蘭州地鐵1號線雜散電流分布規律試驗研究

李亞寧,高曉紅

(蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，甘肅 蘭州 730070)

0　引言

雜散電流腐蝕對城市軌道交通系統本身及周圍建筑物的影響，始終是影響城市軌道交通安全運營的重要因素，關于這一問題的研究已取得了大量成果[1-3]。為了更好地對雜散電流的腐蝕危害進行防護、控制和評價，有必要對不同環境條件下雜散電流的產生及其分布規律進行分析[4]。本文以在建的蘭州地鐵1號線(以下簡稱1號線)的土壤為試驗研究對象，在設計了雜散電流試驗室模擬測試裝置的基礎上，測量了不同工況(如不同土壤環境、加設金屬管道、加設排流網等)的雜散電流值。通過分析測試數據，獲得外部因素對雜散電流的影響規律，為1號線雜散電流的防腐設計提供了理論依據。

1　1號線工程概況

1號線一期工程全線長26.78 km，東起東崗，西至陳官營，且2次橫跨黃河；沿途設車站20座，平均站間距為1 339 m，最大站間距為2 340 m，最小站間距為834 m。外部電源采用集中供電方式。該供電方式由兩級電壓制110 kV/35 kV以及牽引網電壓1 500 VDC構成，采用架空接觸網授流的牽引網形式。整個線路設有停車場和控制中心各1座，以及2座主變電所。其中，控制中心和停車場位于東崗車輛段內；2座主變電所分別為西客站主變電所和五里鋪主變電所，均位于對應車站附近。車輛采用A型車，編組為4動2拖[5-6]。

2　試驗裝置及測試過程

2.1　試驗裝置

本文設計的試驗室模擬裝置如圖1所示[7]。試驗器材如下。

①塑料容器：其長、寬、高分別為50 cm、40 cm、60 cm，用于盛土和防止電流泄漏。

②金屬合金電阻片：片長為25 cm，用于代替地鐵走行軌(鋼軌)。

③直流穩壓電源：型號為TH-SS0322，量程為0～30 V，用于模擬地鐵牽引變電所。

④萬用表2個，分別用于測量牽引電流(總電流)及土壤中雜散電流。

⑤電阻4個，阻值為5 Ω，用于限制電流大小、保護電路儀器。

⑥探針2枚，用于測量雜散電流值。

⑦導線若干。

圖1　試驗室模擬裝置

2.2　測試過程

針對1號線沿線站點的不同土壤條件，取馬灘站、西客站這2個站點進行試驗測試。按圖1所示的模擬裝置，利用金屬探針和萬用表直接測量泄漏到土壤中的雜散電流。在測試過程中，為了提高測試結果的可靠性，在每種工況下測量3次，并以3次測量的算術平均值作為最后測量結果。

3　試驗結果分析

3.1　不同環境下的土壤對雜散電流的影響

在保持其他條件不變、牽引電流為1.22 A的情況下，分別對西客站和馬灘的土壤樣本進行測量，得到不同土壤環境下(正常土壤、壓實土壤以及加石頭層土壤)的雜散電流值，不同土壤環境下雜散電流的變化曲線如圖2所示。

圖2　雜散電流變化曲線(不同土壤環境)

由圖2可知，正常土壤的雜散電流值最大，壓實土壤的雜散電流值居中，加石頭層土壤的雜散電流值最小；2個站點的土壤樣本的測試結果都有相同的規律。這是因為正常土壤比較松軟、土壤間的空隙較大，而壓實土壤的空隙比較小，所以壓實土壤的電阻率更大。石頭的結構較為緊密，電流不易通過。在土壤中增加石頭層，可增大土壤的電阻。根據測試結果，在建設地鐵時，要根據地鐵線路不同地段的土壤情況，采取對應的防護措施。例如，為了減少土壤較松軟地段的雜散電流，可壓實該地段的土壤，或在土壤里鋪石頭層。

在其他條件不變的情況下，雜散電流隨機車與牽引變電所間距離的增大而增大，且在達到一定距離后雜散電流增長得更快[8]。由圖2可知，在牽引變電所距離相同(如L=12 cm)時，西客站土壤樣本所測得的雜散電流明顯小于馬灘站的測試值，其試驗數據對比如表1所示。這是因為從地理位置上看，馬灘站較西客站更靠近黃河，土壤濕度較大。

表1　雜散電流值對比(L=12 cm)

3.2　加金屬管道對雜散電流的影響

加金屬管道的試驗模型如圖3所示。

圖3　加金屬管道的試驗模型

根據圖3連接試驗電路。在牽引電流為1.22 A的情況下，在土壤層中間加1根鋼管，其他條件保持不變。將該條件下測得的數據與正常土壤情況下測得的數據進行對比分析，可得加金屬管道的雜散電流變化曲線如圖4所示。

圖4　雜散電流變化曲線(加金屬管道)

