杜貴府 張棟梁 吳培林

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，221116，徐州∥第一作者，博士研究生）

我國(guó)城市軌道交通采用直流牽引供電系統(tǒng)，通過走行軌回流。由于鋼軌與地之間無(wú)法保證良好絕緣，因此會(huì)產(chǎn)生雜散電流，會(huì)對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)及其附近管線造成腐蝕。為防止雜散電流引起的危害，在城市軌道交通系統(tǒng)中設(shè)置排流網(wǎng)，以收集雜散電流并將其引回變電所負(fù)極。城市軌道交通排流網(wǎng)一般設(shè)三層，分別位于道床內(nèi)部的主排流網(wǎng)、隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)鋼筋形成的輔助排流網(wǎng)，以及地排流網(wǎng)。排流網(wǎng)結(jié)構(gòu)及雜散電流形成示意圖如圖1所示。

圖1 地鐵排流網(wǎng)結(jié)構(gòu)及雜散電流形成示意圖

目前，由于城市軌道交通系統(tǒng)排流控制策略不完善，當(dāng)雜散電流達(dá)到閥值后，排流網(wǎng)會(huì)全部投入運(yùn)行；投入運(yùn)行的多層排流網(wǎng)在收集雜散電流的同時(shí)，也會(huì)引起負(fù)面問題。本文建立了更接近實(shí)際的“鋼軌－主排流網(wǎng)－輔助排流網(wǎng)－地排流網(wǎng)”四層結(jié)構(gòu)雜散電流電阻分布模型，并對(duì)多層排流網(wǎng)的投入進(jìn)行理論分析研究。

1 雜散電流分布模型建立

雜散電流單向流動(dòng)，對(duì)多結(jié)構(gòu)的電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)雜散電流分布模型顯然存在局限性。因此，在傳統(tǒng)雜散電流分布模型基礎(chǔ)上，建立更完善的“鋼軌－主排流網(wǎng)－輔助排流網(wǎng)－地排流網(wǎng)”四層結(jié)構(gòu)雜散電流分布模型。將每層結(jié)構(gòu)均簡(jiǎn)化為純阻性集中參數(shù)線路，四者相互之間的電氣聯(lián)系可表征為過渡電阻（見圖2）。

在新建雜散電流分布模型中，回流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)間相互存在電流流動(dòng)，使雜散電流分布更加連貫，整個(gè)系統(tǒng)更完整，更符合工程實(shí)際。

通過雜散電流分布模型得出的雜散電流連續(xù)分布數(shù)學(xué)函數(shù)過于復(fù)雜。為簡(jiǎn)化理論分析，建立雜散電流離散分布數(shù)學(xué)模型。將每公里軌道區(qū)間等分成n個(gè)小區(qū)間，列車距變電所距離為x個(gè)小區(qū)間長(zhǎng)度，忽略接觸網(wǎng)及饋線電阻。雜散電流離散分布數(shù)學(xué)模型等效電路如圖3所示。

圖2 四層結(jié)構(gòu)雜散電流電阻分布模型

圖3 雜散電流離散分布數(shù)學(xué)模型等效電路

確定n、x的取值，便能得到新模型下雜散電流的分布規(guī)律。其中，n的取值越大，雜散電流離散分布數(shù)字模型越接近于連續(xù)模型。

2 排流仿真研究

2.1 多層排流仿真研究

城市軌道交通多層排流網(wǎng)投入運(yùn)行研究，可在雜散電流分布模型基礎(chǔ)上增加排流裝置，三層排流網(wǎng)分別通過排流支路與變電所負(fù)極相連。

假定排流網(wǎng)投入運(yùn)行時(shí)排流支路限流電阻為0.15 Ω，不投入運(yùn)行時(shí)排流支路限流電阻為1 000Ω。采用單機(jī)車雙邊供電仿真模型，直流1 500 V牽引供電系統(tǒng)，牽引電流取值2 000 A，雙邊供電區(qū)間長(zhǎng)度為4 km，機(jī)車位于區(qū)間中間位置?？v向電阻Rg＝0.026Ω／km，Rzp＝0.001Ω／km，Rfp＝0.01Ω／km，Rd＝0.001 Ω／km。過渡電阻Rgz＝15Ω·km，Rgf＝3Ω·km，Rgd＝3Ω·km，Rzf＝3Ω·km，Rzd＝3Ω·km，Rfd＝3Ω·km。

