地鐵鋼軌縱向電阻對地鐵雜散電流的仿真分析

范美琪 孫燕盈 馬志強 胡志明 郭思琦

（中國礦業(yè)大學（北京），北京 100083）

0 引言

為解決城市交通擁堵問題，目前軌道交通應用日益廣泛。由于城市軌道交通供電牽引系統(tǒng)采用直流供電，鋼軌作為其直流供電回流的媒介[2]，多數(shù)情況下由于工藝問題等原因使得鋼軌與大地之間無法做到完全絕緣[3]，導致供電電流流過運行軌道時，會向周圍土壤介質泄露一定的直流電流，該直流電流被稱為雜散電流[4]。

雜散電流會對埋地金屬結構產生電化學腐蝕，損壞金屬結構的整體性，降低其強度和耐久性。理論上1A的雜散電流在一年內可以腐蝕溶解鋼鐵大約9kg[5]。實際上土壤中的雜散電流往往遠大于1A，其造成的腐蝕程度更強、腐蝕速率更快。因此，本文重點分析了地鐵鋼軌縱向電阻對地鐵雜散電流的影響。

1 雜散電流分布仿真模型

1.1 雜散電流的腐蝕機理

城市軌道交通中有列車運行時就會有雜散電流的存在，雜散電流影響的管道腐蝕原理屬于電化學腐蝕，雜散電流對周圍埋地金屬管道的腐蝕遵守法拉第電解定律。

泄漏至大地的雜散電流從金屬管道流入時，由電化學理論可知該流入點為負極，即為陰極區(qū)；而當雜散電流從管道中流出時，該流出點為正極，即為陽極區(qū)[5]。

圖1為雜散電流腐蝕圖，其中雜散電流流過埋地金屬管道的通路，可以將其可以看作為兩個原電池：

圖1 雜散電流腐蝕圖

電池1：A走行軌（++陽極區(qū)）B道床、土壤C金屬管道（--陰極區(qū)）；

電池2：D金屬管道（++陽極區(qū)）E道床、土壤F走行軌（--陰極區(qū)）；

陽極過程的電解反應產生在雜散電流從A走行軌和D金屬管道這兩個陽極區(qū)流出的時候，走行軌和金屬結構物中的Fe和周圍土壤中可電解物質發(fā)生陽極過程的氧化反應，即Fe失去電子，化合價升高，于是正價Fe離子從原來結構中析出，從而形成腐蝕。根據(jù)發(fā)生氧化反應的金屬物質所處的環(huán)境不同，氧化還原反應的產物也不同，環(huán)境的主要因素有含氧量、pH值等。一般，金屬的氧化還原反應概括為兩類，析氫腐蝕與吸氧腐蝕。

1.2 雜散電流分布模型（如圖2所示）

圖2 有排流網(wǎng)結構模型

圖3 走行軌-排流網(wǎng)-金屬網(wǎng)電流電壓節(jié)點分布圖

2 鋼軌縱向電阻影響分析

在影響雜散電流泄漏的眾多因素之中，鋼軌縱向電阻是一個極其重要的參數(shù)。若鋼軌縱向電阻滿足在60kg/m的規(guī)格下，阻值為27.3mΩ/km時便符合標準要求，但是在實際應用中，鋼軌縱向電阻值是普遍偏大的，這其中有長期腐蝕、磨損及各種環(huán)境因素的影響。

在其它參數(shù)不變的情況下，將鋼軌縱向電阻值分別設為0.01Ω/km、0.03Ω/km和0.1Ω/km，研究不同的縱向電阻值對周圍金屬管道干擾的影響。仿真結果如圖4～圖9所示。

圖4 鋼軌電流分布

從圖7鋼軌電流、電壓和雜散電流對比圖中，我們可以分析得出：當鋼軌縱向電阻逐漸增大時，走行軌電流逐漸降低，雜散電流量逐漸升高，且增長速率較高，根據(jù)V=RI得知：鋼軌電壓幾乎呈線性增長，鋼軌電壓的最大值與鋼軌縱向電阻呈正比關系；從圖8和圖9中可知，鋼軌縱向電阻從0.01Ω/km增大至0.03Ω/km、再從0.03Ω/km增大至0.1Ω/km的過程中，金屬管道電流從0.36A增大到3.6A，金屬管道電壓也升高了約10倍，雜散電流都是擴大了3倍左右。綜上分析，金屬管道電流與電壓的增長是與鋼軌縱向電阻值的增長呈線性關系，因此，減小鋼軌的縱向電阻可以有效保護金屬管道。

圖7 鋼軌電流、電壓、雜散電流比較圖

圖8 金屬管道電壓分布

圖9 金屬管道電流分布

圖5 鋼軌電壓分布

圖6 鋼軌雜散電流分布

3 結語

通過建立雜散電流分布模型，借助MATLAB仿真對鋼軌縱向電阻與雜散電流分布關系進行了深入研究，可以發(fā)現(xiàn)當鋼軌縱向電阻增大時，雜散電流逐漸增大；減小鋼軌縱向電阻可以有效減少雜散電流的影響，保護地鐵金屬管道。