（电力系统及其自动化专业论文）城市轨道交通杂散电流监测系统的设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t i nd cr a i lt r a n s i ts y s t e m s ，t h er u n n i n gr a i l sa r eu s u a l l yu s e da st h er e t u r n c o n d u c t o rf o rt r a c t i o nc u r r e n t t h i sa r r a n g e m e n tm a i n l yf o c u s e so ne c o n o m i c c o n s i d e r a t i o n s ，s i n c e i td o e sn o tr e q u i r et h ei n s t a l l a t i o no fa l la d d i t i o n a lr e t u r n c o n d u c t o r t h er a i l sa l o n gt h er a i l w a y , w h i c hl i ee x p o s e do nt h eg r o u n d ，w i l le a s i l y c a u s el a r g e rs t r a yc u r r e n t w h e nt h et r a i no p e r a t e si nh e a v yt r a n s p o r t a t i o no fm a s s r a i lt r a n s i t ( m r t ) s y s t e m s ，t h ec u r r e n tr e q u i r e db yt h et r a i nw i l lb eq u i t el a r g eu p t os e v e r a lt h o u s a n da m p e r e sa n dt h er e s i s t a n c eo ft h er u n n i n gr a i lw i l lb ea b o u t s e v e r a lm i l l i o h m st ot e n so fm i l l i o h m sp e rk i l o m e t e r t h e r e f o r e ，as i g n i f i c a n t v o l t a g ed r o po nt h er u n n i n gr a i lw i l lb eg e n e r a t e d t h i sv o l t a g ed r o pw i l lf o r c e p a r t so ft h ec u r r e n tt ol e a kf r o mt h er a i la n df l o wi n t op i p e w o r ki nt h ee a r t ho rs t e e l b a r si nas t r u c t u r e a f t e r w a r d s ，t h ec u r r e n tl e a v e st h ep i p eo rs t e e lb a ra n df l o w s t h r o u g ht h ee a r t h ，b a c ki n t ot h en e g a t i v es i d eo ft h et r a c t i o ns u b s t a t i o n t h i s c u r r e n ti sk n o w na st h es t r a yc u r r e n to rt h el e a k a g ec u r r e n t s t r a yc u r r e n tc a u s e s e l e c t r i c a lc o r r o s i o nn o to n l yt ot h es t r u c t u r ea n dp i p i n gi nm r ts y s t e m s ，b u ta l s o t oa d j a c e n ts t r u c t u r e sa n du n d e r g r o u n dp i p i n g ，i n c l u d i n gt h o s ec a r r y i n go i l ，g a sa n d w a t c h 。 