運(yùn)用MATLAB仿真軟件，分別對(duì)僅主排流網(wǎng)排流、主排流網(wǎng)和輔助排流網(wǎng)同時(shí)排流、三層排流網(wǎng)同時(shí)排流三種情況下地鐵雜散電流及鋼軌電位進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 多層排流雜散電流分布

通過雜散電流及鋼軌電位分布圖分析可知，投入運(yùn)行的排流網(wǎng)層數(shù)越多，雖然加強(qiáng)了對(duì)雜散電流收集作用，但地鐵系統(tǒng)中總雜散電流會(huì)增大，同時(shí)鋼軌電位也有明顯增加。總雜散電流的增大，會(huì)加快軌地絕緣的老化，進(jìn)而加劇雜散電流的泄露。

2.2 隔層排流仿真研究

仿真參數(shù)不變，在主排、輔排同時(shí)排流及主排、地排同時(shí)排流兩種情況進(jìn)行MATLAB 仿真。雜散電流及鋼軌電位分布仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖5 多層排流鋼軌電位分布

圖6 隔層排流雜散電流分布

圖7 隔層排流鋼軌電位分布

由圖6、圖7可知，兩種排流情況下地鐵雜散電流分布基本一致，并沒有明顯差別；但在主排、地排同時(shí)排流情況下鋼軌電位明顯高于主排、輔排同時(shí)排流情況。

對(duì)兩種排流情況下從輔助排流網(wǎng)流出電流及地排流網(wǎng)流過電流的仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 輔助排流網(wǎng)流出電流

圖9 地排流網(wǎng)流過電流

對(duì)上圖8、圖9進(jìn)行分析：主排、輔排同時(shí)排流情況下輔助排流網(wǎng)流出電流為負(fù)值，電流為流入，雜散電流對(duì)其并沒有腐蝕作用；而在主排、地排同時(shí)排流情況下，存在一定量雜散電流流出輔助排流網(wǎng)進(jìn)入地排，會(huì)對(duì)輔助排流網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕危害；同時(shí)，后者排流情況下，地排流網(wǎng)流過電流明顯高于前者排流情況，地排流網(wǎng)流過電流越大，勢(shì)必會(huì)加大鋼軌與地排流網(wǎng)間金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕危險(xiǎn)。

通過對(duì)多層排流及隔層排流的分析研究可知，應(yīng)盡可能減少排流網(wǎng)投入運(yùn)行的層數(shù)；需要兩層排流網(wǎng)投入運(yùn)行時(shí)，需避免隔層排流，以防止產(chǎn)生過高的鋼軌電位及過大的雜散電流腐蝕危害。

3 結(jié)語(yǔ)

在傳統(tǒng)雜散電流分布模型基礎(chǔ)上建立新的分布模型，并對(duì)多層排流網(wǎng)的投入運(yùn)行進(jìn)行仿真研究。仿真結(jié)果表明：多層排流會(huì)引起過高的鋼軌電位及過大的雜散電流；隔層排流雖然對(duì)總雜散電流影響甚微，但明顯增大鋼軌電位，加劇鋼軌與地排流網(wǎng)間金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕。因此，在工程實(shí)際中，要盡量不多層排流，避免隔層排流，以保證地鐵的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］李威.地鐵雜散電流腐蝕監(jiān)測(cè)及防護(hù)技術(shù)［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2004.

［2］鄧琴.地鐵排流網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2009.

［3］Charalambous C A，Cotton I，Aylott P.A simulation tool to predict the impact of soil topologies on coupling between a light rail system and buried third－party infrastructure［J］.Vehicular Technology，IEEE Transactions on，2008，57（3）：1404.

［4］趙凌.直流牽引供電系統(tǒng)雜散電流分布的研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2011.

［5］李國(guó)欣.直流牽引回流系統(tǒng)分析及軌電位相關(guān)問題研究［D］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2010.

［6］郝衛(wèi)國(guó).城市軌道交通雜散電流的防護(hù)［J］.城市軌道交通研究，2004，7（6）：53.

［7］牟龍華，史萬(wàn)周，張明銳.排流網(wǎng)情況下地鐵迷流分布規(guī)律的研究［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2007，29（3）：45.

［8］張春苗，王昌吉.排流網(wǎng)與地網(wǎng)排流時(shí)對(duì)雜散電流分布影響的探討［J］.西部探礦工程，2008（8）：214.

［9］陳志光，秦朝葵，唐繼旭.城市軌道交通動(dòng)態(tài)雜散電流理論分析與計(jì)算［J］.城市軌道交通研究，2014（3）：24.

［10］CJJ 49—1992地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］.