线路交叉条件下直流牵引供电系统杂散电流特性*
Stray Current Characteristics of DC Traction Power Supply System when Several Routes Cross
通讯作者: 孙继星,男,1984年生,博士,副教授。主要研究方向为牵引供电系统高压绝缘与接地技术。E-mail:sanyou345@163.com
收稿日期: 2023-03-14 修回日期: 2023-05-20
| 基金资助: |
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Received: 2023-03-14 Revised: 2023-05-20
作者简介 About authors
张岩,男,1986年生,硕士,工程师。主要研究方向为牵引供电系统接地技术。E-mail:
针对地铁多线路交叉条件下直流牵引供电系统杂散电流材料异常腐蚀问题开展研究。首先,建立了隧道条件下单线路杂散电流模型,研究了列车供电方式、运行方式、土壤电阻率、绝缘设计对杂散电流的影响。研究结果表明,单边供电条件下供电区间内产生的杂散电流明显高于双边供电;列车加速及再生制动时会产生较大的杂散电流;杂散电流的大小随运行区段土壤电阻率的升高、轨地过渡电阻的增加而减小。其次,建立了隧道条件下交叉线路杂散单流模型,研究了交叉线路隧道中间土壤的电势分布及电场分布。研究结果表明,隧道间的土壤中电势及电场过大,需要对其中的金属管线采取相应措施防范杂散电流腐蚀。结合当前新型混凝土特性,研究了掺杂粉煤灰等掺合料混凝土道床对杂散电流的影响。研究结果表明,直流牵引供电系统杂散电流随掺杂混凝土导电率的减小而减小,研究为地铁直流牵引供电系统杂散电流抑制方法提供依据。
关键词:
The abnormal corrosion of stray current materials in DC traction power supply system under the condition of metro multi line crossing is studied. Firstly, the stray current model of single line under tunnel condition is established, and the influence of train power supply mode, operation mode, soil resistivity and insulation design on stray current is studied. The results show that the stray current generated in the power supply section under the condition of single side feeding is significantly higher than that under the condition of two sides feeding. Larger stray current will be generated when the train accelerates and regenerative braking. The magnitude of stray current decreases with the increase of soil resistivity and rail ground transition resistance in the operation section. Secondly, the stray single flow model of cross line under tunnel condition is established to study the potential distribution and electric field distribution of soil in the middle of cross line tunnel. The results show that the electric potential and electric field in the soil between tunnels are too large, and corresponding measures should be taken to prevent stray current corrosion of metal pipelines. Combined with the characteristics of new concrete, the influence of concrete ballast with fly ash and other admixtures on stray current is studied. The results show that the stray current of the DC traction power supply system decreases with the decrease of the conductivity of the doped concrete, which provides the basis for the stray current suppression method of the DC traction power supply system of metro.
Keywords:
本文引用格式
张岩, 孙继星, 刘继永, 关卓然, 雷栋, 郭旭刚, 刘洋, 王鑫.
ZHANG Yan, SUN Jixing, LIU Jiyong, GUAN Zhuoran, LEI Dong, GUO Xugang, LIU Yang, WANG Xin.
