并且做以下几点假设： 首都师范大学硕士学位论文第二章地铁杂散电流电源补偿防治方案的分析 圈2 杂散电流等效电路图 ( 1 )走行轨的纵向电阻是均匀分布的； ( 2 )轨道对地的过渡电阻和土壤电阻也是均匀分布的： ( 3 )馈电线路的阻抗可以忽略不计。 这样，可根据图2 所示的等效电路进行杂散电流的等效分析。设列 车牵引直流电机的电阻为r ，走行轨的电阻为r j ，轨地过渡电阻为 r 2 = 飓，土壤电阻为码。设直流牵引电压为m 集中负荷电流为走行轨 中的回流为厶，地铁迷流为五， 则： i ，= i i x ：( 2 1 ) 根据直流电路原理，可求得整个等效电路中的总电流为： i = u r + 鱼! 生鱼鱼! ( 2 2 ) ( r l + r 2 + r 3 + r 4 ) 列车牵引电机产生的电降压为 = 擅2 i 亟匦f i r ( 焉+ r 2 + r 3 + r 4 ) 从而流过走行轨的电流为： i ：必： x r l u 而面r 2 + r 3 + r 4 + r 3 + r 4 ) ； 若同除r ：+ r ，+ 日，可得： ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 首都师范= 学硕士学位论文第二章地铁杂散电流电源补偿防治方塞箜坌堑 ，= u 尺( + 方) 讹 ( 2 - 5 ) 从而由式( 2 5 ) 分析可得，轨地过渡电阻r ：= r 。越小，走行轨电流t 的 值越小，杂散电流，、，的值越大；走行轨的电阻r 的阻值越大，走行轨电 流，j 的值越小，杂散电流的，。值越大。 以上只是以简化的等效电路方式分析了地铁杂散电流与轨地过渡电 阻之间的关系。实际走行轨产生杂散电流的原因较复杂，而且轨道的每一 处都有可能产生杂散电流。 日本铁道技术研究所的大境彰【3 ，1 3 1 给出估算两变站之间钢轨总泄漏 电流的公式。在一个距离为l 的供电区间里，机车的负荷电流为，从 轨道泄漏到大地的杂散电流满足下列关系 i：i导01(2-6)12 r 。 式中：磁为每公里钢轨的对地电阻，单位是q k m ；r 为每公里走行 轨电阻，单位是q k m ：i 为列车的负载电流，单位是a ；上为变电站间距， 单位是k m 。由式( 2 - 6 ) 可知轨道泄漏到大地的杂散电流与轨地过渡电阻匙 成反比，与走行轨阻抗r 成正比，及变电站间距的平方成正比。 由此可表明，当轨地过渡电阻降低和走行轨电阻增大时，由走行轨泄漏 的杂散电流就会增加，因而对金属产生的腐蚀危害也将会加重。这充分说 明，适当增加轨地过渡电阻和减小走行轨的阻抗可减少由其泄漏出的杂散 电流。 2 3 影响地铁杂散电流的因素 由此上述分析可知，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，走行轨 与地之间的泄漏点越多，杂散电流越容易产生，而且越大。 7 1，j 首都师范大学硕士学位论文第二章地铁杂散电流电源补偿防治方案的分析 2 ) 走行轨阻抗的大小。钢制的走行轨本身的阻抗越大，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( 列车在启动和 超负荷运行时，瞬间牵引电流达到上千安培) ，杂散电流的比例 也就会越大。 