t h i st h e s i sa n a l y z e dt h ep r i n c i p l e so ft h ee l e c t r i c a lc o r r o s i o na n dp r o p o s ea m o d u l eo fs t r a yc u r r e n t , f r o mw h i c hw ek n o ww h a tf a c t o r si n f l u e n tt h eg e n e r a t i o n o ft h es t r a yc u r r e n ta n dh o wl a r g ep r o p o r t i o no fe a c hf a c t o rc o u n t s b a s i so nt h o s e t h e o r i e sw eu s e dc h i pm i c r o c o m p u t e rt od e s i g nav o l t a g ec o l l e c t i o nm o d u l et o m o n i t o rt h e p o l a r i z e dv o l t a g e o ft h e s t a y c u r r e n t f o r t h e rm o r e ，w ea l s o p r o g r a m m e das o f t w a r eu s et h ep ct or e c e i v et h ed a t ac o l l e c t e db yt h ev o l t a g e c o l l e c t i o nm o d u l e t h es o f t w a r ec a ns t o r et h ed a t ai n t od a t a b a s ea u t o m a t i c l y a n d t h es o f l w a r ec a na l s oa n a l i z et h ed a t aw h i c hs t o r e di nt h ed a t a b a s et os e et h e t e n d e n c yo fas p e c i a lp e r i o do ft i m eo ft h ep o l a r i z e dv o l t a g ec o u r s e db yt h es t r a y c u r r e n t t h e nw ek n o ww h a tt od ot ol i m i tt h eu m p l i t u d eo ft h es t r a yc u r r e n tt o m i n i m i z et h ei n f l u e n c eo ft h es t r a yc u r r e n t ib e t ，t h ea p p l i c a t i o no ft h i ss y s t e m w i l lr e l i e v et h eh a r dw o r ko ft h em o n i t o ro fs t r a yc u r r e n ta n dw i l ls a v eal o to f m o n e y k e yw o r d s ： u r b a nr a i lt r a n s i ts y s t e m ；s t r a yc u r r e n t ；m o n i t o rs y s t e m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 城市轨道交通以其不受自然条件影响和安全快捷的运输特点，给居民生 活带来很多方便，因而得到迅速发展。目前我国各大城市都在新建和扩建城 市轨道交通线路。城市轨道交通在给人民生活带来方便的同时，也带来一些 不容忽视的问题，其运行期间产生的杂散电流腐蚀问题就是其一。杂散电流 的存在，对城市轨道交通周围土壤中埋设的通信电缆、区间高架梁体或隧道 中的钢管、钢筋等金属管线产生电化学腐蚀，破坏其强度，降低其寿命。要 对因杂散电流腐蚀损坏的混凝土结构进行维修和更换是十分艰难的。因此， 实现对城市轨道交通杂散电流的自动监测，提前预防杂散电流的危害，对城 市轨道交通的安全、可靠运行来说具有重要的意义【1 】。 杂散电流( s t r a yc u r r e n t ) 主要是指由采用直流供电牵引方式的地铁或轻 轨列车在地下铁道运行时泄漏到道床及其周围土壤介质中的电流【2 i 。国内北 京，天津、上海、广州和香港地铁均采用直流电力牵引的方式。在这种供电 方式当中，列车直流牵引系统采用正极接接触网，而走行轨兼作负回流线。 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 地铁运营时间的推移，由于受到不可避免的污染、潮湿、渗水、漏水和高地 应力作用等因素的影响，使地铁车站以及区间隧道中的轨、地绝缘性能降低 或先期防护措施失效，势必增大由走行轨泄漏到土壤介质中的杂散电流。如 北京地铁一期工程l 线中的木樨地至崇文门段，其轨、地过渡电阻值最高为 7 4 1q k m ，而最低为0 1 6 qk m ，后者仅是前者的0 2 2 ，二期工程环线中最 高区段为5 8 9 q k m ，最低区段为0 8 4 9 q k m ，后者仅是前者的1 4 4 ，很显 然如此低的过渡电阻区段必然会泄漏很大的杂散电流1 3 】。j e 京地铁采用 d c 7 5 0 v 直流电压牵引，实测结果表明，列车在启动和运行时流入地下的杂散 电流值一般要大于i o o a 。而上海地铁采用额定电压为d c l 5 0 0 v 的直流供电系 统，额定牵引电流可高达3 0 0 0 a ，如此强大的牵引电流也必然也会泄漏很高 的杂散电流。