1 引言
直流牵引供电系统运行过程由于杂散电流的存在,轨道附近的金属结构、混凝土及内部的钢筋会加速腐蚀,严重影响牵引系统的电气性能、力学性能,降低系统运行的安全性,同时影响直流牵引供电系统的运行安全。当前地铁系统蓬勃发展,多线路交叉情况日益增多,交叉位置多为站点设置,机车起动制动工况复杂,交叉点处土壤杂散电流分布及传播特性复杂。
针对直流牵引供电系统杂散电流影响及抑制方法问题,众多学者开展了广泛深入的研究。为研究杂散电流的分布特性,目前常用的模型为电阻网络模型,文献[1]建立了从两层到四层逐渐细化的电阻网络模型;文献[2-3]采用微元法推导出杂散电流的数学模型,分析了杂散电流与各个影响因素之间的关系;文献[4]推导出有排流网和无排流网时的杂散电流计算公式,证实了排流网对防护杂散电流方面的重要意义;文献[5-6]基于电阻网络模型建立了多列车杂散电流模型,得出地铁沿线的杂散电流分布情况。文献[7-8]使用概率方法分析杂散电流,建立杂散电流动态概率分布模型。文献[9⇓⇓-12]建立了基于电场的杂散电流模型,求得隧道周围的电位分布情况;文献[13]建立了多物理有限元模型,根据实时牵引条件,计算了埋地管道杂散电流腐蚀的动态过程,研究了杂散电流腐蚀速率的变化规律,定量计算了杂散电流的腐蚀趋势。文献[14⇓⇓-17]基于CDEGS软件建立地铁隧道仿真模型,使模型更加符合实际;文献[18-19]将电阻网络模型和CDEGS模型进行了对比,突出了CDEGS模型的优点;文献[20-21]考虑了谐波的影响,利用CDEGS分析了直流与高次谐波的杂散电流分布特性。在杂散电流防护方面,文献[22-23]建立了可以实时监测地铁全线的分布式计算机监测网络;文献[24⇓⇓-27]基于交流系统中的吸流变压器原理,将电力电子技术运用至直流牵引供电系统中,取得了较好的成效。
杂散电流分布特性除与系统结构设计相关,还受到运行工况、土壤电阻率、轨地过渡电阻等因素的影响,且当多线路交叉时,中间土壤的电势及电场分布尚不明确,亟需开展研究。本文针对该问题,结合国内外研究现状,为使建立模型符合实际,基于CDEGS建立了单条地铁隧道杂散电流模型,研究了供电方式、运行工况、土壤电阻率、绝缘设计对杂散电流的影响;进而建立两地铁隧道交叉模型,研究隧道中间土壤的电势及电场分布情况,结合当前混凝土特性研究加入不同比例掺合料的混凝土道床对杂散电流的影响,拟为地铁直流牵引供电系统杂散电流抑制方法提供依据。
2 直流牵引供电系统杂散电流模型
2.1 基于电网络的杂散电流模型
考虑到直流牵引供电系统典型供电模式,对单边供电方式下四层电阻网络模型开展分析,杂散电流模型是将地铁回流系统根据回流路径分为四层,分别为钢轨层、排流网层、结构钢筋层和大地层,各层之间通过过渡电阻相连,是对地铁隧道结构及回流系统的简化。模型如图1所示。
图1
图1中,RG、RP、RJ、RD分别为钢轨、排流网、结构钢筋、大地纵向电阻;IG/P/J/D(x)为各层在x处的电流。
根据所建立的电阻网络模型,构建其微元等值电路如图2所示。
图2
根据图2中的微元等值电路杂散电流模型,利用微元法可得
初始条件为
整理得
求解上述一阶非齐次微分方程组,可得所建模型各层间的电位差及各层流过的电流。而杂散电流是指不经过钢轨回流至变电所负极的电流,则钢轨电位及杂散电流的数学解析式如下(设大地为零电位,电流以变电所至列车方向即x轴的正方向为参考方向)
2.2 交叉线路杂散电流仿真模型
为建立符合实际的地铁杂散电流模型,避免因过度简化造成杂散电流仿真结果不准确,现基于CDEGS建立地铁交叉线路隧道仿真模型,上层隧道标号K1,下层隧道标号K2。地铁交叉线路相对位置空间如图3所示。
图3
表1 模型参数设置
| 名称 | 参数 | 数值 |
|---|---|---|
| 钢轨 | 纵向电阻/(Ω/km) | 0.04 |
| 等效半径/m | 0.049 65 | |
| 排流网 | 纵向电阻/(Ω/km) | 0.6 |
| 等效半径/m | 0.008 | |
| 结构钢筋 | 纵向电阻/(Ω/km) | 0.3 |
| 等效半径/m | 0.01 | |
| 钢轨外覆绝缘层 | 电阻率/(Ω·m) | 512 821 |
| 厚度/m | 0.01 | |
| 隧道结构 | 空气电阻率/(Ω·m) | 1018 |
| 混凝土电阻率/(Ω·m) | 1 000 | |
| 土壤电阻率/(Ω·m) | 100 |
表1中的钢轨外覆绝缘层电阻率以轨地过渡电阻15 Ω·km计算。
建立隧道模型进行仿真计算,分析各个因素对杂散电流的影响。
3 杂散电流分布特性影响因素研究
选取一个完整的供电区间,建立地铁单条线路仿真模型,列车及变电所的相对位置如图4所示。
