李亚宁

(兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃 兰州 730070)

兰州轨道交通1号线杂散电流沿线分布比较

李亚宁

(兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃 兰州 730070)

为获得在兰州地区土质条件下不同影响因素与轨道交通系统中杂散电流的关系，从在建的兰州轨道交通1号线上世纪大道站、西客站和五里铺站3个站点采取了土壤样本，对不同牵引电流、土壤电阻率、钢轨纵向电阻、土壤深度等条件下的杂散电流进行了实验测试。结果表明，如果采用相同的牵引电流，各站点间所产生杂散电流的极值差异达到了41.3%；在不同站点铺设具有相同纵向电阻的钢轨，杂散电流也会有23%的差异；杂散电流随机车与牵引变电所距离的增大而增大；达到一定距离后杂散电流的增长速率会增大。该研究为制定兰州轨道交通1号线杂散电流的腐蚀防护方案提供了理论参考。

轨道交通 直流牵引 杂散电流 实验研究 腐蚀

0 引言

目前，城市轨道交通供电系统大多数采用走行轨回流的直流牵引供电方式，运行过程中产生的杂散电流会对地下金属结构产生严重腐蚀，影响城市轨道交通安全运营[1-3]。本文以在建的兰州轨道交通1号线(以下简称1号线)为研究对象，沿线进行土壤采样，自行设计了杂散电流实验室模拟装置，得到了兰州地区土质条件下不同影响因素与杂散电流的关系，为兰州轨道交通1号线杂散电流腐蚀防护设计提供理论依据。

1 1号线工程概况

1号线自西向东穿过中心城区，线路串联了城关区、七里河区、安宁区、西固区四个主要功能区块。1号线西起陈官营站，途经崔家大滩、迎门滩、马滩、西客站、西关十字、东方红广场、盘旋路、省人民医院、东部市场，东至东岗镇，线路全长约 26 km[4]。1号线两次穿越黄河，一次是在银滩黄河大桥附近，从马滩穿越黄河后进入安宁区；另一次是从营门滩附近穿越黄河进入西固区[4]。1号线采用集中供电方式，两级电压制110 kV/35 kV，牵引网电压为DC 1 500 V；采用架空接触网授流方式的牵引网形式。

2 杂散电流腐蚀机理

2.1 杂散电流形成过程

以单边供电为例，说明杂散电流的形成原理，如图1所示。目前，城市轨道交通一般采用直流牵引供电，机车所需的牵引电流由牵引变电所的正极出发，通过架空接触网(轨)、受电弓向电动机车供电。然后经走行轨(即回流轨)回流到牵引变电所的负极，产生回流电流。但因为钢轨不可能完全绝缘，所以牵引电流并不能全部由钢轨回流到变电所，而是有一部分电流由走行轨流入大地，这部分电流便形成杂散电流[5]。图1中，I为牵引电流，Ir为回流电流，Is为杂散电流;L为牵引变电所与机车之间的距离。

图1 杂散电流形成原理

2.2 杂散电流腐蚀机理

杂散电流的腐蚀机理如图2所示。图中符号含义同图1。

图2 杂散电流腐蚀原理

走行轨与埋地金属管线都属于电子导体，而土壤则属于离子导体。电子从A和D两个位置分别流出时，金属导体与地面的交界面为阳极；电流在C和F两个位置分别流入时，地面与金属导体的交界面为阴极，即A、B、C和D、E、F是两个串联的原电池。

原电池1：A(阳极)→B(土壤)→C(阴极)。

原电池2：D(阳极)→E(土壤)→F(阴极)。

根据土壤中有无氧气，腐蚀原电池的电极反应分为吸氢腐蚀和吸氧腐蚀。这两种腐蚀反应通常生成Fe(OH)2并在钢筋表面或介质中析出, 部分还可以进一步被氧化形成Fe(OH)3。生成的Fe(OH)2继续被介质中的O2氧化成棕色的Fe2O3·2xH2O (红锈的主要成分) , 而Fe(OH)3可进一步生成Fe3O4(铁锈的主要成分)[6]。

