便携式杂散电流测试装置的设计

摘要最近几年，随着经济的快速发展，电气化铁路交通及埋地油气管道数量迅速增长，导致杂散电流干扰源越来越多，危害也越来越严重。杂散电流腐蚀可以诱发管道穿孔等事故，不但给人们的生活带来极大的不便，也会对环境造成污染。因此，对杂散电流采取积极有效的检测和防治措施，具有深远的研究价值和重大的实践意义。本文详细介绍了杂散电流的相关内容，具体包括：杂散电流的形成以及推导公式，杂散电流的腐蚀危害，并且建立了“走行轨埋地管线大地”结构的杂散电流分布模型，并且利用Matlab软件进行了仿真，而且针对此种模型下，影响杂散电流的各项因素进行了分析。本文中便携式杂散电流测试装置的设计思路是参照管/地电位测试法来进行设计的。根据功能需求，本文采用的是C8051F340单片机为主要核心元件。整个硬件电路设计包括数据采集模块、数据存储模块、人机接口模块、声光报警模块以及电源模块组成。本文设计的便携式杂散电流测试装置具有使用方便、操作简单的特点。关键词：杂散电流；管地电位；测试AbstractWiththerapiddevelopmentofourcountryseconomyinrecentyears,rapidgrowthinthenumberofelectrifiedrailwayandoilgaspipelinecausesmoreandmorestraycurrentinterferencesourceandincreasesseriousharm.Forexample,straycurrentcorrosionmaycausepipeperforationaccidentswhichnotonlybringgreatinconvenienceintopeopleslivesbutalsocauseseriouspollutionoftheenvironment.Therefore,totakepositiveandeffectivedetectionandpreventionmeasuresofthestraycurrenthasfar-reachingresearchvalueandgreatpracticalsignificance.Thispaperintroducestherelatedcontentofstraycurrent，including:straycurrentandtheformula,corrosionofstraycurrent,andtheestablishmentofthestraycurrentdistributionmodeloforbitEarthstructure,andsimulatedbyusingMatlabsoftware,andaccordingtothismodel,theinfluenceofstraycurrenttheanalysis.DesignofportablestraycurrenttestingdeviceinthispaperreferstotheP/Spotentialtestmethodtocarryonthedesign.Accordingtothefunctionrequirement,thispaperusesC8051F340microcontrollerasthecoreelement.Thewholehardwarecircuitdesignincludesdataacquisitionmodule,datastoragemodule,man-machineinterfacemodule,alarmmoduleandpowermodule.Toachievethedatawaveformdisplay,datadisplay,inadditiontotheSDcardasdatastoragedevices.Portablestraycurrenttestingdevicedesignedinthispaperhasthecharacteristicsofconvenientuse,simpleoperation.Keywords:straycurrent;P/Spotential;test目录1绪论.11.1课题的背景及意义.11.2国内外研究现状.21.3本文研究的主要内容.32直流牵引供电系统与杂散电流的理论研究.52.1直流牵引供电系统的组成.52.2杂散电流的形成及推导公式.62.2.1杂散电流的形成.62.2.2杂散电流的推导公式.62.3杂散电流的产生原因.82.4杂散电流的腐蚀危害.82.4.1对走行轨及其配件的腐蚀.82.4.2对钢筋混凝土构件的腐蚀.82.4.3对埋地金属管线的腐蚀.92.4.4杂散电流烧坏排流设备.92.4.5对人身安全构成威胁.93杂散电流分布模型及防护措施综述.103.1构建“走行轨-埋地管线-大地”结构的杂散电流分布模型.103.2对“走行轨埋地管线大地”结构的杂散电流分布模型进行仿真分析.133.3对影响杂散电流的各项因素的分析.143.3.1走行轨的纵向电阻.143.3.2走行轨相对埋地管线的过渡电阻.163.3.3牵引变电所向机车提供的电流.163.3.4牵引变电所离机车的距离.183.3.5埋地管线的纵向电阻.193.4杂散电流的防护措施综述.203.4.1直流杂散电流的判定.203.4.2交流杂散电流的判定.213.4.3杂散电流的防护措施.214硬件电路设计.224.1功能需求分析.224.1.1管/地电位测试法.224.1.2参比电极.224.1.3主要技术指标.224.2总体设计功能.234.2.1主控方案设计.234.2.2数据存储方案设计.234.2.3键盘方案设计.234.3结构设计.244.4硬件电路设计.254.4.1C8051F340单片机简介与特性.254.4.2C8051F340的外围电路.264.4.3人机接口电路(键盘和显示模块).274.4.4数据存储模块电路.284.4.5数据采集模块电路.294.4.6电源模块电路.334.4.7声光报警模块电路.345软件流程设计和抗干扰设计.355.1软件流程设计.355.1.1系统设置模块.365.1.2电位测量模块.365.1.3自动采集模块.375.2抗干扰设计.395.2.1干扰的基本要素.395.2.2抗干扰设计的主要方法.395.2.3切断干扰的传播途径.395.2.4提高敏感元器件的抗干扰性能.406总结.41参考文献.42翻译部分.44英文原文.44中文译文.52致谢.591绪论1.1课题的背景及意义最近几年，随着经济的快速发展，城市的不断扩张，城市人口不断增长，随之带来的交通问题日趋严重，政府为缓解紧张的交通压力，大力投入对城市轨道交通的建设。便捷、高效的城市轨道交通也成为人们出行的首选，在给人们带来方便的同时，也存在一定的不安全因素，杂散电流就是其中不可忽视的问题之一。电气化铁路交通及埋地油气管道数量迅速增长，导致杂散电流干扰源越来越多，危害也越来越严重。杂散电流腐蚀可以诱发管道穿孔等事故，不但给人们的生活带来极大的不便，也会对环境造成污染。因此，对杂散电流采取积极有效的检测和防治措施，具有深远的研究价值和重大的实践意义。在城市轨道交通中，牵引供电系统一般采用直流式。目前，我国国内使用的牵引供电电压主要有两种DC1500V和DC750V1。