图4
3.1 供电方式对杂散电流的影响
图5
图6
综上,供电方式不同时,在同样的列车牵引电流及列车运行位置时,单边供电方式在供电区间内产生的杂散电流较大。
3.2 运行工况对杂散电流的影响
列车在一个供电区间内经历加速、匀速及再生制动过程,不同工况下列车所需的牵引电流不同,根据列车牵引计算公式得,在列车加速及再生制动时所需的牵引电流或向接触网注入的电流较大,此时产生的杂散电流也较大。
在双边供电方式下,设列车处于牵引加速工况,此时列车位于-300 m处,令列车牵引电流为3 000 A,则变电所A供给电流2 400 A,变电所B供给电流600 A;设列车处于再生制动工况,此时列车位于300 m处,令列车相接触网注入电流3 000 A,则流入变电所A电流为600 A,流入变电所B电流为2 400 A。分析不同工况下的杂散电流分布。
不同工况下的杂散电流总量如表3所示。
获得牵引加速工况与再生制动工况下的杂散电流分布情况如图7所示。
图7
由于牵引加速工况下列车向钢轨注入电流,在再生制动工况下,列车向牵引网注入电流,所以杂散电流的方向不同;但是因为牵引电流与再生制动电流相同,供电区间内的杂散电流总量相等。杂散电流主要集中于列车至变电所较长的区段内,因为电流经较长的钢轨回流,钢轨电流又经钢轨扣件泄漏至地下,较长的钢轨扣件较多,钢轨电流更易泄漏至地中形成杂散电流。
3.3 土壤电阻率对杂散电流的影响
地铁隧道主要由钢筋混凝土作为支撑结构,在干燥情况下,混凝土是一个良好的绝缘体,但是土壤中含有水分,混凝土结构内部又包含许多毛细血管结构,这种结构使得深埋地下的地铁隧道受到土壤水分的渗入,且隧道内部不能保证干燥,使得混凝土的电阻率降低,从而对杂散电流的大小分布产生影响。
设土壤为均一土壤,令土壤电阻率分别为50 Ω·m、100 Ω·m、150 Ω·m、200 Ω·m,则受土壤电阻率的影响,支撑隧道结构所用混凝土的电阻率分别为500 Ω·m、800 Ω·m、1 100 Ω·m、1 500 Ω·m。分析杂散电流最严重的情况下(列车位于供电区间中点时,令列车的牵引电流为2 000 A,则变电所A供给电流1 000 A,变电所B供给电流1 000 A)的杂散电流在各种土壤电阻率下的分布情况。
表4 杂散电流总量对比
| 土壤电阻率/(Ω·m) | 混凝土电阻率/(Ω·m) | 杂散电流总量/A |
|---|---|---|
| 50 | 500 | 0.164 0 |
| 100 | 800 | 0.162 4 |
| 150 | 1 100 | 0.160 0 |
| 200 | 1 500 | 0.158 4 |
图8
3.4 轨地过渡电阻对杂散电流的影响
经钢轨回流的回流电流,由于钢轨对地不能完全绝缘,所以一部分电流经钢轨扣件流入大地,形成杂散电流。仿真模型中以钢轨外覆绝缘层等效钢轨扣件,绝缘层厚度固定为0.01 m,电阻率随轨地过渡电阻的变化而变化。标准规定,新建地铁线路轨地过渡电阻值不应小于15 Ω·km,运营一段时间后逐渐降低,等效绝缘层电阻率随轨地过渡电阻变化对照表如表5所示。
图9
4 交叉线路杂散电流分析
4.1 交叉线路模型杂散电流分布
在图3模型的基础上,设两条线路上列车均位于0 m处,列车所需的牵引电流为2 000 A,变电所A与变电所B各发出电流1 000 A。研究分析两线路中杂散电流的分布情况。
图10
4.2 隧道间土壤电势及电场分布分析
杂散电流的产生对隧道外土壤中的电势及电场分布也会有一定的影响,当两条线路相错而过时,隧道之间土壤中的电势及电场分布情况较单条线路严重。设两条线路上列车均位于0 m处,列车加速工况所需的牵引电流为2 000 A,变电所A与变电所B各发出电流1 000 A。在模型中两条隧道交叉处的土壤中建立100 m×100 m的观测面,研究分析两隧道间的土壤电势情况,如图11所示。
图11
图12
根据标准(SY/T 0017—2006),电场强度大于2.5 mV/m,需要对其中的金属管线采取相应的防护措施,以此来防范杂散电流的腐蚀作用。
5 新型混凝土材料对杂散电流的影响
5.1 新型混凝土材料特性
混凝土中的毛细血管结构使得混凝土在潮湿环境中会吸收水分及其他离子,反应生成一种水溶性化合物,使得混凝土的电阻率大大减小。所以提高混凝土电阻率的有效方法便是减小混凝土中的孔隙率及提高混凝土的密实度。现有方法是在混凝土中加入掺合料,例如粉煤灰等,因为其中含有能够与混凝土中的氢氧化钙(Ca(OH)2)进行反应的成分,两者反应生成C—S—H凝胶,以此来使得混凝土结构中的毛细结构细化,消耗离子数量,同时改善混凝土中的界面结构,提高其密实度。