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 杂散电流的危害很大，主要是对地铁周围的埋地金属管道、通讯电缆外 皮以及车站和区间隧道主体结构中的钢筋发生电化学腐蚀，它不仅能缩短金 属管、线的使用寿命，而且还会降低钢筋混凝土主体结构的强度和耐久性， 甚至酿成灾难性的事故。如香港曾因地铁杂散电流引起煤气管道的腐蚀穿孔， 造成煤气泄漏的事故：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；其隧道内水管腐蚀穿孔，仅东段部分区段更换穿孔水管就 达5 4 处【3 】；此外，天津地铁也存在着水管被杂散电流迅速蚀穿的情况。在国 外，如日本、美国、法国、意大利、英国、加拿大和俄罗斯等国的地铁也存在 地铁杂散电流腐蚀的问题。在我国，地铁和轻轨作为城市重要的交通工具正 得到迅速发展。除北京、上海、香港、天津和广州地铁已投入运营外，目前 青岛、南京地铁也正在规划之中。由于地铁和轻轨是一种复杂的地下工程， 其结构在施工完成后已定型。经若干年运营后，要对主体结构因杂散电流腐 蚀而进行更换或翻修是十分艰难的。而对杂散电流腐蚀机理和危害加以研究； 设计一行之有效的杂散电流监测系统，实时地监测杂散电流的大小与分布， 用以预警有关部门提前采取措施来抑制杂散电流的危害，就显得尤为重要。 1 2 国内外研究现状 自从有直流电力牵引的地铁诞生以来，杂散电流腐蚀及防护在发达国家 一直受到较高度的重视，美国、德国、臼本和苏联在此课题上都投入了巨大 的财力和人力，取得了丰硕的成果。而且到目前为止，还在不断地研究新的 防护方法和防护手段。我国在2 0 世纪9 0 年代以前只有北京地铁和天津地铁 的小段在投入运行，有关地铁杂散电流腐蚀和防护的研究很少，为了证明地 铁里杂散电流的情况，1 9 7 9 年北京地铁科研所进行了大规模的测量调查。测 量结果表明北京地铁确实存在杂散电流，从而引起了各方面的广泛关注f l o 。 地铁杂散电流难以直接测量，一般都采用间接的方法来反映杂散电流的 腐蚀情况。腐蚀防护标准给出了需要测量的杂散电流腐蚀的各项参数和监测 方法，并制定判定依据。地铁结构与设备受杂散电流腐蚀的危险性指标是同 结构表面向周围电解质的电流密度和由此引起的电位极化偏移来确定的。而 电流密度难以直接测量，只有通过测量极化电位来判断。地铁杂散电流腐蚀 要测量的参数轨道电位、埋地金属的极化电位，轨道过渡电阻、轨道纵向电 阻等。就给出的监测手段和监测方法来看，都需要人工参与，缺乏自动在线 测量功能，这给地铁运营的运行维护带来了困难。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 就我国地铁运行的情况来看，由于测量工作比较麻烦，许多工作基本上 没做。有些标准上规定要测量的参数，而实际上因常规的方法是无法测量的。 例如：轨道的纵向电阻：已铺设好的轨道是不可能直接测量其电阻的，即使 交通停止时也没有一条完全隔离的轨道：对于测量埋地金属结构的极化电位 所用的参比电极，目前地铁一般使用长效的铜硫酸铜参比电极，此电极在土 壤环境中使用已经比较成熟，而在混凝土环境的使用过程中存在的相关问题 还有待于进一步的探讨。 1 3 本文的主要研究内容 本文主要研究内容包括： 1 )杂散电流腐蚀机理和危害： 2 ) 建立杂散电流数学模型，进行理论推导； 3 ) 探讨杂散电流防护和监测的各种措施； 4 ) 分析杂散电流监测系统的硬件设计； 5 )分析杂散电流监测系统的软件设计； 6 ) 总结杂散电流监测系统设计的难点和重点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章腐蚀机理及危害 2 1 腐蚀机理及极化电压 2 1 1 杂散电流的腐蚀机理 杂散电流对地铁或轻轨的隧道结构钢筋及地下金属设施产生严重的腐 蚀。我国东北石油管道系统，穿越某直流电气化铁路，埋地三年就发生了腐 蚀穿孔，腐蚀速度达到2 o 一2 5 r a m 年；上海有一向虹桥机场输油的石油管道， 穿越上海地铁1 号线，已经发生了腐蚀；北京地铁提供的数据表明，当地铁 车辆起动时，流入地下的杂散电流有1 0 0 a 以上【3 】。+ 由此可见，杂散电流所造成的腐蚀危害是十分严重的。由于腐蚀的隐蔽 性和突发性，一旦事故发生，往往会出现灾难性的后果。地铁杂散电流对埋 地金属管线和混凝土主体结构中钢筋的腐蚀在本质上是电化学腐蚀。发生腐 蚀的机理是，电极电位较低的金属f e 失去电子被氧化而变成金属离子，同时 金属周围介质中电极电位较高的氧化剂如金属离子或非金属离子得到电子而 被还原。 如图2 - 1 所示为地铁直流牵引供电方式下所形成的杂散电流及其腐蚀部 位示意图。图中，i 为牵引电流，i x 、i y 分别为走行轨回流和杂散电流。 图2 - 1 地铁直流牵引供电方式及杂散电流腐蚀示意图 由图2 - 1 所示地铁杂散电流所经过的路径可概括为两个串联的腐蚀电 池，即 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 电池i ：a 钢轨( 阳极区) 一b 道床、土壤一c 金属管线( 阴极区) 电池i i ：d 金属管线( 阳极区) - - e 土壤、道床- - f 钢轨( 阴极区) 当地铁杂散电流由图2 - 1 中a 、d ( 阳极区) 的钢轨和金属管线部位流出 时，该部位的金属f e 便与其周围电解质发生阳极过程的电解作用，此处的金 属随即遭到腐蚀。