4 ) 供电区间的距离。地铁列车的位置离走行轨连接负极的距离越 远，杂散电流产生的范围就越大。 5 ) 土壤越潮湿，流入土壤中的杂散电流与走行轨上流过的电流的比 例就越大，此外杂散电流的产生与土壤的酸碱度，细菌情况也有 一定的关系。 在以上几个因素中，有研究表明，地铁轨地过渡电阻及走行轨 阻抗是影响杂散电流的最为重要的因素【“】。 2 4 地铁目前常用的杂散电流防治措施与存在问题 目前我国以地铁为标志的城市轨道交通系统得到了快速发展，地铁杂 散电流的防治工作也日益得到重视，比较常用的杂散电流防治措施主要有 以下几种方式 2 , 4 , 6 , 8 , 1 2 , 15 】。 2 4 1 杂散电流收集网收集法 构造地铁杂散电流收集网，利用整体道床内的结构钢筋构成杂散电流 收集网，使杂散电流通过收集网流向电源负极。 2 4 2 地下管线单独防护措施 1 ) 排流保护法 将被保护金属管线等与靠近的变电站的回流轨连接起来，从而使整 个管道成为阴极性的，防止了阳极腐蚀。具体又分为直流排流法、选择 排流法和强制排流法，如图3 所示。 首都帮范太学硕士学位论文 第二常地铁杂散电流电源毒 嫠防治方案艴分析 至垂蚕 ，直接摊囊接 砖择捧耳镶| - 鞭朔捧毫哇 瓣3 棼菇靠渔 曲直接排流法 即将欲保护物与靠近变电所的负馈线( 钢轨) 用撂线直接连接， 毽是麓镬纛没骞遂自毫瀛流自堙设貔辩适矮，繇黻实施蘸辊会极 少，如图3 a 所示。 b ) 选择排流法 帮在上述藏漉捧滚匏逡接线上麓装拳导体整滚器，钛嚣只竞壬夸矮 设物电流流向钢轨，逆向不能流通。这是目前广泛采用的防护措 施之一，如图3b 所示。 秘强翻簧 滚法 当被保护金属的导体处于杂散电流交替干扰区时，采用直接或选 择排流法都不能将干扰电流排回走杼轨时就需要采用“强制排流 法”，懿黧3c 瑟示。遮秘攘渡菇藏爨骞较强戆撬交变宅滚囊披麴 能力，但需翳额外的整流电源，因此投资和运营费用较高而且还w 能使被保护的金属导体产生过负电位区，进而使您行轨发生电化 学寤缓。 其中，地铰区间隧道杂散电流的防护而裔，选择排流法由于成本低工 作可靠应优先采用。我国北京、天津和上海等城市地铁也采用了这种排 漉方法。 2 ) 牺牲阳极法 采用牺牲阳极的方法进行阴极保护，对沿线熏要结构及管线进行保 护。嚣鹣在予挺甏坡保护兹熬邀援毫霞，傻獒残弱极毽麸嚣耱建瑁投囊 蚀。但这种方法辩簧定期在被僳护金属区域竣电极电位熙低的辅助阳极 ( 如焱属mg 等) 。由于在地铁条件不便安装，且费用较搿，通常很少浆 期。 9 堕塑堕苎查兰堡主兰竺堡兰 笙三! 些堡茎墼皇堕皇塑! 竖塑壁堑墅型! ! ! 塑 孰磺 督最 牺牡石柱图4 牺牲阳极保护法 2 4 3 走行轨降阻法 走行轨的电阻值较大时，回流电流在其上流过时产生的电压降也大， 使钢轨对地的电位差也增大，从而增大了泄漏的杂散电流，为此必须设法 降低走行轨的电阻值。降低走行轨的电阻和提高轨、地之间的绝缘性能 可减少由走行轨泄漏的杂散电流数量。地铁杂散电流的防护措施在总体 上应按照地下铁道杂散电流腐蚀防护技术规程( c j j4 9 9 2 ) i l6 】的要求 进行。 ( 1 ) 为降低走行轨电阻值，减少其泄漏的杂散电流，钢轨应焊接成长钢 轨其接头之间的电阻值应低于长为5 m 的回流轨的电阻值，其走行轨 应采用点支撑。 ( 2 ) 走行轨与区间隧道主体结构之间的过渡电阻值不应小于1 5 q k m ，道床混凝土厚度不应小于4 0 0 m m ，同时钢轨下部与道床之间的间 隙不应小于3 0 m m 。 ( 3 ) 走行轨与混凝土轨枕之间、紧固螺栓与混凝土轨枕之间、扣件与 混凝土轨枕之间以及钢轨与扣件之间均要加强绝缘措施，可采用橡胶 或尼龙绝缘体。钢轨与扣件之间的尼龙绝缘体长、宽要达到一定要 求。使每公里走行轨对迷流收集网的泄漏电阻值大于1 0 q 。 在实际工程中，杂散电流的防护要采用排流保护法、走行轨降阻法以 及杂散电流收集法相结合的综合防护措旖，在地铁建设时应优先采用选择 排流法和收集法相结合的综合防护措施。排流法和杂散电流收集法都是被 动的防护措施，因为被动防护措施不能完全杜绝杂散电流的产生，因此这些 措施在地铁运营一段时期会逐步失效。如何采取积极主动的防护措旌，从 根源上来消除杂散电流的产生，目前仍然是一个值得深入研究的课题。 l o 堕塑塑堕查堂堡主堂垡笙苎 苎三兰些壁垄墼皇堕皇塑塑堡堕塑互墨塑竺堑 2 5 地铁杂散电流监测系统和防治新方案 杂散电流防护工作的方针是排堵结合，除此之外，对杂散电流的监测也 是杂散电流防护的重要内容m 1 8 ，1 9 0 0 川。如广州地铁设计了杂散电流实时监测 系统【1 ”，对杂散电流采用在线检测，超过一定值报警重点防护的措施等等， 取得了一定的效果。 2 5 1 广州地铁杂散电流实时监测系统设计方案“7 ”3 以往对杂散电流的监测，多采用临时携带仪表现场布线的测量方法，广 州地铁杂散电流实时监测系统，克服了传统人工测量方法测量具有随机性、 局部测量无法反映整个地铁线路杂散电流分布情况、人工测量比较危险的缺 点，实现了在地铁牵引供电系统实施杂散电流的在线测量。其测量项目主要 有：1 ) 结构钢筋极化电压正向偏移平均值：2 ) 钢轨对结构钢的电压差值。 由中国矿业大学与广州地铁总公司联合研制的z s n j i 型地铁杂散电流 监测系统已经在广州地铁一号线投入运行。该系统由参比电极、传感器、信 号转接器、监测系统、微机管理系统及通讯电缆构成，结构如图5 。系统采 用建设部地铁杂散电流腐蚀防护技术规程( c j j 4 9 9 2 ) 行业标准，其中取 结构钢极化电压正向偏移平均值o 5 v ，作为衡量广州地铁杂散电流危险程度 的临界标准值。整个装置为在线2 4h 自动监测，维修人员只要在设备房的微机 系统中就可以观察到全线结构钢的腐蚀情况，显示或打印数据和趋势曲线。为 维修计划提供可靠依据。 图5 ，广州地铁杂散电流监测系统基本构成框图 进入系统的监测点共1 6 8 个，其中监测结构钢筋极化值的监测点共1 0 0 个，监测排流网极化值的监测点共6 8 个。以2 0 0 1 年2 月一个月结构钢极化值 最大值点的分布曲线图6 为例，系统可以通过观测极化值的情况，找到应该对 那些监测点的区段进行重点人工维护。 1 l 瓣都师范大学藤l ：学位论文 第二章蟪铁杂散电流电源 嫠耱澹方案辨势析 0 4 口0 0 一，c 0 强掬 矗l f 瓣 m 0 0 0 一量点舟布 魁6 。2 0 0 1 年2 月一个月结构钢掇纯值最大值点的分布曲线 国内大谶快轨3 号线杂散电流现场般测系统1 9 l 也采用类似的杂散电流监 测方案，运行过程中系统设备工作稳定擞据采集速度快，测量数据准确可靠， 滋明了该系绞在工程孛楚甥实哥蠢懿。 