由圖4可知，加入金屬管道后測得的雜散電流更大。金屬管道具有良好的導電能力。地下金屬管道相當于給雜散電流增加了1條導電通路，增加了雜散電流的泄漏量。

因此，在建設地鐵時，應該在合理的情況下盡量增加其附近金屬管道的埋設深度，降低金屬管道對雜散電流的影響。

3.3　加排流網對雜散電流的影響

在土壤表面以下3 cm處鋪設排流網，用1根導線將排流網與電源負極相連。加排流網的試驗模型如圖5所示。

圖5　加排流網的試驗模型

將牽引電流值調整到1.22 A，并與正常土壤條件下測量時的牽引電流值保持一致。加排流網的雜散電流變化曲線如圖6所示。

圖6　雜散電流變化曲線(加排流網)

由圖6可知，加了排流網之后，雜散電流有了明顯的下降，且其增幅隨探針距離的增大而有所下降。這說明排流網對雜散電流有很好的抑制作用。因此，在建設地鐵的時候，如果條件許可，可以在鋼軌下部鋪設排流網。

3.4　排流網深度對雜散電流的影響

通過改變圖5中排流網的鋪設深度，對不同工況進行測試。將排流網鋪設深度分別設置為3 cm、5 cm、7 cm。在牽引電流為1.22 A的情況下，得到了排流網不同埋深時的雜散電流變化曲線，如圖7所示。

由圖7可知，排流網在埋深為7 cm時的效果最差，在埋深為3 cm或5 cm時的效果較好。但對比圖7(a)和7(b)可知，排流網的不同埋深在不同站點所產生的排流效果有一定差異。在實際工程中，應根據線路實際情況確定排流網的鋪設深度，以達到更好的排流效果。

圖7　雜散電流變化曲線(排流網不同埋深)

3.5　單/雙邊供電對雜散電流的影響

在單邊供電條件下，增加1個電源，構成雙邊供電。將2個電源的正極分別連在模擬鋼軌的兩端，并在鋼軌的中間部位引出1個電阻；將這個電阻分別接在2個電源的負極，以構成1個雙邊供電的環境。把牽引電流調至1.22 A，與單邊供電試驗電流保持一致，然后進行測量。單/雙邊供電的雜散電流變化曲線如圖8所示。

圖8　雜散電流變化曲線(單/雙邊供電)

由圖8可知，相對于單邊供電，雙邊供電條件下從鋼軌泄漏到大地的雜散電流明顯減少，可見雙邊供電對雜散電流有很好的過濾效應。因此，在進行地鐵建設時，中間站之間應盡量采用雙邊供電。

3.6　土壤濕度對雜散電流的影響

以圖1的模型連接試驗電路，將牽引電流調至0.63 A，對不同濕度下的土壤進行測試。在土壤的濕度分別為5%、10%以及15%的情況下，其雜散電流變化曲線如圖9所示。

圖9　雜散電流變化曲線(不同土壤濕度)

由圖9可知，雜散電流隨著土壤濕度的增大而增大。土壤中的水分不僅會導致雜散電流的泄漏，還會加速金屬構件的腐蝕。因此，1號線應該在2次穿越黃河的地段加強對排水設施的建設，保持這2個地點的土壤干燥。對于其他地鐵的建設，在通過江河的地段，要盡量保持土壤干燥，在易積水的地段要有良好的排水系統。

4　結束語

本文設計了雜散電流試驗室模擬測試裝置，并基于此對蘭州地鐵1號線不同站點的雜散電流進行了研究，分析不同因素對雜散電流的影響規律，得到了如下結論。

①不同環境條件下土壤的雜散電流值不同：正常土壤的雜散電流值最大，壓實土壤的次之，加石頭層土壤的最小。

②增加金屬管道，會增加雜散電流的泄漏量。

③加排流網后，雜散電流明顯下降，且排流網的不同埋深在不同站點所產生的排流效果存在一定的差異。

④雙邊供電對雜散電流有著很好的抑制效果。

⑤土壤濕度對雜散電流的影響較大：濕度越大，雜散電流值越大。

該研究結果為蘭州地鐵投運后的安全運行提供了技術支持。

參考文獻:

[1] CHEN Z G,QIN C K,TANG J X.Experiment research of dynamic stray current interference on buried gas pipeline from urban rail transit [J].Journal of Natural Gas Science & Engineering,2013,15(6):76-81.

[2] 李威.地鐵雜散電流腐蝕監測及防護技術[M].徐州:中國礦業大學出版社,2004:59-60.

[3] 申寧,李群湛,劉煒.不均勻過渡電阻下地鐵雜散電流分析[J].都市快軌交通,2010,23(6):98-100.

[4] 李亞寧.城市軌道交通供電系統[M].北京:中國電力出版社,2014:120-121.

[5] 李健.蘭州地鐵砂卵石地層盾構施下組段劃分與控制參數研究[D].北京:北京交通大學,2015.

[6] 楊博.蘭州地鐵1號線運輸組織相關問題硏究[D].成都:西南交通大學,2012.

[7] 曹阿林.埋地金屬管線的雜散電流腐蝕防護研究[D].重慶:重慶大學,2010.

[8] 李亞寧.蘭州軌道交通1號線雜散電流沿線分布比較[J].自動化儀表,2015,36(10):21-24.