（电力系统及其自动化专业论文）地铁杂散电流分布及在线监测系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第页 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 n 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 n t h eg r o u n d ，w i l le a s i l yc a u s el a r g e rs w 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 n h e a v yt r a n s p o r t a t i o no f m a s sr 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 y t h et r a i nw i l lb eq u i t el a r g eu pt 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 f t h er u n n i n gr a i lw i l lb ea b o u ts 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 r k 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 tv o l t a g ed r o po nt h er u n n i n gr a i lw i l lb e g 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 ep a r t so ft h ec u r r e n tt ol e a kf r o mt h er a i l a 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 lb a r si nas t r u c t u r e a f t e r w a r d s ，t h e c 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 st h r o u g ht h ee a r t h ，b a c ki n t ot h e n e g a t i v es i d eo f t h et r a c t i o ns u b s t a t i o n t h i sc u r r e n ti sk n o w na st h es t r a yc u r r e n t o 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 se l e c t r i c a lc o r r o s i o nn o to n l yt ot h e s t r u c t u r ea n dp i p i n gi nm r t s y s t e m s ，b u ta l s ot oa d j a c e n ts t r u c t u r e sa n d u 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 dw a t e r n l em a j o rw o r ki n c l u d e st h r e ea s p e c t s ： ( 1 ) b yd e r i v a t i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fm e t r os u b w a ys t r a yc u r r e n t a n di t ss i m u l a t i o n ，w ek n o wt h ed i s t r i b u t i o no ft h es t r a yc u r r e n ta n dt h ef a c t o r s t h a ti n f l u e n tt h eg e n e r a t i o no f t h es t r a yc u r r e n t ( 2 ) t h i st h e s i sa l s oa n a l y s i s e st h es t r a yc u r r e n tc o r r o s i o nm e c h a n i s ma n dt h e h a r m , d e t