牵引供电系统是通过整流变压器降压和整流器将来自于主变电所或相邻变电所的35KV交流电源整流后构成等效24脉波1500V直流，通过直流快速开关装置向电动列车输送优质电能。牵引整流变电所经由与之正极相连的接触轨或架空接触网，向电动列车输送电能，然后经过列车，以走行轨作为直流电流的回流通路，最终在牵引整流变电所附近，将走行轨与牵引整流变电所负极相连，使馈出的直流电流返回牵引整流变电所。在供电系统的实际运营过程中，就会产生杂散电流。这是由于走行轨与大地之间的绝缘不良或不是完全绝缘，流经走行轨的电流不能全部经由走行轨流回牵引变电所的负极，有一部分电流会泄漏进入大地，然后再流回变电所，这部分泄漏到道床及周围土壤介质中去的电流就是杂散电流，也称作迷流1。在自然条件下，土壤是一种电解质环境，含有大量的水分及盐分，即使没有杂散电流作用，埋地管道也会受到缓慢的电化学腐蚀，但其对管道的损害极小，腐蚀电压仅为毫伏级。但是当有杂散电流流过管道时，铁轨作为电流的流出极，相对于管道电位较高，即形成所谓的阳极区，在阳极区会发生杂散电流的腐蚀现象，而管道则为电流的流入极，电位低，形成所谓的阴极区，则不会发生腐蚀现象。在阳极与阴极之间有可能产生高达十伏左右的电位差，从而加剧了管道的腐蚀程度。如下图1-1所示管道与地面电位变化示意图图1-1所示管道与地面电位变化示意图杂散电流是一种有害的电流，并且流向是无规律地，广泛地存在于地铁、轻轨、矿井等各种电气场合。杂散电流对走行轨交通中所使用的各种电气设备、设施的正常运行均会造成影响，对附近的金属管线设施、道床的结构钢也会造成不同程度的腐蚀，会导致交通设施的使用寿命降低，造成严重的经济损失甚至人员伤亡。杂散电流具有腐蚀强度大的特点。据统计，80%以上管线腐蚀穿孔事故的直接原因就是杂散电流。据实测结果表明，北京地铁中的列车在启动和运行时流入地下的杂散电流值一般要大于100A；而深圳地铁供电系统采用的额定电压是DC1500V，其额定牵引电流最高可达3000A，按5%计算，流入地下的杂散电流值最高可达150A。在这种情况下，89mm的钢管，23个月就会发生穿孔现象。另外，杂散电流的影响范围很大，多则可有几公里甚至几十公里远。所以，杂散电流所造成的腐蚀危害相当严重。为更好地降低杂散电流带来的危害，减少损失，对杂散电流的相关参数进行实时监测尤其重要，为提高城市轨道交通的可靠、安全性起到了重要作用。因此，杂散电流的检测与防治具有比较重要的现实意义。1.2国内外研究现状对于杂散电流的危害，国外较早就有了足够的认识，并且从对杂散电流的监测有了较高的重视，欧美、日本、德国等国外的专家对此高度重视这个问题，投入了大量的人力、物力和财力，加大对杂散电流的研究，并且取得了较为可观的成果。而我国本身经济发展起步晚，城市轨道交通的迅猛发展直到二十世纪九十年代，所以对杂散电流的研究也较国外发达国家晚，但现如今，我国大多数的在建的大型地铁项目都有杂散电流的监测系统，对杂散电流的建模研究也进行了实验验证。当前，在国际上一般采用VDE0115标准、EN50122-2、EN50162欧洲标准及(VDV)501/2德国标准，适合用在直流电力牵引和走行轨回流方式的地铁系统中的设计、施工、运行维护等环节2。而我国根据国外先进的防护经验，制订了CJJ49-92技术规程。这是我国在杂散电流腐蚀防护方面的第一行业标准，对我国地铁的建设和运行方面起到了重要作用。城市轨道交通中的杂散电流一般不易直接测量，而是通过使用间接的方法测量。国内外对杂散电流的检测方法常用的有：管地电位测试法、直流电位梯度测试法、密间隔电位测试技术(CIPS)、皮尔逊(Person)法、变频选频法、直流电流电位法等3。