在优先考虑混凝土强度的前提下,需要采取适当的措施来提高混凝土的电阻率。根据高阻抗高抗渗的地铁用混凝土的要求,可以采用合适比例的掺合料掺入混凝土中,使混凝土具有较为理想的特性。
5.2 混凝土电阻率对杂散电流特性的影响
表9 掺合料比例对杂散电流的影响
| P(%) | F(%) | K(%) | Y(%) | 电阻率/ (Ω·m) | 杂散电流 总量/A |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 50 | 50 | 10 | 752.7 | 0.163 2 |
| 1.5 | 50 | 50 | 30 | 856.8 | 0.162 8 |
| 1.5 | 70 | 30 | 10 | 897 | 0.162 4 |
| 0.5 | 70 | 30 | 30 | 937.2 | 0.162 0 |
随着掺合料比例的调整,混凝土电阻率逐渐增大,单条线路供电区间内的杂散电流总量减小,这是由于混凝土电阻率的提高减小了钢轨向道床泄漏的电流。
因此,改善混凝土的电阻率有利于减少供电区间内的杂散电流。但是要经过大量的试验来确定混凝土中所加入的掺合料比例及掺合料自身含有的各种物质所占的比例,使得混凝土结构在满足强度要求及符合现场施工条件的前提下,尽量提高电阻率及抗渗性,减少杂散电流对混凝土中结构钢筋的腐蚀作用,使得钢筋混凝土结构的耐久性能得到提高。
6 结论
本文分析了单条线路中各种影响因素对杂散电流大小及分布的影响;建立了地铁交叉线路隧道模型,分析了隧道间土壤中的电势分布及电场分布情况,研究了新型混凝土的电阻率改变对杂散电流分布及土壤中电势、电场的影响,得出如下结论。
(1) 直流牵引供电系统在线路交叉的情况下,单边供电方式较双边供电方式产生的杂散电流更为严重;在列车及再生制动工况下,由于所需及产生的电流较大,杂散电流也较大。
(2) 土壤通过对混凝土电阻率的影响,间接影响了杂散电流大小;轨地过渡电阻是杂散电流大小的决定性因素,轨地过渡电阻的改变对杂散电流的影响巨大。
(3) 交叉隧道中各条隧道的杂散电流大小分布几乎无改变,但是隧道间土壤中的电势分布及电场分布较大,需要对其中的金属管线采取相应的杂散电流防护措施;研究新型高电阻率混凝土材料具有重要意义,高电阻率混凝土可以减少钢轨电流流入混凝土道床中,降低混凝土中电流的流动,增大钢筋混凝土结构的耐久度。
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The main problems discussed in the article concern the analysis of the phenomenon of stray currents generated by electric D.C. traction currents. These currents flow in the ground and, when they encounter an underground metal structure, can lead to the acceleration of electrochemical corrosion. There is a stochastic phenomenon that depends on many factors such as the position of the traction vehicle along the route or the current drawn by it from the traction network. The presented research concerns the use of probabilistic methods to analyze this phenomenon. The proposed algorithm allows determining the occurrence of electrochemical-pipeline corrosion risk for geometrically complex traction-pipeline systems, including many random variables and corrosion phenomena. The non-deterministic solution to such an interdisciplinary problem is an element of novelty.
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