概括起来可将发生腐蚀的氧化还原反应分为两种【7 1 。当金 属铁f e 周围的介质是酸性电解质，即p h a v ，a v a v = 栉， 其比值n 也在l o 倍以上。 在排流网与轨道之间的水泥基础上，装设参比电极( 作为测量极化电 压的稳定参考零电位) ，则可测出a v 7 与a v 。a v 即为排流网结构钢筋与水 泥基础间的电位差( 极化电位) ，如果这个数值超过0 5 v ，则由图2 2 可知， 杂散电流迅速增大，其对地下金属腐蚀剧增，必须采取措施进行控制。 2 2 杂散电流的其它危害 2 2 1 杂散电流造成人身触电 地铁轨道为长轨，是由多节轨道焊接而成，因此轨道接缝电阻值较大， 而使轨道与结构钢之间的电位差增加，如果轨道接缝处开焊，轨道接缝电阻 更大，这使轨道与结构钢之间的电位差更高。如图2 4 所示，在站台上，地 铁乘客手脚之间的电位差为a v ，当这个电位差很高时，人就有死亡的危险。 德国标准v d e o l l 5 规定：这个电位差不得超过9 2 v m 。 图2 - 4 人身触电示意图 2 2 2 杂散电流烧毁排流设备 轨道与轨枕之间有绝缘相隔，但如果由于某种原因，绝缘物损坏，轨道 与排流网短路，这时将有非常大的杂散电流，通过排流网、排流柜，流回牵 引变流所，从而可能烧毁排流柜。图2 - 5 所示为排流柜装置内部结构图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图2 5 杂散电流排流柜 排流柜只有在杂散电流超标时才打开，使排流网与变电所负极相连从而 进行排流。这是由于使用排流网进行排流会引起轨道电位上升，其电位可能 超过容许安全电压；此外，由于轨道电位的上升，杂散电流也随之增加，排 流管道周围未加排流保护的金属管线受到杂散电流腐蚀的危险就会加大。因 此出于安全和杂散电流防护的考虑，平时的时候排流柜是关闭不用的，也不 用排流网进行排流( i o j 。 趟 薯 期 暴 一： 5 1 l 图2 - 6 轨道电压受排流装置影响示意图 如图2 - 6 和图2 7 所示为加排流装置与不加排流装置时对轨道电压与杂 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 散电流影响示意图。 晕青h i 图2 - 7 杂散电流受排流装置影响示意图 l l k 仉 钆 乱 饥 乱 鼍擘釜校 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第3 章杂散电流模型及分析 3 1 建立模型与求解 为了简化模型，我们考虑牵引变电所供电臂长约l 一3 k m 的直线区间，区 间中只有一台牵引机车在运行，且铁路沿线道床均匀敷设排流网，以建立这 一系统的数学模型。 为了便于分析，我们做出如下的假设： 1 ) 过渡电阻在轨道和排流网间均匀分布； 2 ) 轨道电阻沿线均匀分布： 3 ) 走行轨经过渡电阻后直接与大地相连； 4 ) 杂散电流全部被排流网收集起来，忽略系统向外泄漏的杂散电流，如 接触网( 轨) 的泄漏电流忽略不计。 由于杂散电流在铁路沿线是连续的，所以此模型应该是一连续问题，但 对杂散电流的电流场进行分析后，我们发现可以用一个离散的平面电路来近 似模拟这连续问题”“。为了把这一连续的空间场问题简化为离散的平面电路 问题，我们进一步做出如下的假设： 1 ) 轨道和排流网与外界没有电气联系； 2 ) 轨道和排流网间电阻只是由于绝缘胶垫引起，在其他位置完全绝缘； 由于进行了以上两点的假设，故可将全线看成是一系列离散的电阻串并 联而成的网络从而进行建模。 3 1 1 建立模型 1 ) 单边供电 下面我们考虑有排流网时单边供电的情况。如图3 1 所示为此时的杂散 电流模型。 如图3 1 所示，为不考虑列车所在区间外的杂散电流的模型。其中r 为 机车与接触网的等效电阻，e 。为轨道与排流网的过渡电阻，墨，r 。+ 。 为排流网与无穷远地的过渡电阻，吃。为轨道的纵向电阻，彤。如为 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 排流网的纵向电阻，u o ，。为各节点的电压。由于r 远大于墨，故图3 - 1 又可化简为图3 2 。 图3 - 1 单边供电时的杂散电流模型 图3 - 2 单边供电时的杂散电流模型化简 对图3 2 ，由节点电压法可列方程如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 一r 百k + 去+ 亡肌+ 寺u z + r i 一- - u 3 = 0 ( 1 ， 去卟c 古+ 毒+ 去肌+ 毒u 一o 亡卟c 古+ 古+ 去儿+ 古u t + i - - ! - - u ：= 0 瓦1u ：一+ 去一c 古+ 击+ 上r n + l 肌，+ 亡- o 口， 上d i e | t 一i 蠹+ i 1 + 寺+ 瓦l + 2 v 2 um 十忐- o ( 2 ) + 石1 + 与r t n 玑一去_ 2 + 亡o ( 2 ) 去+ 寺一t 古+ 毒+ 。r i - - - 。 ) u2 , , - 2 + i r ，o m 以) 志u2 n _ 3 + 去，t 志+ 亡肌一一邶 ” 其矩阵形式为： + l ! 、昂。心& 是 吃 瓦ii 气1 气1 )覆丐唯是 i 忍 1 毛 圣乇七乇，未未 砭i瓦1i i 它i 未kk 如 亡硫t 亩素毫 i 1 墨 。