其中，管地电位测量法不需要对管道破坏，操作简单、方便，但不能显示杂散电流的长时间变化情况，而且检测距离较近，并且不能反映被杂散电流所腐蚀的程度及其分布规律，而且受到外界环境的影响较大。而直流电位梯度测量法能精确定位管道被腐蚀的位置，对受损部位的严重程度进行大致描绘。这种方法可进行长距离测量，受到的外在环境影响较小，简便、快速，而且精度较高。但会由于杂散电流的存在和土壤电阻率等条件的制约，存在一定的测量误差。国内外学术专家长期对杂散电流进行检测，由于杂散电流腐蚀强度大、干扰范围广、随机性强等的特点，决定了其建模的困难性和复杂性，但相关研究人员一直在杂散电流建设和理论研究方面不懈努力，并进行了大量的相关参数分析与公式推导，而且按不同的假设条件提出了各种数学模型，对杂散电流的研究工作起到了积极持续的作用。2008年日本的科学家发现了关于处理地铁直流影响下的管道保护新方法，即阴极防腐蚀系统和阴极防腐蚀方法。YUJ.G.等人是研究出了单位杂散电流值和累加杂散电流值的计算方法及式子4；Cotton，I.等人建立了牵引网负荷电流、变电所与机车之间的距离、走行轨纵向电阻以及轨地过渡电阻为变量的杂散电流的分布解析式5；范伟得出了一种利用KVL和KCL计算单边和双边两种供电方式下杂散电流分布模型；C.H.Lee和H.M.Wang分析了杂散电流在回流轨的不同接地方式下的分布规律6；胡宏亮等人分析出了在城市交通直流供电系统中，影响杂散电流大小的因素7；闫大顺等利用电路理论，推导出发杂散电流分布的理论公式并建立了离散供电理论模型8。在杂散电流的防护措施方面，国内外采取的防护措施有：排流保护法，走行轨降阻与杂散电流收集法，管道外涂层法等9。(1)排流保护法排流保护法主要是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轨的阳极区用导线连接起来，从而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。(排流保护法主要包括:“直接排流法”是将被保护金属导体与靠近变电所附近的回流走行轨直接用导线连接：“选择排流法”就是在“直接排流法”的连接线_L设置单向导电的整流器，只允许被保护导休的杂散电流流向走行轨;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行轨时就需要采用“强制排流法”。此外还有“牺牲阳极保护法”，这种方法需要定期在被保护金属区埋设电极电位更低的辅助阳极(如金属Mg等)。(2)走行轨降阻与杂散电流收集法降低走行轨的阻抗和提高轨、地之间的绝缘性能可减少由走行轨泄漏的杂散电流数量。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，应设置迷流收集钢筋网，目的在于收集由走行轨泄漏出的杂散电流，并由此将杂散电流排流回到供电所的负极。(3)管道外涂层法埋地钢质管道的外腐蚀主要是电化学腐蚀，采用外涂层的方法可减少或阻断腐蚀电流，减缓腐蚀的发生。目前，国内外用于埋地管道的外防腐层主要有六种，即：石油沥青、聚乙烯胶带、聚乙烯夹克、熔结环氧粉末、煤焦油瓷漆、环氧煤沥青。这六种防腐层在我国己有相应的国标和行业标准。现在我国修建的城市地铁都采取了关于杂散电流的监测和防护装置，如上海地铁的明珠线就是单独在走行走行轨上设置了专门的回流通路，目的是为了使从走行走行轨往牵引变电所流向的回路保持通畅，从而大大减少向大地的电流泄漏量；深圳地铁的方法是在走行轨部件和轨枕结合的部位，安装绝缘装置，使道床与走行轨之间保持较好的绝缘性。以上这些方法都是为了使走行走行轨相对大地电压差减少，尽可能地减小流向大地的杂散电流。