e r m i n e st h er i s ki n d i c a t o r sa n dj u d g m e n to ft h ec o r r o s i o no fs u b w a y m e t a ls t r u c t u r e s ( 3 ) b a s e do nt h em o n i t o r i n g o fl i n e3o fs h e n z h e ns u b w a y ，as e to fs t r a y c u r r e n to n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mi sd e s i g n e d t h es y s t e mc a nc o l l e c tt h es t e e lp o l a r i z a t i o np o t e n t i a la n dt h er u n n i n gr a i l s o ns t r u c t u r a ls t e e lp o t e n t i a l sa c c u r a t u r a la n dr e l i a b l e ，a n dt r a n s m i s t st h ed a t at o d a t ac o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e r t h ed a t ac o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e rc o m m u n i c a t e t h ea c q u i s i t i o nm o d u l e ，r e a dt h ed a t ar e a l - t i m e ，p r o c e s st h ed a t aa n dt r a n s m i s ti t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 t ot h eb a c k g r o u n dm o n i t o r i n gc o m p u t e r t h ep ck i n g v i e wm o n i t o r i n gs y s t e m c u nm o n i t o rt h ew h o l es y s t e mm o n i t o ro r d e rr e m o t e l y ，c o l l e c t 、p r o c e s sa n d a n a l y s i st h ed a t a ，t h es y s t e mc a ne f f e c tt h em o n i t o r i n gi n f o r m a t i o nb ys t a t e m e n t a n dc u r v e ，p r o v i d er e f e r e n c ef o rt h ep r o t e c t i o no fm e t r os t r a yc u r r e n t 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 ；c o r r o s i o n ；s t r a yc u r r e n t ；o n - l i n e m o n i t o r i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题的研究目的和意义 地铁供电系统一般采用直流牵引供电，并以轨道作为回流通路。在这种 供电方式中，接触网为正极，轨道兼作负回流线。因轨道不可能完全绝缘于 道床结构，因此不可避免地向道床及车站、隧道结构泄漏电流，这部分电流 即为地铁杂散电流。 地铁杂散电流主要对周围的埋地金属管道、通讯电缆外皮及车站和区间 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， 还会降低地铁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。 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【l 】。 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水管5 4 处【2 1 。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 2 , 3 , 4 1 。