兰州地铁1号线杂散电流分布规律试验研究

李亚宁,高晓红

(兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃 兰州 730070)

0　引言

杂散电流腐蚀对城市轨道交通系统本身及周围建筑物的影响，始终是影响城市轨道交通安全运营的重要因素，关于这一问题的研究已取得了大量成果[1-3]。为了更好地对杂散电流的腐蚀危害进行防护、控制和评价，有必要对不同环境条件下杂散电流的产生及其分布规律进行分析[4]。本文以在建的兰州地铁1号线(以下简称1号线)的土壤为试验研究对象，在设计了杂散电流试验室模拟测试装置的基础上，测量了不同工况(如不同土壤环境、加设金属管道、加设排流网等)的杂散电流值。通过分析测试数据，获得外部因素对杂散电流的影响规律，为1号线杂散电流的防腐设计提供了理论依据。

1　1号线工程概况

1号线一期工程全线长26.78 km，东起东岗，西至陈官营，且2次横跨黄河；沿途设车站20座，平均站间距为1 339 m，最大站间距为2 340 m，最小站间距为834 m。外部电源采用集中供电方式。该供电方式由两级电压制110 kV/35 kV以及牵引网电压1 500 VDC构成，采用架空接触网授流的牵引网形式。整个线路设有停车场和控制中心各1座，以及2座主变电所。其中，控制中心和停车场位于东岗车辆段内；2座主变电所分别为西客站主变电所和五里铺主变电所，均位于对应车站附近。车辆采用A型车，编组为4动2拖[5-6]。

2　试验装置及测试过程

2.1　试验装置

本文设计的试验室模拟装置如图1所示[7]。试验器材如下。

①塑料容器：其长、宽、高分别为50 cm、40 cm、60 cm，用于盛土和防止电流泄漏。

②金属合金电阻片：片长为25 cm，用于代替地铁走行轨(钢轨)。

③直流稳压电源：型号为TH-SS0322，量程为0～30 V，用于模拟地铁牵引变电所。

④万用表2个，分别用于测量牵引电流(总电流)及土壤中杂散电流。

⑤电阻4个，阻值为5 Ω，用于限制电流大小、保护电路仪器。

⑥探针2枚，用于测量杂散电流值。

⑦导线若干。

图1　试验室模拟装置

2.2　测试过程

针对1号线沿线站点的不同土壤条件，取马滩站、西客站这2个站点进行试验测试。按图1所示的模拟装置，利用金属探针和万用表直接测量泄漏到土壤中的杂散电流。在测试过程中，为了提高测试结果的可靠性，在每种工况下测量3次，并以3次测量的算术平均值作为最后测量结果。

3　试验结果分析

3.1　不同环境下的土壤对杂散电流的影响

在保持其他条件不变、牵引电流为1.22 A的情况下，分别对西客站和马滩的土壤样本进行测量，得到不同土壤环境下(正常土壤、压实土壤以及加石头层土壤)的杂散电流值，不同土壤环境下杂散电流的变化曲线如图2所示。

图2　杂散电流变化曲线(不同土壤环境)

由图2可知，正常土壤的杂散电流值最大，压实土壤的杂散电流值居中，加石头层土壤的杂散电流值最小；2个站点的土壤样本的测试结果都有相同的规律。这是因为正常土壤比较松软、土壤间的空隙较大，而压实土壤的空隙比较小，所以压实土壤的电阻率更大。石头的结构较为紧密，电流不易通过。在土壤中增加石头层，可增大土壤的电阻。根据测试结果，在建设地铁时，要根据地铁线路不同地段的土壤情况，采取对应的防护措施。例如，为了减少土壤较松软地段的杂散电流，可压实该地段的土壤，或在土壤里铺石头层。

在其他条件不变的情况下，杂散电流随机车与牵引变电所间距离的增大而增大，且在达到一定距离后杂散电流增长得更快[8]。由图2可知，在牵引变电所距离相同(如L=12 cm)时，西客站土壤样本所测得的杂散电流明显小于马滩站的测试值，其试验数据对比如表1所示。这是因为从地理位置上看，马滩站较西客站更靠近黄河，土壤湿度较大。

表1　杂散电流值对比(L=12 cm)

3.2　加金属管道对杂散电流的影响

加金属管道的试验模型如图3所示。

图3　加金属管道的试验模型

根据图3连接试验电路。在牵引电流为1.22 A的情况下，在土壤层中间加1根钢管，其他条件保持不变。将该条件下测得的数据与正常土壤情况下测得的数据进行对比分析，可得加金属管道的杂散电流变化曲线如图4所示。

图4　杂散电流变化曲线(加金属管道)