在杂散电流检测方法与设备研究方面，国外技术和方法较我国领先。如美国科学家提出的在地中埋入两个或多个探头用来准确测定大地中直流或交流的电压值的方法6；韩国科学家发明的测量地铁和电气线路的杂散电流值的自动记录器10；英国科研人员研制的可用于测量地铁管线电腐烛的测试仪等。随着我国城市轨道交通的不断发展，我国研究人员也越来越关注杂散电流的危害，开发了一些检测杂散电流的仪器、设备，并且在防护杂散电流方面，排流设备也有研制。同济大学的牟龙华、金敏研制的新型地铁杂散电流自动监测设备11；我国上海地铁1号线和2号线的电位监测传感器采用的是深埋式免维护硫酸铜电极12；永济电机厂的YGN2Q46型排流柜13；中国矿业大学研制的KDPL-1型排流柜和ZSNJ-1型地铁杂散电流腐蚀综合监测系统14；苏特电气公司生产的FZY-3型矿用杂散电流检测仪等15。总之，新的监测方法和在线监测系统的开发，是监测城市轨道交通杂散电流腐蚀情况的发展趋势。1.3本文研究的主要内容通过查阅相关资料和书籍，参阅国内外杂散电流的研究成果，了解了当前杂散电流测试装置中硬件电路的设计思路，根据本课题的设计任务要求，本课题的主要研究内容如下所示：第一章绪论，主要内容描述了杂散电流的基本定义，查阅资料了解了杂散电流的相关知识、基本概念以及所造成的危害；简明扼要地介绍了国内外关于杂散电流的研究现状以及研究意义。第二章理论分析，在了解直流牵引供电系统的基础上，主要介绍杂散电流的形成、产生原因以及推导公式，并且对杂散电流的腐蚀危害做了详细的论述。第三章建立模型以及防护措施综述，构建了“走行轨埋地管线大地”结构的杂散电流分布模型，并且对模型进行了Matlab软件进行仿真，根据仿真结果，对影响杂散电流的各个因素进行了分析。另外，根据以上对杂散电流的防护措施进行了介绍。第四章硬件设计，设计相应的硬件电路，使之具有数据采集、存储、显示、通信、报警等功能，并绘制原理图。整个硬件系统由CPU即C8051F340单片机，输入模块即数据采集模块，输出模块即键盘和显示模块。另外还有电源模块，数据存储模块以及声光报警模块组成。第五章软件流程，绘制相应的软件流程图，并介绍抗干扰的措施。第六章总结，对整个设计做出总结，在本次设计中遇到的问题、解决方法以及所得到的收获等。2直流牵引供电系统与杂散电流的理论研究为了更好的了解杂散电流，首先应了解直流牵引供电系统及其组成，在电气化铁路中，变电站、机车供电电缆、机车自身以及机车行进轨道为变电站发送的直流供电电流提供了流动回路。铁轨与土壤直接接触，它们之间的必然存在着一定的漏电阻，又由于埋地金属管线防腐层破损等原因，铁轨中流动的部分电流会经过土壤从管道破损点流入，沿管道方向流动后从其它破损点流出，这部分电流未能按照既定的回路流动，即为杂散电流。2.1直流牵引供电系统的组成我国的城市轨道交通使用的牵引方式大多为电力牵引，其供电系统大多采用直流供电，其主要优点为：线路成本低，损耗小，电力连接方便，而且相对较稳定，容易控制和调节。供电电压有分别为直流600V、750V、1500V、3000V(标称值)。在我国，多采用750V和1500V3。直流牵引供电系统一般由牵引变电所、馈电线、接触网、机车、回流线、走行轨等组成，其各部分名称及功能简述如下。图21所示为直流牵引供电系统示意图。(1)牵引变电所：在一定区段内，向地铁负荷提供牵引电能的变电所；(2)馈电线：变电所向接触网(轨)传送电能的导线；(3)接触网(轨)：通过机车的受流器向机车提供电能的导电网；(4)机车：动车或动车组；(5)走行轨：用于牵引电流的回流；(6)回流线：用以供牵引电流返回牵引变电所的导线。