地铁是一项复杂的地下工程，经若干年运营后，要对主体结构更换或 翻修十分困难，因此应对杂散电流腐蚀给予重视，在地铁运行时加强监测和 有效判断腐蚀情况，采取相应的防护措旖。 1 2 地铁杂散电流腐蚀监测及防护现状 地铁杂散电流腐蚀及防护在发达国家一直受到较高程度的重视，美国、 德国、日本等在此课题上都投入了巨大的人力和财力，取得了丰硕成果。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- d , 段在投入运行， 有关地铁杂散电流腐蚀和防护的研究很少。为证明地铁杂散电流的存在，1 9 7 9 年北京地铁科研所进行了大规模的测量调查，结果表明北京地铁确实存在杂 散电流，引起了各方面的关注。北京地铁公司即研究分析了国外地铁防治杂 散电流的理论和经验，结合实际情况，制定了一套整治措施1 5 】。 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，这种腐蚀属于局部腐蚀。杂散电流造成腐蚀的危害是巨大的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 它会引起钢轨及其附件、钢筋混凝土结构物、埋地管线的异常腐蚀，如不采 取有效的防治措施，会造成不可估量的损失咧。 严格意义上地铁杂散电流分布的数学模型很难推导，国内外研究人员按 不同的假定条件。运用解析法确定了轨道电位和杂散电流的分布解析式，得 出轨地过渡电阻及轨道纵向电阻是影响地铁杂散电流分布的最重要因素。 地铁杂散电流难以直接测量。一般都采用间接的办法来反映杂散电流的 腐蚀情况。相关规程给出了需监测的参数及监测方法，并制订了判定依据【l 6 】。 但给出的监测手段和监测方法均需人工参与，不能自动在线测量，给地铁的 运行和维护带来不便。国外对杂散电流的监测及日常维护管理非常重视，德 国柏林交通公司的做法是：成立专门检查测量部门，长年累月、周而复始的 盔测、检查杂散电流防护情况p 】。就我国地铁运行情况来看，由于测量工作 较麻烦，许多工作还没做，有些规程规定要测量的参数，用常规办法无法测 量。在杂散电流的自动在线监测方面，国外已研究出了长线管道受杂散电流 腐蚀的监测方法，使用了大存储量的数据采集装置，用计算机进行数据采集 和数据分析。 从原理上讲，消除杂散电流即可防止地铁杂散电流腐蚀，但这在实际上 不可能。因此在实践中，一方面要尽可能减少轨道泄漏电流，即从“源头” 上消除杂散电流；另一方面要对各种设施和金属结构采取相应的防护措施。 理论上讲，减少杂散电流的途径有减小轨道纵向电阻及增大轨地过渡电阻。 通过增大钢轨横截面积和缩短负载与变电站间的距离( 即减小变电站的间 距) ，可达到减小轨道纵向电阻的目的。杂散电流腐蚀较严重时，排流法是比 较有效的手段，但使用排流法会对没有采取排流措施的金属结构造成干扰， 因此，有必要研制新的排流装置，减少排流网的副作用。在地铁线路的特殊 地段，目前广泛采取的办法是在轨道上设置绝缘结，并在绝缘结两端连接单 向导通装置。此外，设计地铁杂散电流监测系统，为运营中是否排流提供依 据，以便超标时采取措施。地铁运营系统的日常维护也很重要，每月应定期 对全线轨道线路清扫，保持线路清洁干燥。 1 。3 课题的来源和背景 课题源于“深圳地铁3 号线杂散电流在线监测系统的研制”项目。深彭 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 地铁3 号线是连接深圳特区与深圳龙岗中心城沿东部发展轴布设的客运干 线，供电系统采用1 1 0 3 5 k v 两级电压制集中式供电方式，牵引网采用 d c l 5 0 0 v 接触轨下部授流方式。全线设置两座主变电所，每座主变电所分别 由城市电网引入两回1 1 0 k v 独立电源，降压后以3 5 k v 电压向深圳地铁3 号 线沿线牵引降压混合变电所和降压变电所供电。课题据深圳地铁3 号线实际 工程项目要求，采用自动在线监测系统，达到了实时监测杂散电流的耳的。 1 4 论文所做工作 论文主要工作有以下几个方面： ( 1 ) 建立了单、双边直流牵引供电方式下地铁杂散电流分布的数学模 型并仿真，总结地铁杂散电流的分布规律及影响其分布的各因素； ( 2 ) 分析了地铁杂散电流的腐蚀机理及危害： ( 3 ) 确定了监测方案，分析了需监测的参数及意义； ( 4 ) 设计了深圳地铁3 号线杂散电流在线监钡9 系统，分析了监测原理， 阐述了系统的结构，分析了上位机监测系统结构及功能； ( 5 ) 对本文的研究成果进行总结，指出本系统尚存在的问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章地铁杂散电流分布数学模型及仿真 研究地铁杂散电流的分布规律，对监测点位置的确定具有参考价值。