一o 瑶& 瓦1 瓦i破李毛岷唯墨岷| | 。 2 ) 双边供电 与单边供电的情况类似，双边供电的杂散电流模型如图3 - 3 所示。 亮 去 ，一嚏 一曷 一嚏 三墨 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 一( 图3 - 3 双边供电时的杂散电流模型 对图3 3 ，由节点电压法可列方程如下： l r “- i - rd+ 亡+ 寺，u + 寺u ：+ 亡c ，一o 寺”c 古+ 毒+ 寺肌+ 亡u ：o 亡”c 亡+ 亡+ 古肌+ 寺u + 古吣邮， ：+ 亡，t 亡+ 古+ 亡，u2 1 + 古矿- “2 亡一c 亡+ 七+ 石1 ，1u ：一+ 亡= 。( 2 n - 5 ， i 1 亡一c 亡+ 亡+ 亡肌一+ 石1 ，啡， i i 一( 志+ 亡+ “i - l - ) uz ，+ 之i 1 u 2 - ，。2 - 3 ) 亡一“i _ l u 石1 + i 1 + - 去- ) u2 - 2 + i 1 ，o ( 2 n - 2 ) 瓦i 亡，( ，i 十，2 ；i 其矩阵形式为： ： + 1 ) u ：。一。：，：( 2n 1 ) i 百+ 瓦u 2 “叫2 朋叫 甲冀如 砚l u 磁e吩 扭 o k r110，之l 船 弩 甲七遗“ 。扭 o 点q1骘h 耙 如奄 k 、，手i鼍屯 u _ 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 l + 三o ， 碍心咤最 瓦1气| 气i 气1 )是 心毛 i 3 1 2 求解模型 o o o ， 上 & 如墨 o 0 0 1 上 毗屯如如k 上 o o o 上 、舶。 铂 o + 土o 、! 龟吨钆墨墨墨 三4 上。凸 铂 足 尽s 尽 l ! o 0 ) 尽吨。 乓也+ 一墨 以上的矩阵，在表述上可以统一为一种形式：g u = i ，其中矩阵g 是一 个方阵。由数值分析的知识可知，可应用l u 分解求解，对g u = i 进行 求解，求解的过程如下： b 囝= y 三y = ， 其中。l 、m 分别为上三角矩阵和下三角矩阵。这样也可以在m a t l a b 编 程求解这些方程，并可绘出全线的电流电压分布图。此外，对照模型，我们 也可以在m a t l a b 里搭建出仿真模型，以验证计算的结果。 在进行仿真和计算时各参数的取值范围如下： 轨道单位长度电阻：o o l 0 0 2 q o n 排流网单位长度电阻：o 0 5 o 2 5 q k m 过渡电阻：0 2 0 d k m 机车电流：1 0 0 0 3 0 0 0 a ，一三啄一| 乓孛 。_【墨 4 k 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 供电区间长度：1 2 5 o n 3 2 分析与结论 3 2 1 影响杂散电流的因素 一 通过计算机仿真分析得知在单、双边供电方式下轨道电压、轨道电流及 杂散电流分布类同，限于篇幅，本文只给出单边供电方式下的部分仿真结果。 此时所分析的情况如图3 4 所示。 x = tx捌 图3 4 杂散电流示意图 1 ) 列车取流电流对轨道电压、轨道电流及杂散电流分布的影响 图3 - 5 轨道电压随牵引电流大小变化的分布曲线 假定轨道纵向电阻r g = 0 0 2 6 q o n 、轨地过渡电阻r t = 1 5 q o n 为标准 规定的正常值，列车距变电所距离l = i 2k m ，列车通过牵引电流1 分别为 1 0 0 0 a 、2 0 0 0 a 、3 0 0 0 a 时，轨道电压u ( x ) 、杂散电流i s ( x ) 随着x 变化的益 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 线如图3 - 5 、图3 - 6 所示。 图3 6 杂散电流随牵引电流大小变化的分布曲线 2 ) 变电所间距离对轨道电压、轨道电流及杂散电流分布的影响 假定轨道纵向电阻r g = 0 0 2 6 q ，o n 、轨地过渡电阻r t = 1 5q o n 为满足 标准规定的正常值，列车通过牵引电流l 为1 0 0 0 a ，当l = i 2 k m 、2 0 k m 、2 8 k m 时轨道电压u ( x ) 、杂散电流i s ( x ) 在铁路沿线的分布如图3 7 、图3 - 8 所示。 5 0 4 0 3 0 2 0 乏1 0 嚣 。 舞 j ；。1 0 - 2 0 3 0 5 0 ；夕 2 ? 一歹 ，、j 。7 、j i ：j ! ：l = i 一：2 k i n i f i；i ；f 。”。“ i 。!：1 3 ：l = 2 “ 0 511522 53 距离k i n 图3 - 7 轨道电压随变电所问距离变化的分布曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文 第19 页 2 1 8 1 6 1 4 1 2 羹 ， 驾 0 8 0 6 0 4 0 2 0 - - - - 一1 ：l = 1 2 k i n 一_ 一3 ：l = 2 卧m 7 。 ； ； ! f - -斌； i ；噩 澎净太；弋一天一 00 51 1522 53 距离，k m 图3 - 8 杂散电流随变电所闻距离变化的分布曲线 3 2 2 杂散电流分布的一般形式 为了从整体上把握杂散电流的分布情况，如图3 - 9 所示为杂散电流概要 图。