1牵引变电所；2馈电线；3接触网；4机车；5走行轨；6回流线；7电分段图2-1直流牵引供电系统示意图2.2杂散电流的形成及推导公式2.2.1杂散电流的形成城市轨道交通(地铁或轻轨)所需的电流由牵引变电所提供，电流从牵引变电所开始出发，经馈线将电流传送到城市轨道交通的机车，电流经走行轨回到牵引变电所，这就形成一个电流回路。但在实际过程中，由于走行轨不可能完全做到相对大地绝对地绝缘，并且随着时间的推移，由于一些不可避免的污染、潮湿、渗漏水等因素的影响，也使得原本良好的绝缘性能下降，因此，由牵引变电所出来的电流不可能全部都再流回去，而是有一小部分电流从走行轨处泄漏到道床、地下金属结构或土壤中去，这部分没有直接回到牵引变电所，而是泄漏到道床、地下金属结构或土壤中再回到牵引变电所的电流为杂散电流1。图2-2杂散电流的形成过程杂散电流的形成过程如图2-2所示，I1和I2分别为在一个供电区间内，两侧的牵引变电所向列车供给的供电电流，I3和I4分别为通过走行轨返回相邻两个牵引变电所的电流，I5和I6即为泄漏至大地的杂散电流。2.2.2杂散电流的推导公式直流供电牵引系统的供电回路如图2-3所示馈电线返回线与线路平行的管线与线路垂直的管线L变电所机车变电所I1I2I3I4I6I5地下金属结构图2-3直流供电牵引系统的供电回路由图2-2，可以得出直流供电牵引系统中杂散电流产生的简化电路图如2-4所示。图2-4直流供电牵引系统产生杂散电流的简化电路图由简化电路图可得到关于杂散电流的方程如下：其中：D：表示牵引变电站与负荷之间的距离；RN：通过主走行轨的电阻；RD：通过接触走行轨或架空线的电阻；RL：负载端的主走行轨对地电阻；RS：变电站端的主走行轨对地电阻；IT：列车工作电流；IN：通过主走行轨返回的电流；IS：通过大地返回的电流(杂散电流)。上式表明，影响杂散电流的因素主要是由：(1)IT：向列车提供所需的工作电流；(2)RN：通过主走行轨的电阻；(3)RL、RS：负载端、变电站端的对地电阻。由公式(2.1)可得出，减小IT、RN或增大RL、RS，可减少杂散电流IS。经查阅资料，日本铁道技术研究所的大境彰给出估算两变电站之间的走行轨总泄漏电流的公式是：其中：I：电气机车的负载电流(A)；r：每千米的返回线电阻()；L：变电站间距(km)；：每千米走行轨的对地电阻()。由上式可知，杂散电流与机车的负载电流、返回线电阻及两变电站之间的距离的平(2.1)NSTLSRI21(2.)2LiIr方成正比，与走行轨的对地电阻成反比。但是，在实际的情况中，杂散电流的影响因素要比简化模型复杂，并且杂散电流是随机发生的，并且不是杂散电流的腐蚀现象不是一天形成的，通常把杂散电流一天内的平均值作为标准。2.3杂散电流的产生原因杂散电流的产生原因很多，通常可以总结为以下两点。第一，电流泄漏。泄漏的电流是产生杂散电流的主要原因之一。城市轨道交通中的机车使用的是直流电，是由牵引变电所把交流电转换成直流电，然后由馈电线向机车输送电流的，并且由返回线流回。走行轨与其连接的导线构成了返回线。因为返回线本身有电阻而且要承担电流的回流，所以在返回线上必定有压降，这就是走行轨电压。走行轨与大地并不是绝对地绝缘，必定有一定的对地电阻。由于走行轨电压和对地电阻的存在，从而导致了对大地的泄漏电流。第二，电位梯度。存在电位梯度也是产生杂散电流的一个主要原因。若把一金属装置放在一个电场中，并且这个电场的电位分布极不均匀，本身存在电位梯度，那么这一金属装置就会极易受到杂散电流的腐蚀，产生腐蚀现象。其原因是由于电场中本身存在着电位梯度，会对存在电场中的带电粒子(即金属中的自由电子)产生电场力，存在金属中的自由电子就会产生定向移动，使电子与金属阳离子发生分离。