通 过分析，可指出影响杂散电流分布规律的因素，对采取防护及减少杂散电流 的技术措施有重要意义】。 2 1 地铁直流供电系统及杂散电流的形成 目前地铁牵引方式采用电力牵引， 所示即为地铁牵引供电系统示意图。 由区域变电所来或 由她笔塑来 供电系统大多采用直流供电，图2 1 由区域变电所来或 由地铁主变电所来 o ；x l 2 ，l 】，o ) o ；因此( 工) 在x o ， l 2 】内单调递增，在x e l 2 ，l 】内单调递增。 可求得： ( o ) = 0 白叫一疆1 ) ( 2 - - 1 9 ) 2 犯) = 0 2 ) 计算机仿真 根据式( 2 1 1 ) 、( 2 - - 1 2 ) 、( 2 1 3 ) ，利用m a t l a b 软件迸行了仿真 计算，分析轨道电压、轨道电流及杂散电流的分布规律。 假设轨道纵向电阻r = 0 0 2 6 2 k m 、轨地过渡电阻r t 达到规程规定的 1 5 q k m ，机车距变电所的距离l = i 2k m ，列车通过的牵引电流i = 1 0 0 0 a ， 则沿线轨道电压u ( x ) 的分布曲线如图2 - 6 所示，沿线轨道电流i ( x ) 的分布曲线 如图2 7 所示，沿线杂散电流i 。( x ) 的分布曲线如图2 8 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 7 l l i 图2 - 6 列车距变电所1 2 k i n 时沿线轨道电压u ( x ) 的分布曲线 图2 7 列车距变电所1 2 k i n 时沿线轨道电流i ( x ) 的分布曲线 图2 - 8 列车距变电所1 2 k i n 时沿线杂散电流i 。( x ) 的分布曲线 v蟪面辎联 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 2 2 双边供电系统杂散电流的分布及仿真 地铁牵引供电系统一般采用双边供电方式，由相邻的两个牵引变电所向 同一区间供电，以防有一方发生故障时能保证系统正常运行，双边供电典型 示意图如图2 - 9 所示 7 j 6 1 。 ol，ll+l,a 图2 - 9 双边供电杂散电流分布示意图 1 ) 杂散电流的分布 设两变电所间距离为l ，机车距变电所1 的距离为l l ，距变电所2 的距 离为l 2 ，列车牵引电流为i ，两变电所分别向列车输送电流分别为1 1 、1 2 ，为 简化分析，设两牵引站母线电压相等，由于接触网参数沿线路均匀分布，有： i ，】l 1 = 1 2 l 2 ，i + 1 2 = i ( 2 - - 2 0 ) 【三l + l 2 = l 求解式( 2 - 2 1 ) 得： ，l - 孚， i ：h i ( 2 2 1 ) 双边供电时轨道电压、轨道电流及杂散电流分布可参考单边供电模式。 设r 。为轨道对地的过渡电阻，q k m ：r 为轨道纵向电阻，f l k m ；u i ( x ) 为l 1 区段内x 处的轨道电压，v ；u 2 ( x ) 为l 2 区段内x 处的轨道电压。v ；i t ( x ) 为l 1 区段内x 处的轨道电流，a ；i 2 ( x ) 为l 2 区段内x 处的轨道电流，a ；i ；1 ( x ) 为l l 区段内x 处的杂散电流，a ；i ；2 ( x ) 为l 2 区段内x 处的杂散电流，a ：i 为列车取流电流，a ；x 为距变电所1 的距离，k m 。 l i 区段内，即x o ，l i 】时，参考单边供电模式，轨道电压u l ( x ) 、轨道 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 电流i l ( x ) 及杂散电流l s l ( x ) 的分布表达式为： 一同譬 c h o c ( z 一睾) “力纠1 才 ，。：，；，。一五c h o ( x - 导) ：， l 。7 l 一五：万2 2 t。一c h 盯x - 每) 西詈- ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) l 2 区段内，即x l 1 ，l 2 时，x 距变电所2 的距离为( l l + l 2 x ) ，h p ( l - x ) 。 参考单边供电模式中式( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) ，将( l - x ) 替换式中的x ， 则l 2 区段内轨道电压u 2 ( x ) 、轨道电流i 2 ( x ) 、杂散电流i 。2 ( x ) 的分布表达式为： 姒加、陬：竺竺二：二垒 。