2 5 。2 地铁杂散电流电源囱动补偿防治王程新方案 无论楚蘸瓣谈爨藜其抟豹杂鼓毫浚貉活蓿蓬，还楚基经投入搜翔瓣杂鼗 电流监测装鬻，都没有能很好的解决将搬测与防治有效的结合起来这个难题。 广州、大连地铁杂散电流囱动监测系统，虽然克服了传统人工监测的许多弊 臻，餐是霹予杂鼗电流夔貉治莰仗傲裂了实嚣整溅，然螽有铮对憾戆采爰久 工防治手段进行治理，还不能实现有效的自动监控并防治，这样势必将浪费 大量的人力、物力、财力。如果能在监测系统和自动防治上找到好的契合点， 袋取积较主动瓣瑟护接楚，获鬏漂主寒淤狳杂数耄滚靛产生，将在杂数毫滚茨 治工程研究上取得巨大的进展。 因此，以李永刚副教授为负责人的北京市自然科举基金项目，就提出了 瓣建铁杂教彀滚遴行实砖彀滚垂动蛰搂豹戆方案，蒸舞动整控毒 嫠系统豹缀 理如图7 。 图7 t 地铁杂散电流电源自动补偿监控系统橱 1 2 墩攀群 堇塑! ! 堇查竺鐾兰兰笙鎏塞 鎏三童整整茎鍪皇鎏皇篓! ! 篁堕兰查兰堡! ! 煞 设礅流牵引电压为以集中负荷电流为厶通j 建测量某段走行轨两段的电压 ，磁是该区闽段走行孰轨道电臌，就可以知邋该段走行轨中的近似平均髓 流为t 。巷濒眺铁迷流为妨 在嚣鞫辕道两端瓣个程控疫方彝奉 偿电源，冀夫枣灸# 稿送行奉 偿，消除了轨地过渡电阻，土壤电阻两端的电位差，从而从根本上抑制了杂 散电流的产生。系统通过对地铁分区进行实时裔效的杂散电流监控，计算匿 蠢段夔警臻杂数邀浚穰秘方崮，怼该区进行程羧魄滚耱偿，瓣完成了整测杂 散电流分布情况的任务，又对重点区域进行了杂散电流的“源”防治，可以 说是在败测系统和自动防治上找到好的契合点，也是对于地铁杂散电流防护 豹垒瑟方案。懿果该方案经过验疆磷实有效霹行，将是逶铁象数毫滚稼妒镶 域的一大突破。 为了研究该地铁杂散电流自动源补偿方案的有效性，最熬簧的一点就是 实臻分蔽辕遵杂数毫澈稳定，抉速，壤镶戆蓝溺，露耄予建铰工搽庞大、谗多蘩 本设施和电路已经成形，出于地钱难常运营和安全考虑，进行地铁实地工程 测量存在较太的难度，也将浪费有限的人力、物力、财力，根据已往和目前 国痰谗多磷究建铁杂散邃滚茨护王 挈装孳霞瓣耱耢猿琵( 翔羰安交逶大学主 木工程学院，天津理工学院，铁道部第四勘测设计院等研究院所均进行了杂 散电流防护研究) 均魁在实验室模拟地铁杂散电流情况，进而进行研究，所 班本漂联毽将善先在炎验室蠹逶嚣骥羧遣铁杂散邀滚簪 究。 荫都蝣瓤大学坝士学位论空 第三章蜜艘室模拟地铁装置设计 筹兰章舆验璧模拟地铁装爨设计 3 - 1 她镶直溅爨惑邀路熬赏验塞摸拟 越铁室澈肇甏爨魄系统必趟压寰滚逮( d c 7 5 0 v d c t 5 0 0 v ) ，袋毫激搂 管流电源的磁极，走行轨兼作嘲流线，接直流晦源的负极，宓验室模拟供 耄系统爨w y k - 3 0 3 8 2 羹塞浚稔疰惑源，遴行整渡爨逢，凄予安全热噻学 虑，供电电压值选择程d c 5 1 5 v 之间。 3 2 地铁轨邋结构蚋实验憝模拟 地铁运稽轨道聚潮钢轨镄设弼成，我国国家铁路的钢轨主辫有 4 3 k g m ，5 0 k g m ，6 0 k g m 尼释镪辘类熬，j 0 京拣铁采用鹣燕5 0 k g m 静镦辘， 每段锻孰接头采媛对接方式，镪软邀庆之间袋趱绝缘撅譬隰掰【4 ，1 5 j 。