若金属装置放在的环境是电解质环境，那么金属阳离子会发生与金属装置分离，进入到电解质环境中，从而造成金属装置的腐蚀现象。2.4杂散电流的腐蚀危害杂散电流会造成城市轨道交通的一些地面设备及其附近的建筑、埋地管线等发生腐蚀，严重的情况还会危及人身安全，造成不可估计的经济损失。以下详细论述杂散电流的腐蚀危害所构成的方面。2.4.1对走行轨及其配件的腐蚀在城市轨道交通机车的下部，极易发生腐蚀。查阅资料表明，杂散电流的腐蚀比较明显的地方是走行轨在隧道内及道岔等部位，有些地方2-3年就需要更换。在道钉的钉口处也会发生杂散电流的腐蚀，用肉眼根本无法发现。2.4.2对钢筋混凝土构件的腐蚀钢筋混凝土本身并不会产生腐蚀现象，而是由于混凝土中有钢筋，当杂散电流流过时，钢筋能把所流经的电流汇总到排流点的地方。由杂散电流进入钢筋的点，钢筋呈现阴极。在钢筋所处的阴极处发生析氢腐蚀的话，并且氢气不能从混凝土结构中跑出，就会形成等静压力，迫使钢筋与混凝土分开。若在含有钠、钾化合物的环境中，钢筋混凝土的结点处会有可溶的碱式硅酸盐或铝酸盐出现，从而减少钢筋混凝土的粘合程度。在杂散电流离开钢筋的地方，在钢筋处会产生Fe(0H)2、Fe2O2.2xH2O(红锈)、Fe3O4(黑锈)等腐蚀产物，这些物体长期在钢筋处出现，会使混凝土由于机械力的排挤作用而开裂。当城市轨道交通系统运行后，随着时间的推移，需要对受到腐蚀损坏的钢筋混凝土构件进行处理或者维修，更甚者需要更换，但是实际操作起来非常困难，会大大降低使用年限。2.4.3对埋地金属管线的腐蚀杂散电流对埋地金属管线也会发生腐蚀现象。城市轨道交通系统内的埋地管线主要有自来水管线、煤气管线、石油管线、地下光缆等。不能只考虑平行于走行轨交通系统的埋地金属管线，还应该考虑在与其垂直的埋地金属管线。现在的埋地管有铸铁管和钢管两种，铸铁管一般涂有沥青，并且在接头处一般采用互相绝缘的方式连接。而钢管因其导电性能好，现在多在其外部包裹厚厚的海绵层，以加强其绝缘性，目的就是为了防止杂散电流对埋地管线的腐蚀。2.4.4杂散电流烧坏排流设备城市轨道交通机车的走行轨与轨枕之间会间隔开，目的就是为了绝缘。但是若出于一些原因，走行轨与轨枕之间的绝缘被破坏了，走行轨与排流网就会短路，这时产生的杂散电流数值会比较大，产生的瞬时电流会击穿排流设备的二极管，一般排流二极管的导通电流也不会超过200A，若真有比较大的杂散电流流过时，就会烧坏排流设备。据资料显示，广州地铁就由于杂散电流烧坏排流设备而发生的事故。2.4.5对人身安全构成威胁城市轨道交通的走行轨均为长轨，在实际制造过程中，由于工艺的限制，必须由多根走行轨焊接组成长轨。在焊接过程中，走行轨与走行轨之间的焊缝处的电阻值较大，从而增加了走行轨与结构钢之间的电压差，若焊缝处开裂，走行轨的焊缝处的电阻值会更大，使走行轨与结构钢之间电压差增大的更多。当有乘客乘坐城市轨道交通时，站在站台上等车时，若此时此人的手脚之间的电压差很大时，就有可能发生人身触电的危险。在德国标准VDE0115的规定中，规定这个电压差不能超过92V。3杂散电流分布模型及防护措施综述城市轨道交通的线路多是由许多变电所为机车供电，由于在铁轨上运行的机车的负荷是不断变化的，而且各地的环境因素不同，导致的走行轨对地的过渡电阻和土壤电阻都不同。为了更好地了解杂散电流的分布情况，可以把实际的情况建立三种杂散电流的模型，分别是：“走行轨-大地”、“走行轨埋地管线大地”、“走行轨排流网埋地管线大地”，另外由于供电方式不同，按单边供电和双边供电，杂散电流的分布模型总共6种。本章仅以单边供电方式下“走行轨埋地管线大地”模型进行仿真，简单地分析杂散电流在“走行轨埋地管线大地”模型下的分布特点、影响因素，为城市轨道交通杂散电流的监测和防护提供理论指导。