2 哨， 如。卜吣厶磊 q 5 幽口一工一冬) 荆吐磊 q _ 2 6 如乩吐c h + - x - 鲁：l f 。一竺土：塑 2 石= 7 2 7 2 ：f 2 2 l j1 一荨2 i 2 ( 2 2 7 ) 2 ) 计算机仿真 设轨道纵向电阻r = 0 0 2 6 f 2 k i n ，轨地过渡电阻r s = 1 5 f 2 k m ，列车牵引 电流为1 0 0 0 a ，列车距变电所l 距离l 1 = l k m ，距变电所2 距离l 2 = 2 k m ，l l 、 l 2 区段内轨道电压分布曲线如图2 1 0 所示，l l 、l 2 区段内轨道电流分布曲 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 线如图2 - l l 所示，l i 、l 2 区段内轨道电流分布曲线如图2 1 2 所示。 1 0 。 6 己4 出2 篓。 g 2 。4 6 。 u 区段内轨道电压分布蛾岖鼬轨道电压：分布蛾 兰三三兽 ：，么 。 ， 荔三三三 o 距离h 图2 l o 双边供电时各区段内轨道电压u l ( x ) 、u 2 ( x ) 的分布曲线 一j ! 【j 7 - 、 i“ 一卜产 ； ! ： ，。- - 一- 一_ - - _ 。 1 2 区段内轨道电藐分布曲线 图2 - 1 1 双边供电时各区段内轨道电流i 1 ( x ) 、i 2 ( x ) 的分布曲线 v，蠓掣捌1iiv，蜷哲援嚣 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 l 1 区段内杂散电流分布曲线l 2 区段内杂散电流分布曲线 0 3 织 o2 5 7 l 0 2 | - 赡 伊o 1 5 摇 麒 n 0 5， 矩离h矩离h 图2 一1 2 双边供电时各区段内杂散电流i ，l ( x ) 、i s 2 ( x ) 的分布曲线 2 2 3 杂散电流分布总结 据以上各种情况的计算机仿真得知，单、双变供电方式下轨道电压、轨 道电流及杂散电流分布类规律类同，总结如下： ( 1 ) 轨道电压、轨道电流直接影响杂散电流，使数学关系表达式一般都 呈现双曲线形式。 ( 2 ) 轨道电流在列车和变电所区间中点处最小，在列车和变电所附近最 大；杂散电流在列车和变电所中点处最大，在列车和变电所附近最小。 ( 3 ) 变电所附近的轨道电位为负的最大值( 比大地电位低) ，此处杂散 电流从埋地金属流出，埋地金属为阳极，杂散电流对埋地金属腐蚀最严重， 应在此处设置杂散电流腐蚀监测点及排流点；列车底部的轨道电位为正的最 大值，该处杂散电流流入埋地金属结构，埋地金属为阴极，而轨道为阳极， 杂散电流会腐蚀钢轨；在列车和变电所中点处，埋地金属电位为零，称为中 性点，电流在该点既不流入，也不流出：而列车总是在运动，所以中心点并 不固定，上述只是说明了其原理性规律。 2 2 1 4 影响杂散电流分布因素的分析 以单边供电模式为例，分析影响轨道电压、轨道电流及杂散电流分布的 因素，为杂散电流腐蚀的监测和防护提供依据。 侣 似 住 o o o o o o o o v，赡i审箍落 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 1 ) 列车取流大小对轨道电压、轨道电流及杂散电流分布的影响 设轨道纵向电阻r = 0 0 2 6 q k m 、轨地过渡电阻r g = 1 5 q k m ，列车距变 电所的距离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，沿线轨道电压u ( x ) 的分布曲线如图2 1 3 所示，沿线轨道电流i ( x ) 的分布 曲线如图2 1 4 所示，沿线杂散电流i 。( x ) 的分布曲线如图2 1 5 所示。 一4 0 - ：4 乡哆 形) 盔釜之y 专；锣 钐7 二7 _ u 一 一2 ： 2 0 0 0 a l 一3 ：# 3 0 0 0 a 一4 ： 4 0 o0 20 4060 8112 距离，h 圈2 1 3 列车取流不同时轨道电压u ( x ) 的分布曲线 i ：1 叩o 时轨道电湖g 分布曲线i = 2 o 埘轨道电流的分布曲线 l g j f 8 1 9 j i g 舶6 9 j l g 4 伸j 3 0 卫 3 0 1 吩0 蠕4 蓁鬻 瓣8 翱9 8b 图2 1 4 列车取流不同时轨道电流“x ) 的分布曲线 o ，出世接1ii v，黯删捌葚 v，螺廿真蒜 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 匪罱，h 图2 1 5 列车取流不同时杂散电流i s ( x ) 的分布曲线 2 ) 列车距变电所的距离对轨道电压、轨道电流及杂散电流分布的影响 假定轨道纵向电阻r = 0 0 2 6 f l k m 、轨地过渡电阻p 铲1 5 q k m ，列车通 过的牵引电流i = 1 0 0 0 a ，当l 分别为1 2k m 、2 0k m 、2 , 8k m 时，沿线轨道 电压u ( x ) 的分布曲线如图2 1 6 所示，沿线轨道电流i ( x ) 的分布曲线如图2 一1 7 所示，沿线杂散电流i 。