它在前面模型的建立、推导和仿真的基础上定性而直观的表示了杂散电 流由轨道泄漏到大地，再由大地流回变电所负极这一过程。其中实箭头表示 电流自金属流入大地，空心箭头表示电流自大地流入金属。 3 2 3 总结 根据以上仿真分析可得出以下结论： ( 1 ) 轨道电压、轨道电流及杂散电流均随列车取流增加而增加。因此， 可以提高牵引网压降低牵引电流以达到降低杂散电流的目的。随着列车距变 电所距离的增加，轨道电压增加，而且增加的幅度比较大：与此同时杂散电 流也增大：因此，在地铁系统设计时，应该合理设置变电所，最大可能的减少 变电所间的距离。 ( 2 ) 走行轨绝缘性能的好坏是杂散电流大小的根源。地铁运营中，轨地 过渡电阻值的降低是产生杂散电流的最主要的原因。当轨地过渡电阻在 0 1 5 q 锄范围内变化时，轨道电压逐渐增加，增加的幅度比较大：杂散电 流逐渐减小，减小的幅度比较大。而过渡电阻在1 5 2 0 q - k m 范围内变化时， 轨道电压及杂散电流虽然也在变化，但变化的幅度已经很小。尤其是杂散电 流的变化，在轨地过渡电阻小于0 1q 钿时，杂散电流泄露非常大，此时处 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 于严重的故障状态，必须采取措施进行处理。 ( 1 ) 钢轨泄漏电流的 典型回路 电流流出 峰电流流入 工b 妒争奄奄 = 嚣篇= = = ：一靠：f 。 基准的电位分布( 埋地，。f ，一 。 金属条件同上) ( 6 ) 钢轨泄漏电流i 和埋地金属中电流r 架空馈电线 回归线( 钢轨) “， 与钢轨平行的埋地金属 与钢轨正交的埋地金属 无限远的基准电位 埋地金属电位 埋地金属附近大地电位 轨电位 与钢轨平行的地时金属 对附近大地的电压 钢轨对地电压 无限远基准 埋地金属电位 埋地金属附近大地电位 相对埋地金属附近 大地的电压 大地中流动的电流 埋地金属中流动的电流 图3 - 9 杂散电流概要图 在轨地过渡电阻大于3 q b ，l 时，杂散电流饿泄露最多是列车取流电流 的2 0 左右，杂散电流的危害已经不大。在轨地电阻大于1 5 q b ，l 时，杂散 电流的泄露最多是列车取流的o 5 左右，此时杂散电流是安全的。地铁杂 散电流腐蚀防护技术规程4 2 1 规定，新建地铁要求轨地过渡电阻不应小于 1 5 q 枷，地铁运行过程中轨地过渡电阻不应小于3 q 砌。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 ( 3 ) 走行轨电阻较大时，回流电流在其上流过时产生的电压也大，使钢轨 对地的电位差也增大，从而增加了泄漏的杂散电流，为此必须设法降低走行轨 的电阻值。轨道电压随轨道纵向电阻的增加而大幅度增加；杂散电流随着轨 道纵向电阻的增加呈现微小幅度的增加。因此为降低走行轨电阻。减少其杂散 电流，在防护设计中选用电阻率低的材料，增大钢轨横截面积，将短钢轨焊接成 长钢轨。 除上述因素外，杂散电流还与其它许多因素相关。如变电所整流器的位 置、馈电区段、负荷分担状态、回归线的屯阻等，并且由于列车是移动负荷， 负荷电流在启动、堕行、制动等运行状态下都在变化，而且牵引网又有可能 是多负荷，所以实际的计算情况是非常复杂的。这里的分析只是定性地对杂 散电流有个基本的了解，并为杂散电流监测和防护提供一定的理论依据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 第4 章杂散电流的防护与监测 4 1 杂散电流的防护 如何将杂散屯流降到最底程度，即采取源控制”的办法乃是根本的治 理大计。也就是说，在地铁建设中，首先应有一个严格和完善的防护杂散电 流的设计，并按照标准要求进行一丝不苟的施工，以期“防患于未然”，这当 然是必不可少的先期防护措施。但是，又不能不注意到，地铁建设过程中的 许多先期防护措施是会随着时间的推移而逐渐失效的。一项新建的杂散电流 甚小的地铁系统，在运行一段时间之后，由于不可避免的污染，潮湿，漏水 和受力破坏等因素，均会是原来良好的轨地绝缘性能降低，老化或失效。当 出现这种情况后，排流法是消除杂散电流腐蚀最有效的手段。此外，分段供 电，在轨道上设置绝缘结，使用单向导通装置也是防止特殊地段杂散电流腐 蚀的有效措施之一【l o 】。 地下设施防止杂散电流腐蚀的措施分为被动型和主动型两种。覆盖绝缘 层、铺设在绝缘管道内、选择合适的路线和电分段等基本上属于被动的防护 措旋。对于地下设施，防止牵引电流从钢轨直接流入设旌是基本的和首要的 防护措施。 4 1 1 被动型保护法 埋地钢管由于纵向屯导通性良好，容易集聚来自远方的电流，加之壁厚 较薄，故易受杂散电流腐蚀，有必要采取适当的防治措施。当钢制管道直接 敷设在杂散电流分布区时，无论土壤腐蚀活动如何，都应有加强防护层。电 缆要有管型聚合覆盖层。裸铅包电缆仅敷设在绝缘管、通道、隧道或管道中， 并保证水不进入上述管道。敷设钢管和电缆时，应尽可能远离地铁线路。在 车站和机务段内，地铁最近的轨条与线间敷设的地下设施之间的直线距离不 应小于1 6 m ；敷设在线路的大地侧，则不应少于2 m 。选择路径时，应取地 下设旖与地铁线路交叉的最小值。在交叉时，地下设施敷设的深度，距轨底 不少于1 5 m 。