3.1构建“走行轨埋地管线大地”结构的杂散电流分布模型为了简化分析过程及公式推导过程，用简单的电路回路来表示实际情况下，城市轨道交通的实际运行状况，假设所有电阻都是均匀分布的，电路分析也按线性回路分析，按杂散电流直接泄漏至大地的数学模型推导中，假设：走行轨的纵向电阻Rg、埋地管线的纵向电阻Rs、走行轨相对埋地管线金属的过渡电阻Rj、埋地管线与大地之间的过渡电阻Rj1；大地电阻Rd也是均匀分布；接触网线路的内阻忽略不计；并且由于杂散电流在土壤中的流通通道过在，因此大地的纵向电阻Rd也同样不作考虑。走行轨埋地管线大地的电阻分布图如3-1所示。图3-1走行轨埋地管线大地电阻分布图图32杂散电流的流通示意图图33走行轨埋地管线大地电压节点图(M)、电流节点图(N)以牵引变电所为坐标原点0，建立如图3-1所示的x，y坐标系。设Rg是走行轨的纵向电阻，单位是/km；Rj是走行轨相对大地的过渡电阻，单位是/km；Rs是埋地管线纵向电阻，单位是/km；Rj1是埋地管线与大地之间的过渡电阻，单位是/km；Rd大地的纵向电阻，单位是/km；i(x)是由走行轨到距变电所X处的电流，单位是A；is(x)是泄漏到大地的杂散电流，单位是A；u(x)是走行轨相对于大地的电压差，单位是V；L是牵引变电所离机车的长度，单位是km；I是牵引变电所向机车提供的电流，单位是A；X是计算点距离变电所距离，单位是km。M、N是细化了的对该结构下电流、电压情况进行分析。由于杂散电流泄漏到大地中去，可看成电流的涌向大地的横截面无穷大，相当于对大地的纵向电阻为0。根据图3-2走行轨埋地管线大地所分析的电压、电流节点图，可利用基尔霍夫电压定律、基尔霍夫电流定律可进行数学计算，得出最终简单公式。根据图3-2(M)，利用基尔霍夫电压定律可得，g()()()()()0(3.1)ssixRduxiRdxudxAA将式子(3.1)化简可得：又根据图3-2，可得，).2gsiis12s12(3.1)()ggjaLaggjRICReI()+()(3.)sIixi将式子(3.2)和(3.3)联立可得：将式(3.4)方程两边对x求导得：将式(3.6)代入式(3.5)中，得：即：由上式解得通解为：1212()()(3.10)axaxuCeC、为待定系数对方程(3.10)两边对x求导可得：利用式(3.4)和式(3.11)可得：根据边界条件：当x=0，i(x)=I;当x=L，i(x)=I;将上述边界条件代入式(3.12)可得解方程(3.13)得：2()()(3.5)gSdudixRx()()(.6)jjiuidxxR，即2()()(3.7)gsfdux2s(+)()0(3.8)gfRduuxx2s2,()0.9gfdux令则可得：12SS()(3.12)+R+RaxaxggICeix（）121(3.14)aLgaLaLRIeCA()(.4)gssduiRIxAA122(.)xd将式(3.14)中的C1、C2分别代入式(3.10)、(3.12)中即可得：走行轨相对于大地的电压差为：走行轨的回流电流为：泄漏到大地的杂散电流为：3.2对“走行轨埋地管线大地”结构的杂散电流分布模型进行仿真分析通过对式(3.15)、(3.16)、(3.17)利用Matlab软件进行仿真，分别对走行轨相对于大地的电压差、走行轨的回流电流、泄漏到大地的杂散电流进行仿真，分析杂散电流的分布规律。其中，参阅资料得出的已知条件，走行轨的纵向电阻Rg0.026/km、走行轨相对大地的过渡电阻Rj15/km，Rs0.04/km，牵引变电所离机车的长度L1km，牵引变电所向机车提供的电流I1000A时，得到的