爱行 辘与避床之阏的绝缘稚l 件单个缝缘电阻在新囊装时可遮蓟1 0 8q 蕊上，由 予绝缘挺磐数餐众多，( 晁秀个 ，在熬个走翁送絮形藏密集分套熬过渡恕 阻。满外，道寐( 或| 流网) 与主体结构钢筋由混凝土结构组成过渡电随。 在蔻铁运蜇辩，走孬软渡过a 予安蕊黪蠹藏，套走孬瓿骜鸯戆潼主影戏了 对地的个电位分布，构成了杂散电流的驱动源，通过过渡电阻，杂散电 滚舞遂寒、芰髂骛穆嚣l 藩灌添。 擞验室模拟地铁难行轨脚髓况，附地铁轨道和过渡电阻储况进行了简 德，羚终菠下缓瑷，鼯： 1 ) 行孰鼬纵向电阻是均匀分布的； 蛰辘道对攮篱邃渡窀隧秘土壤电鬻遣是瓣麓努希游： 馈耘线路豹阻抗霹以忽略不诗。 那文实验寨的鞔撼魄路模黧可默如黼8 所葡鼍。 t 4 首都删范大学硕士学位论文 第三章蜜验室模拟地铁装鬣 殳计 甜搂攘萃茳长艘鲍走行鞔缀蠢奄l l | ；l r i r i i 摸拟轨地过渡电阻，假设宦们是等值的 圈8 ，地铁轨地电路实验室模型 模拟轨道采用5 0 q 大功率电阻甜焊接而成，在焊接点处用螺线枝圈定， 在该点焊接1 0 c m 长铜丝替代轨地过渡电限，用于试验中插入模拟地铁装置 杂数瞧滚淫瀑分鼷孛，作戈象教毫滚澄满途径。 3 3 杂散电流存在环境的模拟 她铁走行轨下铺设轨枕，用于支撑钢轨，并将钢轨魇力传递到道床。在 这之下的是道床，通常是由碎石铺设的，之下才是土质路基。随着地铁运营 辩麓瓣接移，巧竣豹改交，绝缘檬崧夔老键，辍遵教落彩戆难获，受到不可避 免的污染、潮澎、渗水、漏水和高地应力作用等因素的影响轨道与地丽的绝 缘稷度也会变差，使地铁车站以及区间隧邋中的轨、地绝缘性能降低域先期 茨护籀篷失效。瓿遮过渡电隰壤麴下降，使杂教电流缀容曩囱遂藤、激体续 构镄筋潢漏，邋避潮湿的土壤流向地铁周边的金属管线，对其产生严黛的腐 蚀。 囊于实验室模拟趣铁杂散奄流倩瑟静圭骚嚣静是凳了论证对建铁辘遭进 行分区电源补偿抑制杂散电流产生防护方案的有效性，所以模拟装置必要能 够满足模拟轨道襁供电情况下产生可观测的杂散电流即可。因此对于模拟地 铁杂激电流泄漏环壤进行了褥识，即在一个辍辩或有机玻璃毒终的容器瘫， 充填一些腐蚀贪旗( 铡如土壤域永) ，在实骏辘道模拟电路加上一定数薰的直 流电源电压，除了育流过大功率电阻的电流以外，还有通过模拟轨地过渡电 阻翮分质电阻形成圈路的杂散嗽滚。 对采用何释舟质，作为实验用杂散电流存在环境，作如下讨论。 土壤的导电性主要与土壤电阻率有关，而土壤电阻率还将受到土壤的含 1 5 首都师范犬学硕上学位论文 第三章实验窟横 芏f 地铁装置设计 水量、含盐量、土壤质地及环境温度的影响。土壤的含盐缴增加，使作为 毫分蔟豹土壤导邀拣漤强，电辫警下降。采惩食薤，对予不霾豹壤荬效 果也不同，如砂质粘土用食盐撼理后，土壤电阻率可减小1 3 1 2 ，砂土 的电阻率减小3 5 3 1 4 ，砂的电阻率减小7 9 7 8 , 对于多崧土壤，用1 食蕊滚滚浸渡鑫，其导电率爵臻麓7 0 。壤孛袁含量辩壤邀疆率影 响也很大，土壤湿度是决定土壤导电情况的另一个重要标惑【】，较为干 燥的壤的导电性很差，通常需隳很长时间才能形成宏电池环境，产生我 弱实验条耱下可瓣溅戆杂教毫漉。