( x ) 的分布曲线如图2 1 8 所示。 图2 1 6 列车距变电所的距离不同时轨道电压u ( x ) 的分布曲线 v，蜷脚衽碟 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 臣离h 图2 一1 7 列车距变电所的距离不同时轨道电流“x ) 的分布曲线 圆2 - 1 8 列车距变电所的距离不同时杂散电流i 5 ( x ) 的分布曲线 3 ) 轨地过渡电阻对轨道电压、轨道电流及杂散电流分布的影响 假设轨道纵向电阻r = 0 0 2 6 k i n ，列车通过的牵引电流i = 1 0 0 0 a ，列车 距变电所距离l = i 2k m ，x = 0 8k m ，则轨道电压u ( x ) 随砧变化的分布曲线如 图2 一1 9 所示，轨道电流i ( x ) 随r 。变化的分布曲线如图2 2 0 所示，杂散电流 i s ( x ) 随变化的分布曲线如图2 - 2 1 所示。 v，鼹i审箍谍 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 5 5 5 4 5 4 3 - 5 蚕s 锄2 5 趔 # 2 15 1 o 5 0 00 51 轨地过渡电阻，0 妇- 图2 一1 9 轨地过渡电阻变化时轨道电压u ( x ) 的分布曲线 厂j jj 1 00 5115 轨地过渡胡，o 】m 茬 j 三量 图2 2 0 轨地过渡电阻变化时轨道电流i ( x ) 的分布曲线 伽 科 郇 m 咖 善； 枷 言 猢 伽 o ，v，嫣甘捌菸 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 墓锄 ，卜 1 毳匿蛰 i ： ： ： ；： h j j j j 一 凡 ： ： 一 飞：芝： 图2 2 1 轨地过渡电阻变化时杂散电流i “x ) 的分布曲线 4 ) 轨道纵向电阻对轨道电压、轨道电流及杂散电流分布的影响 设轨地过渡电阻r g - 1 5 q k m ，列车距变电所距离l = i 2k m ，x = 0 8k m ， 列车通过的牵引电流i = 1 0 0 0 a ，则轨道电压u ( x ) 随r 变化的分布曲线如图2 2 2 所示，轨道电流i c x ) 随r 变化的分布曲线如图2 2 3 所示，杂散电流i 。( x ) 随r 变化的分布曲线如图2 - 2 4 所示。 轨道纵向电阻( o l m ) 图2 - 2 2 轨道纵向电阻变化时轨道电压u ( x ) 的分布曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 l o 9 9 5 9 蛔9 。 。 入 ：、 ! 图2 2 4 轨道纵向电阻变化时杂散电流i 。( x ) 的分布曲线 5 ) 总结 ( 1 ) 由图2 1 3 、2 1 4 可知，随着列车取流的增加，轨道电压、轨道电 流均增加，且增加幅度较大。由图2 1 5 可知，随着列车取流的增加，杂散电 流也增加。但增加幅度不是很大。据功率公式p = u i 可知，在相同的牵引功 率下，提高牵引电压，可以按相同比例降低负荷电流，从而达到降低杂散电 流的目的。 ( 2 ) 由图2 1 6 可知，随着列车距变电所距离的增加，轨道电压增加，且 增加的幅度较大。由图2 1 7 、2 1 8 可知，随着列车距变电所距离的增加，轨 道电流减小，杂散电流增大，且轨道电流减小和杂散电流增大的幅度不是特 5 8 5 善； 嫩 喜i=；甥掣捌1fi。 3 5 2 5 n 吣 n 嚣审衽乐 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 l 页 别大。因此，在地铁供电系统设计时，应该合理设置牵引变电所，变电所间 的距离不宜过长。 ( 3 ) 走行轨绝缘性能的好坏是杂散电流大小的根源，地铁运营系统中， 轨地过渡电阻对杂散电流的分布影响最大，轨地过渡电阻值的降低是杂散电 流增大的最主要原因。