3 实验装置及测试过程

3.1 实验装置

本研究设计的实验测试装置如图3所示[7]。盛装土壤的容器尺寸为：长×宽×高=0.5 m×0.4 m×0.6 m。土壤厚度为0.5 m。用长0.4 m、阻值分别为0.5 Ω、1.0 Ω的镍锘合金电阻片平铺在土壤表面模拟图1中的走行轨。用型号为TH-SS3022数显直流稳压电源(量程为0～30 V)模拟图1中的牵引变电所。Rb为电路的保护电阻，由6个阻值为2.5 Ω、10 W的电阻串联构成。用两块万用表分别测量牵引电流和杂散电流。这样就形成了一个类似兰州地铁杂散电流产生的模拟环境。

图3 实验室模拟装置

3.2 测试过程

由于受实验室各种条件的限制，无法直接测量土壤电阻率，只能选在室外进行测量。通过对1号线路走向的分析，最终分别对位于安宁区、七里河区、城关区的世纪大道站、西客站和五里铺站3个站点的土壤进行采样，并进行土壤电阻率和杂散电流的测量。其中土壤电阻率测试方法采用等距四电极法[7]，杂散电流的测量则用图3所示的模拟装置进行测量。在测试过程中，为提高测试结果的可靠性，在每种工况下测量3次，以3次测量的算术平均值作为最后结果。下面给出具有代表性土质的3个站点的杂散电流测试结果。所选世纪大道站、西客站和五里铺站3个站点的土壤电阻率分别为ρ=28.33 Ω·m、ρ=34.54 Ω·m、ρ=40.82 Ω·m。

4 结果分析

4.1 牵引电流对杂散电流的影响

实验中模拟钢轨的纵向电阻有Rr=0.5 Ω和Rr=1.0 Ω两种规格，机车与牵引变电所之间的距离为28 cm，测试探针插入土壤的埋深h=7 cm。当牵引电流分别为I=0.3 A、0.6 A、0.9 A时，对距牵引变电所不同距离Lx处的杂散电流进行测量，结果如图4所示。

可以看出，对于同一牵引电流，杂散电流沿着测点与牵引变电所之间的线路呈抛物线变化，在实验条件下的15 cm处取得极大值；对于同一测试位置，杂散电流随牵引电流值增大而增大，而且，不同牵引电流对应的杂散电流极值所在位置基本一致。这说明对于建成的两牵引变电所之间的线路，其杂散电流汇集的位置是在一个比较狭小的范围内。由此启发我们在设计中如何合理确定牵引电流和牵引变电所之间的距离等因素，在保证机车有足够牵引力的情况下将杂散电流降到最低。

据此得出结论，在兰州轨道交通建设中，可采用提高牵引网的电压、限制牵引电流的措施来降低杂散电流带来的危害。例如，1号线一期工程采用DC 1 500 V的电压，有助于减小杂散电流。另外，除了线路末端采用单边供电外，线路中间均采用双边供电。采用双边供电的杂散电流值为单边供电的1/4。

图4 不同牵引电流时比较

图5比较了不同站点在相同牵引电流I=0.9 A时的杂散电流沿线变化。

图5 不同站点杂散电流比较 (I=0.9 A)

由图5可知，当世纪大道站、西客站和五里铺站采取相同的牵引电流0.9A时，杂散电流在测量点与牵引变电所间呈现出相似的变化趋势，并且取得极值的位置也很接近。但对于同一位置，杂散电流的绝对值存在差异。其中，世纪大道站的杂散电流最大，五里铺站的杂散电流最小，前者的极值比后者的极值高出41.3%。所以，同一线路采取相同的牵引电流显然是不科学的。在设计和实际运行管理中，要综合考虑各种因素，尽可能地对不同站点间的牵引电流进行动态调节，使得受其影响的杂散电流最小。

4.2 钢轨纵向电阻对杂散电流的影响

牵引电流I=0.6A，测试探针插入土壤的埋深h=7cm，机车与牵引变电所之间的距离L=28cm，钢轨纵向电阻分别为Rr=0.5Ω、1.0Ω时，对距牵引变电所不同距离Lx处的杂散电流进行测量，得到了杂散电流的变化趋势，如图6所示。