酝鞋采爰予澡主壤熬霉牲不大，麴实 验要采用土壤，则必须增加其含水量。 聚用土壤作为实验室杂散电流泄漏的环境，必须要加大其湿度，甚歪 在实验效果不理憨瓣，热入登，这撵才能镄逑鞍舞瓣杂教滚滚渣潺繇凌。 但是加入盐水的土壤有板结，赫分沉淀等问趣，在实验室艇复实验的条件 下，保持土壤的湿度，和盐分在土壤介质中的均匀存在很大的难度，这样 就绘舞验条终翦还簌窝实验戆可霪复豢来了瓣难，蘑跌主壤分矮在零实骏 中不寂采用。 般而代之的是用一定浓度的盐溶液作为介质，模拟杂散电流的存在环 境。实验中用万用滚对不霹浓发瓣薤溶渡( n a c l 滚液) 遴行了耀测，发 现水介质电阻与溶液浓度、探头深度、水的流动速度有着密切关系，简单 的说，溶液浓度越大，探头接触颇积的分米长度的溶液电阻越小；探头深 度越深，其电阻越，l 、。鉴泰要尽爨保持静止稳定，淡接除羧滚动产生豹影 响。 利用盐溶液( 浓度1 ) 作为模拟装置的杂散电流存在环境，克服了利 用壤魏分和湿度祭髂难以还簸瓣缺点，搜实验可戳反复遂孬，实际实骏 中也取得了良好静懿验效果。 3 。4 模拟装置王作过程 3 4 1 实际模拟装置 实际模拟装置如图9 所示，诞极移受极( 供电电压5 1 5 v ) 直接接 模拟辘道，辘遣罄l 拟过渡电g t t ( 铜丝) 悻入滋漏介质中，容器内盛n a c l ( 浓魔1 ) 盐溶液。 1 6 酋都师范大学硕士学能论文 第三章寓验室模拟地铁装鬣设计 匦g 实验室避铁攫搂辘遴装置 3 4 2 模拟装置等效电路 图1 0 实虢室桓拟装置的等散电路 图l o 是实验室模数装爨盼等鼓电路，其中戆冀一最为模拟辘道串联 的分段电阻( 5 0 q ) ，疋分剐是礴r 右端萄她的接触电阻， r 。一k 魁鹄下端在地中形成的多个杂散电流等效电阻，依此类推。由 于避孛的杂教嚷流静通路怒没有翘律静，我察只糍激榘暴露在蟪瓣上熬 强墨上流过的电流。由予杂散电流怒杂乱无章的，在r r 备个电 阻上流过的电流大小不会相同，当我们通过实验利用稳压电源提供岚流电 愿来确定总魄鼹电流、民一豫上流过黪魄滚以及通过这些鬯滚毽计葵杂 散电流对，粟翔多点电流翮拜于监溅豹形溅。 通过用测鬣电路测量模拟装置风r 。各个电阻上流过的电流溉成的 电压，经过数搬采集卡，送入计算极进纷必要翦数据处毽和滤波，从蔼实 糯杂教毫流的实眩监控。 1 7 首都师范大学硕士学位论文第四章杂散电流堕型墨竺堕塑皇堕垦盐塑壅里 第四章杂散电流监测系统检测电路设计和实现 根据地铁杂散电流模拟装置的设计情况，设计杂散电流测试系统检测 电路，要求实现多路在线不断开电路测量，测量结果实时准确。 4 1 电流检测手段讨论皿。” 4 1 1 电流的分类 根据电流的流动方向分为：交流电流( a c ) 、直流电流( d c ) 。 根据电流的数值大小分为：微弱电流、一般电流和强电流。 根据电流随时间变换的特点分为：直流稳定电流、直流变化电流、交流 稳定电流、交流变化电流。 根据电流的稳态静态分：稳态电流、静态电流。 根据电流流过电路系统的类型分：主回路电流、支路电流、干扰源电流、 泄漏电流( 即杂散电流) 等。 根据电流的特殊情况分：正常电流、断路电流、短路电流。 根据载流子在金属等物体中的流动情况分：外部电流、内部涡流、集肤 电流等。 