由图4可知，加入金属管道后测得的杂散电流更大。金属管道具有良好的导电能力。地下金属管道相当于给杂散电流增加了1条导电通路，增加了杂散电流的泄漏量。

因此，在建设地铁时，应该在合理的情况下尽量增加其附近金属管道的埋设深度，降低金属管道对杂散电流的影响。

3.3　加排流网对杂散电流的影响

在土壤表面以下3 cm处铺设排流网，用1根导线将排流网与电源负极相连。加排流网的试验模型如图5所示。

图5　加排流网的试验模型

将牵引电流值调整到1.22 A，并与正常土壤条件下测量时的牵引电流值保持一致。加排流网的杂散电流变化曲线如图6所示。

图6　杂散电流变化曲线(加排流网)

由图6可知，加了排流网之后，杂散电流有了明显的下降，且其增幅随探针距离的增大而有所下降。这说明排流网对杂散电流有很好的抑制作用。因此，在建设地铁的时候，如果条件许可，可以在钢轨下部铺设排流网。

3.4　排流网深度对杂散电流的影响

通过改变图5中排流网的铺设深度，对不同工况进行测试。将排流网铺设深度分别设置为3 cm、5 cm、7 cm。在牵引电流为1.22 A的情况下，得到了排流网不同埋深时的杂散电流变化曲线，如图7所示。

由图7可知，排流网在埋深为7 cm时的效果最差，在埋深为3 cm或5 cm时的效果较好。但对比图7(a)和7(b)可知，排流网的不同埋深在不同站点所产生的排流效果有一定差异。在实际工程中，应根据线路实际情况确定排流网的铺设深度，以达到更好的排流效果。

图7　杂散电流变化曲线(排流网不同埋深)

3.5　单/双边供电对杂散电流的影响

在单边供电条件下，增加1个电源，构成双边供电。将2个电源的正极分别连在模拟钢轨的两端，并在钢轨的中间部位引出1个电阻；将这个电阻分别接在2个电源的负极，以构成1个双边供电的环境。把牵引电流调至1.22 A，与单边供电试验电流保持一致，然后进行测量。单/双边供电的杂散电流变化曲线如图8所示。

图8　杂散电流变化曲线(单/双边供电)

由图8可知，相对于单边供电，双边供电条件下从钢轨泄漏到大地的杂散电流明显减少，可见双边供电对杂散电流有很好的过滤效应。因此，在进行地铁建设时，中间站之间应尽量采用双边供电。

3.6　土壤湿度对杂散电流的影响

以图1的模型连接试验电路，将牵引电流调至0.63 A，对不同湿度下的土壤进行测试。在土壤的湿度分别为5%、10%以及15%的情况下，其杂散电流变化曲线如图9所示。

图9　杂散电流变化曲线(不同土壤湿度)

由图9可知，杂散电流随着土壤湿度的增大而增大。土壤中的水分不仅会导致杂散电流的泄漏，还会加速金属构件的腐蚀。因此，1号线应该在2次穿越黄河的地段加强对排水设施的建设，保持这2个地点的土壤干燥。对于其他地铁的建设，在通过江河的地段，要尽量保持土壤干燥，在易积水的地段要有良好的排水系统。

4　结束语

本文设计了杂散电流试验室模拟测试装置，并基于此对兰州地铁1号线不同站点的杂散电流进行了研究，分析不同因素对杂散电流的影响规律，得到了如下结论。

①不同环境条件下土壤的杂散电流值不同：正常土壤的杂散电流值最大，压实土壤的次之，加石头层土壤的最小。

②增加金属管道，会增加杂散电流的泄漏量。

③加排流网后，杂散电流明显下降，且排流网的不同埋深在不同站点所产生的排流效果存在一定的差异。

④双边供电对杂散电流有着很好的抑制效果。

⑤土壤湿度对杂散电流的影响较大：湿度越大，杂散电流值越大。

该研究结果为兰州地铁投运后的安全运行提供了技术支持。

参考文献:

[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.地铁杂散电流腐蚀监测及防护技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2004:59-60.

[3] 申宁,李群湛,刘炜.不均匀过渡电阻下地铁杂散电流分析[J].都市快轨交通,2010,23(6):98-100.

[4] 李亚宁.城市轨道交通供电系统[M].北京:中国电力出版社,2014:120-121.

[5] 李健.兰州地铁砂卵石地层盾构施下组段划分与控制参数研究[D].北京:北京交通大学,2015.

[6] 杨博.兰州地铁1号线运输组织相关问题硏究[D].成都:西南交通大学,2012.

[7] 曹阿林.埋地金属管线的杂散电流腐蚀防护研究[D].重庆:重庆大学,2010.

[8] 李亚宁.兰州轨道交通1号线杂散电流沿线分布比较[J].自动化仪表,2015,36(10):21-24.