由图2 1 9 、2 2 0 、2 2 1 表明，随着轨地过渡电阻的增 加，轨道电压、轨道电流均增加，而杂散电流减小；且轨地过渡电阻在卜 1 5 q k m 范围内变化时，轨道电压及轨道电流增加的幅度都较大，而杂散电 流减小的幅度较大；尤其在轨地过渡电阻小于o 1q ，k m 时，轨道电压、轨道 电流均非常大，且杂散电流的值很大，此时处于严重故障状态，须采取措施 进行处理；而轨地过渡电阻在1 5 q k m 以上范围内变化时，轨道电压、轨道 电流及杂散电流虽也在变化，但变化的幅度已很小。所以在地铁建设和运营 时，应采取有效措施增大轨地过渡电阻。相关规程即规定，新建地铁轨地过 渡电阻应大于1 5 q k m ，地铁运行过程中轨地过渡电阻应不小于3 q k d ”】。 ( 4 ) 由图2 2 2 可知，轨道电压随轨道纵向电阻的增加而大幅度增加。由 图2 2 3 可知，轨道电流随软道纵向电阻的增加而减小，但减小的幅度非常小。 由图2 2 4 可知，杂散电流随轨道纵向电阻的增加呈现微小幅度的增加。即轨 道纵向电阻对轨道电位影响较大，对轨道电流及杂散电流的影响较小。轨道 纵向电阻较大时，回流电流流过时产生的压降也大，使轨道对地的电位差也 增大，从而增加了杂散电流，为此须设法降低轨道纵向电阻。 轨道电压、轨道电流及杂散电流除和上述因素有关外还与很多因素有关， 如变电所整流器的位置、馈电区段、负荷分担状态、馈电线的电阻等，且列 车为移动负荷，在启动、堕行、制动等运行状态下负荷电流都在变化，又 有可能是多负荷，所以实际的计算非常复杂，实测也非常困难。论文计算和 仿真的目的只是为了对地铁杂散电流有个基本的了解，为杂散电流监测及防 护提供依据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 第3 章地铁杂散电流腐蚀机理 3 1 电化学腐蚀机理 金属腐蚀是金属与周围介质发生化学、电化学或物理作用成为金属化合 物而受破坏的一种现象。电化学腐蚀指金属表面与离子导电的介质( 电解质) 发生电化学反应引起的破坏d o , n 。 电化学腐蚀是一种氧化还原反应，阳极溶解导致金属腐蚀，过程如下： ( 1 ) 阳极过程 阳极过程是金属溶解，以离子的形式进入溶液中，并把当量的电子留在 金属上，即发生氧化反应的过程： f m ”n e l 一m ”+ n e + ( 2 ) 阴极过程 从阳极流过来的电子被阴极表面溶液中能够接受电子的物质所吸收，即 发生阴极还原反应： d + n e 一 d h e 最常见的接收电子的物质是氢离子和氧分子，由这两种物质接收电子的 腐蚀分别称为析氢腐蚀和吸氧腐蚀。 ( 3 ) 电流的流动 腐蚀电池中，阴极和阳极靠电子的流动过程而紧密的联系着( 电子从阳极 流向阴极1 。在溶液中，阳离子向阴极区移动，阴离子向阳极区移动。只要其 中一个受到阻滞其他两个过程也将不能顺利进行，整个腐蚀电池的工作受阻， 金属的电化学腐蚀过程也难以顺利进行。 电极一般是指电子导体( 金属) 和离予导体( 电界质溶液或熔融盐) 组 成的体系，以金属溶液表示。电极上有净电流通过时，电极电位偏离了未通 电时的开路电位( 平衡电位或非平衡的稳态电位) ，且电极电位的偏离程度随 通过电流的增大而增大，这种现象q 电极的极化，简称极化。 电化学腐蚀过程中，阳极区的自由电子移向阴极区，使阴极区电子缺乏 面阳极区产生的电子又来不及补充，因而阳极发生极化。即由于电流的通过， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 阳极电位偏离原来的平衡电位，向正方向移动，即阳极发生极化，此时的电 位即为阳极极化电位。阳极极化越大，阳极过程受阻滞越严重，这对防止金 属腐蚀有利。阳极极化程度大小通常由极化曲线来判断。极化曲线是表示电 极电位与通过的电流密度之间关系的曲线，曲线中电位对电流密度的导数表 示电极的真实极化率，极化率的倒数作为电极反应过程进行的难易程度的度 量，称为在某电位下电极反应过程的真实效率。一般用曲线的倾斜程度表示 极化程度，叫极化度。曲线越陡，极化度越大，表示电极过程受阻滞程度越 大；反之，若曲线较平坦，表明极化度小，反应较容易进行，一般金属在活 化状态下，阳极极化程度不大，这时阳极极化曲线较平坦【1 1 , 1 2 , 1 3 。 3 2 地铁杂散电流的腐蚀 3 2 1 腐蚀的基本原理 地铁杂散电流腐蚀本质上是电化学腐蚀，是具有阳极过程和阴极过程的 氧化还原反应。腐蚀的机理是，电极电位较低的金属失去电子被氧化成金属 离子，金属周围介质中电极电位较高的去极化剂得到电子被还原。杂散电流 腐蚀与自然腐蚀有本质区别，杂散电流腐蚀是外部电源泄漏电流作用的结果， 而自然腐蚀是自发进行的，自然腐蚀的速度很慢，一般经较长时间才能观察 到，而杂散电流数值较大，引发腐蚀的速度较快，经常遭受杂散电流腐蚀的 管线几个月便会穿孔。