电缆在线路下部时应敷设在石棉水泥管里，管子敷设在有绝缘 垫的管沟内，绝缘垫上集中放置管子，管沟的木块要垫紧，管子本身用加强 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 绝缘层覆盖，其加强绝缘层露出管沟端部3 m 。上述大多数措施，同时也是 防止土壤腐蚀方面的措施。因此防止土壤腐蚀的问题也得到解决。 4 1 2 主动型保护法 “主动型防护方法是基于将杂散电流从地下设施引至回流轨，或将这些电 流与相遇的电流抵消。主动型保护法其中最为重要的一种方法即为排流保护 法。排流保护法主要是为保护金属导体而采取的防护措施，其基本原理是将 被保护的金属导体对走行孰的阳极区用导线连接起来，从丽相当于将金属导 体与走行轨短路，使被保护的管道变为阴极性的，从而防止金属发生阳极腐 蚀。 地铁隧道内( 或轻轨基础上) 的道床，一般为整体固定道床，整体道床 每个结构段大约5 0 米左右，现在新建地铁，大都将各段道床内结构钢筋焊接 为一电气整体，称之为道床排流网，并将各段道床排流网通过电缆相连，使 道床内形成低电阻杂散电流通道，排流至变电所的负极。 根据德国v d e l 5 0 标准，各牵引区段，在排流网上的纵向电压降小于o 1 伏。用排流网上纵向电压降的允许值，及各区段杂散电流的大小，计算出排 流网截面，都在1 0 0 0 m m 2 以上。此时排流网每公里的电阻小于0 1 6 f 2 k m ， 这个电阻值是非常小的。因此排流效果非常好。 主动型保护法中除了排流法钋，还有阴极保护法。其工作原理是用专门 的直流电源( 阴极站) 供出反向的电流，来抵消地下设施流出的杂散电流。 为了在大地形成上述电流，阴极站的负极引出端接至地下设施，正极引出端 接至特殊阳极接地器。当阴极保护电流等于从设施流出的杂散电流时，设施 表面的电腐蚀终止，当电流较大时，则形成阴极极化效应。如果阳极接地器 使用钢电极，则其周围填炭，在钢电极和炭之间形成电子导电；也可使用炭、 石墨或铁矽电极，其可溶性比钢低9 0 至1 j9 5 。为使地下设施的防护电位均 衡分布。阳极接地的布置距地下设施要远于5 0 r e 。 实质上，前述的排流法亦可看成是阴极保护法，它以钢轨作为阴极站的 负极。 阴极保护与排流防护相比，其优点是，可由于牵引变电所之间任何地点 的保护电流不因杂散电流的变化而改变；缺点是，设备造价高，需供给所需 消耗的电能，以及需要阳极接地设施。 在实际的工程中经常采用排流法和阴极保护法相结合的方法来对杂散 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 电流进行防护。 4 2 杂散电流的监测 城市轨道交通工程是大型的重点工程，在做好杂散电流的防护后还要做 好杂散电流的监测工作。实时监测杂散电流的大小和分布是做好地铁杂散电 流防护、保证地铁、轻轨正常运营相当重要的一环。 4 2 1 监测系统的拓朴图 图4 - 1 杂散电流监测系统结构图 如图4 1 所示为本文设计杂散电流监测系统的系统结构图。图中的极化 电压采集模块安装在轨道交通铁路沿线的各杂散电流监测点处。 在图4 1 中微机透过4 8 5 总线与数据采集装置相联，轮流采集铁路沿线 各采集点的极化电压数据；并存入数据库：之后，通过数据分析软件操作数 据库来分析和查看整条铁路上杂散电流极化电压的大小和分布情况。各杂散 电流监测点在城市轨道交通系统建设时就装设了接线盒，用于方便与电气量 采集模块进行电气连接。监测点接线盒的结构示意图如图4 ，2 所示。 在实际的监测过程中，图4 1 中的电压采集模块通过与图4 2 接线盒中 的相关接线端子相连接，将杂散电流引起的极化电压数据采集并保存起来。 与此周时，电压采集模块实时监听与之相连的4 8 5 总线。当上位机通过串口、 r s 4 8 5 转r s 2 3 2 的数据转换器，向电压采集模块发送数据采集命令和要采集 数据的采集模块号地址时，下位机接收数据，并分析是否与本机的地址相符， 如果相符，则下位机通过4 8 5 总线发送数据到上位机。上位机接收下位机上 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 传来的数据并将其自动保存到数据库。 1 监测点接线盒2 通往监测中心的测量电缆3 熔断器 4 活动式短接导线或铜片5 测量连接线r 一走行轨c 结构钢筋k 一电缆外铠装等金 属结构z 测量接地极t r 扼流变压器( 或走行轨分断点) 图4 - 2 监测点接线盒构成图 4 2 2 监测点及参比电极的设置 由于杂散电流在铁路沿线的分布是不均匀的，所以通过研究，一般规定 铁路沿线专用的防蚀监测点应设置在下列部位： 1 ) 车站站台的两侧进、出站信号附近： 2 ) 每一个回流点处及需要进行测试的走行轨分断点处； 3 ) 地铁桥梁的两端； 4 ) 地铁的尽头线及线路与车辆段的连接坡道处。 与此同时监测点的设置要满足下列要求1 3 1 ： 1 ) 提供本部位的接地测量参比电极；附近的金属管线结构应具备测量 接线点： 2 ) 在需要测量土壤电阻率p 的地方，提供专用的土壤电阻率测量电极； 3 ) 监测点测量线的截面面积不应小于2 5m m 2 ，长度不宜超过1 0 m ，并 应具有工频2 k v 以上的绝缘耐压水平。 4 ) 在有绝缘轨道电路的线路上，监测点应设在距轨道扼流变压器1 0 m 以内处。