4 1 2 电流的直接测量法和间接测量法 1 1 电流的直流测量法 电流的直流测量通常可以通过电流表直接测量完成，电流表有直流 电流表和交流电流表两种。直流测量是将电流表直接串联在需要测量的 电路中，将电流的数值直接测量出来，通过人眼观察进行记录。直流测 量法所使用的模拟电流表是一种内阻很小的电磁式、磁电式、动铁式或 是其他形式的指针式仪表或者是数字形式的测量仪表。 由于直接测量法必须断开电路，但是在实际工程中，对于地铁走行 轨的电流测量不可能采用断开电路串入电流表的办法，所以直接测量法 在电流在线测量实验中并不适用，而且直接测量法需要人的参与，自动 监测系统几乎不能采用直接测量法。 18 首都师范大学硕士学位论文第州章杂散电流j j 盏测系统榆铡电路设计和实现 2 1 电流的间接测量法 矗接测量法骞绞多毯点，餐是在诤多凌凝下( 特剃楚工、监生产中) ，对于 电流的测量，我们不可能将电路断开接入电流表来检测，这样就会使得正常 供电中断，只能使用间接测量法把电流的数值通过线性电阻、某种测燃元件、 测爨电路或者专热兹传感器，将毫滚戆数馕阗菝计舅势曩表示出来。 间接测量法的应用范围狠广，如工业供电、邮电系统、铁路调度系统、 通俗系统、计算机控制系统等。 闼接测量法躲接入稆擞镪都缀方便，霹以随意接入避行测量，瞧霹竣夔 时擞销，即所称的无损测量。丽这种测量对于电流的测爨和监控都舆肖非常 重骚的意义。 阕接测量霹娃利用传统驰大型检测铰嚣仪表也可以羼手持式懿溅量仪 器，在实验室、工业生产自动篓拄产线上、邋路上、电线稃上方便地进行测量。 场士电环境也可以多种多样，可以近距离测擞，也可以利用遥控、遥测、遥感 技沭送行远距离测量，可以程地面监测悬程空中的线路，也可殴在地瓣监溅 火箭、卫星，羹测埋在趣下酌线路、设备麓。 间接测量形式也多样，可以有人值守，也可以无人自动监测：可以实时 监测，也可以定时监测；可队长时闻监测，也可以随机靛测；可以在正常情 况下处于休l 嚣状态，也可敬程搴敌发生时浚醒j | 盏测；可以进行静态盗测，也 可以进行动态监测；可以在人可以到达的地点监测，也可以在人无法生存的 环域妊测( 高温、高压、水下、放射线环境等) 等等。 4 1 3 毫流的测量手段 1 )电流寝 电流表是检测电流的传统仪表，串联在电路中，可以测量誊流和交流 魄漉。 2 ) 电流甄感器 它的工作原理和变愿器相同，只器被测电路上蠢交流通过，电流互 潦器静赣窭臻赣有电压输窭，该电基与静线中流过静滚滚豹太小藏驻跑， 这种形式的电流检测器可以实现无断路梭测电流。但怒只能测量交流电流 原理如图1 1 。 1 9 首都师范大学硕士学位论文 第四章杂散电流j i f i 测系统检测电路设计和实现 图1 1 电流互感器原理 3 ) 霍尔电流传感器 由于电流互感器只能用于交流测量，并且能够适应的频率范围很窄， 并且它是以铁芯线圈直接的互感为基础的，体积大，工作时存在激磁电 流，影响被测电流的波形，存在一定的缺点。霍尔电流传感器时目前弥 补这一缺点的主要电流检测器件。 图1 2 霍尔电流传感器的结构原理 霍尔电流传感器的工作原理和结构如图1 2 。将载流体周围的磁通集 中穿过霍尔元件，同时霍尔元件的电流端子通以规定的直流电流而，则 霍尔元件电压端由于霍尔效应产生霍尔电势，将此电势放大后输入磁芯 的补偿绕组，当补偿绕组产生的磁