金属导体受杂散电流腐蚀时，有一个显著特点，电极 电位( 金属导体对地电位) 较负的区域为阴极，此处杂散电流流入金属导体， 电极电位较正的区域为阳极区，此处杂散电流流出金属导体，且阳极过程和 阴极过程在空间位置上是分开进行的 4 , 1 3 j 4 。 地铁杂散电流腐蚀示意图如图3 1 所示。 y =垒g 图3 - 1 地铁直流牵引供电方式及杂散电流腐蚀示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 图3 1 中，i 为牵引电流，i 。、i ，分别为轨道回流和杂散电流。 由图3 1 可知，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： 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：d 金属管线( 阳极区) 一e 土壤、道一f 钢轨 ( 阴极区) 地铁杂散电流由图3 1 中两个阳极区一钢轨( a ) 和金属管线( d ) 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，当金 属( f e ) 周围的介质是酸性电解质，即p h ，7 时，发生的氧化 还原反应是吸氧腐蚀 2 , 1 2 , 1 3 】。 腐蚀反应方程式如下： ( 1 ) 析氢腐蚀 阳极：2 f e 铮2 f e 2 + + 4 e 一 阴极：4 日+ + 4 e 一铮2 h ，t( 无氧酸性环境) 4 h ，0 + 4 e 一甘4 0 h 一+ 2 h ，( 无氧环境) ( 2 ) 吸氧腐蚀 阳极：2 f e 2 f e 2 + + 4 p 一 阴极：2 0 2 + h 2 0 + 如4 0 h 一( 有氧碱性环境) 。 上述两种腐蚀反应通常生成f e ( o h ) 2 ，在钢筋表面或介质中析出，部分 还可进一步被氧化成f 。( o r - i ) 3 。生成的f 。( 0 h ) 2 继续被介质中的0 2 氧化成棕 色的f e 2 0 3 2 x h 2 0 ( 红铁锈的主要成分) ，f e ( o h ) 3 可进一步生成f e 3 0 4 ( 黑 铁锈的主要成分) 【4 ，13 1 。 3 2 2 腐蚀的速率 地铁走行轨a 处泄漏出来的电流流入土壤b ( 及主体结构) 中，产生地 电场，使土壤和主体结构的不同电位之间有电流流过，两个不同区问的电位 差越大，电流也越大。当土壤和混凝土钢筋主体结构中有金属导体g 时，流 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 过两种不同介质和金属导体中的电流密度也不同。以土壤中埋置的金属管道 为例，其中的电流密度与土壤的电流密度之比如式( 3 1 ) 所示1 2 , 1 5 。 鱼：4 t p ( 3 - 1 ) i d p 式( 3 1 ) 中，i r 金属管道中的电流密度，m a c m 2 ；卜土壤介质中的 电流密度，m a c m 2 ；p 土壤介质的电阻率，q m ；p _ 金属管道的电阻率， q m ；d 一管道的直径，m ；t 管壁的厚度，m 。 假设埋有一个直径d = 0 3 m 、壁厚为t = 0 0 1 5 m 的输水管道，己知铁的电 阻率p o = 1 0 x 1 0 。q m ，设土壤的电阻率0 = 4 5 4 9 f 2 m ，且流过土壤的电流密 度i = l m a c m 2 ，则由式( 3 - 1 ) 得水管中的电流密度为i o = 9 0 9 x 1 0 7 m a c m 2 。 由此可见杂散电流基本上是沿管道流动，不再流经土壤。 根据法拉第电解第一定律，金属在电解质溶液中自发地进行电化学腐蚀 的腐蚀量a w 与流过金属的电量q 成正比【2 ，3 ，2 2 1 ，即： a w ：丝q ；k a t ( 3 2 ) n f 式( 3 - 2 ) 中，w 一金属在时间t 内的腐蚀量，k g ：q 一在时间t 内流 过金属的电量，c ；f - - f a r a d a y 常数，1 f = 9 6 4 8 5 c ；_ 金属放氧化过程中失 去的价电子数：k 金属的电化学当量，k = - m n f ，k g ( a s ) ，在电解质水溶液 中f e 2 + 的k = - 2 8 9 4 x 1 0 k g ( a s ) ；m 一金属的t o o l 质量，f e 的t o o l 质量 m = 5 5 8 4 7 x 1 0 。k g m o l ；i 一流出阳极金属的电流，a 。 此外，金属的腐蚀速率可由式( 3 3 ) 计算。 v ：- 垒竺：3 6 0 0 1 m ( 3 3 ) a t an f a 式( 3 - 3 ) 中，v - - 单位时问内单位面积上的金属腐蚀量，k e , ( c m 2 h ) ；a 一 阳极金属被