在采用无绝缘轨道电路的线路上，监测点的设置应与走行轨分断点配 合。 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 5 ) 对以直埋方式敷设在地中的水管和电缆等，应利用已有的可接触部位 作监测点( 如观察窗、观测井以及建筑物或其它可利用的设施等) 。对于距离 较长的管线结构，可参照通信部门的有关规定，设置专用的监测点。 此外为保证检修人员的安全，尽可能将接触网与钢轨的送电、停电对应 起来，以将停车库线的负回流系统分成三组，并分别设置一台钢轨电位限制 装置，且在有测试端子的地方，相距不超过l m 的范围内，对应设置个参 考电极。 图4 3 隧道杂散电流监测点 如图4 3 和图4 4 所示为典型的杂散电流监测点及参比电极设置示意图。 参比电极在杂散电流的监测系统中必不可少，它为测量杂散电流的极化电压 提供了一个零电位的参考点，一般为棒状。参比电极安装( 埋设) 在整体道 床、隧道璧、高架桥轨道梁上，用于测试杂散电流引起轨道梁、隧道、整体 道床内结构钢筋电位变化，从而反应结构钢筋的腐蚀情况。用于杂散电流监 测的参比电极需要具有体积小、电位稳定、耐震动、长寿命、适用于较干燥 混凝土结构测试的特点。 目前用于地铁、轻轨杂散电流监测的参比电极主要为钼氧化钼参比电 极。这种参比电极适合在碱性溶液中使用，氯离子含量对其电位稳定性影响 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 不大，在o 2 5 1 o 不同含量的氯离子的饱和氢氧化钙介质中电位稳定性较 好。电位漂移不超过2 0 m v ；在5 u a 电流长期极化下电位波动不大于3 0 m v ； 寿命一般在l o 年以上。 图4 4商架桥杂散电流监测点 此外还有锌电极和铜，硫酸铜电极，这两种参比电极常用在土壤和水溶液 介质中作为电位测量用参比电极。锌电极在工作时容易在表面上生成钝化膜， 特别是在高温气候条件下更容易生成钝化膜。因此，电极电位的稳定性较差， 不适合于直接暴露在空气中的混凝土结构物中应用。铜硫酸铜电极一般作为 手提式电极短期应用比较合适。近几年来开发的长寿命铜硫酸铜电极通常应 用在埋地管线等结构物的电位测量上。由于该电极本身体积很大，而且还需 要埋设在装有填包料的布袋中，占据庞大的体积。因此，上述两种电极均不 大适合于埋置在钢筋混凝土结构物中作为参比电极使用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 第5 章监测系统下位机设计 5 1单片机的选择 本文所设计的杂散电流监测系统由下位机、上位机、通信线路、数据采 集与分析软件等部分组成。以下便介绍下位机的设计。 本系统的下位机( 即杂散电流极化电压采集模块) 采用c 8 0 5 1 f 系列单 片机来进行数据的采集和计算。c 8 0 5 1 f 系列单片机是完全集成混合信号的 m c u s ，真正实现了片上系统。c 8 0 5 1 f 3 l x 系列m c u 在c i p 5 1 内核和外设方 面有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。 c 8 0 5 1 f 系列单片机扩展的中断系统向c i p 一5 1 提供1 4 个中断源( 标准8 0 5 1 只有7 个中断源) 。允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的 系统需要较少的m c u 干预，因而有更高的执行效率。在设计一个多任务实时系 统时，这些增加的中断源是非常有用的。 c 8 0 5 1 f 系列单片机m c u 有多达8 个复位源；上电复位电路( p o r ) 、一个片 内v d d 监视器( 当电源电压低于v r s t 时强制复位) 、一个看门狗定时器、一个时 钟丢失检测器、一个由比较器0 提供的电压检测器、一个软件强制复位、外部 复位输入引脚和f l a s h 读写错误保护复位。除了p o r 、复位输入引脚及f l a s h 操作错误这三个复位源之外，其他复位源都可以被软件禁止。在一次上电复位 之后的m c u 初始化期间，w d t 可以被永久性使能l “。 c 8 0 5 1 f 系列单片机内部振荡器在出厂时已经被校准为2 4 5 m h z 2 。器件 内还集成了外部振荡器驱动电路，允许使用晶体、陶瓷谐振器、电容、r c 或外 部时钟源产生系统时钟。如果需要，时钟源可以在运行时切换到外部振荡器。 外部振荡器在低功耗系统中是非常有用的，它允许m c u 从一个低频率( 节电) 外部晶体源运行，当需要时再周期性地切换到高速( 可达2 5 m h z ) 的内部振荡 器。如图5 1 所示为片内的时钟和复位电路。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 图5 - 1 片内时钟和复位电路 c 8 0 5 i f 系列单片机包括多款芯片，主要区别在于其内部的f l a s h 容量，内 部集成的功能略有不同。c 8 0 5 1 f 系列单片机芯片封装有3 2 脚l q f p 和2 8 脚m l p 两 种。如图5 2 为c 8 0 5 1 f 系统单片机的内部集成功能模块示意图。表5 一l 为c 8