图6 不同钢轨纵向电阻时比较(I=0.6 A)

由图6可知，对于同一钢轨纵向电阻，沿着测点与牵引变电所之间的线路杂散电流呈抛物线变化，在实验条件下也是于15 cm处取得极大值。在其他条件不变的情况下，随着钢轨纵向电阻的增大，杂散电流随之增大。从两种钢轨纵向电阻对应的杂散电流分布可以看出，大阻值时杂散电流的变化幅度较大，而小阻值时相对平缓。与图4对照，发现钢轨纵向电阻对杂散电流的影响要大于牵引电流对杂散电流的影响幅度。因此，在兰州轨道交通一期工程中，在满足对钢轨其他技术方面的要求时，应该尽量减小钢轨的纵向电阻，比如通过选择电阻率较小材质的钢轨或者横截面较大的钢轨，以便通过减小钢轨的纵向电阻来减小杂散电流的大小，从而减轻杂散电流的腐蚀危害。

图7比较了具有相同纵向电阻的钢轨置于不同站点时杂散电流沿线变化。由图7可知，当钢轨纵向电阻均为1 Ω时，世纪大道和西客站的杂散电流极值很接近，均高于五里铺站的极值，两极值相差约23%。所以，同一线路布置具有相同钢轨纵向电阻也是不科学的。在设计和实际运行管理中，要综合考虑各种因素，尽可能地对不同站点间的钢轨纵向电阻进行人为处理，使其杂散电流最小。

图7 不同站点杂散电流比较(Rr=1.0 Ω)

4.3 杂散电流沿土壤深度的变化

牵引电流I=0.6 A，钢轨纵向电阻Rr=0.5 Ω，机车与牵引变电所之间的距离L=28 cm，当测量点与牵引变电所之间的距离Lx=15 cm时，测试得到了杂散电流沿土壤深度的分布，如图8所示。由图8可知，在其他条件不变的情况下，杂散电流随土壤埋深的增加呈下降趋势，并且当深度达到一定程度时杂散电流会减小到零。因此，在兰州轨道交通一期工程中，可以通过实验来确定杂散电流达到零时土壤深度的极限值，然后将金属管线铺设在杂散电流为零的区域，从而减小杂散电流对埋地金属管线的腐蚀。

图8 杂散电流随土壤深度变化曲线(I=0.6 A)

4.4 机车与牵引变电所距离对杂散电流影响

牵引电流I=1.0 A，钢轨纵向电阻Rr=0.5 Ω，测试探针插入土壤的埋深h=7 cm，测量点始终保持在牵引变电所与机车的中点位置。机车与牵引变电所间距离分别为L=4 cm、8 cm、12 cm、16 cm、20 cm、24 cm、28 cm时，对杂散电流进行测量，结果如图9所示。

图9 Is随L变化关系

由图9可知，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16 cm处发生了增长速率的变化,说明到达一定距离后杂散电流的增长会更快。

针对这一结论，在兰州轨道交通一期工程中，在确保满足其他条件时，应尽量缩小供电区间的长度，即缩小牵引变电所之间的距离，从而削弱杂散电流的腐蚀危害。在1号线一期工程中，牵引变电所与车站合建，因此，在满足供电要求的前提下，尽量减小站间距[8]。这样，虽然可能会增大初投资和运营成本，但提高了安全运行的可靠性。

5 结束语

本文以兰州轨道交通1号线为研究对象，设计了杂散电流实验室模拟装置，并对不同影响因素下所产生的杂散电流进行了测量，得到了如下主要结论。

(1) 兰州轨道交通1号线如果采用相同的牵引电流，各站点间所产生杂散电流的极值差异达到了41.3%；在不同站点铺设具有相同纵向电阻的钢轨，杂散电流也会有23%的差异。

(2) 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；而且在16 cm处发生了增长速率的变化。这说明到达一定距离后杂散电流的增长会更快。

(3) 实行站间牵引电流动态调节、人为改变钢轨纵向电阻，可以有效降低杂散电流的危害。

(4) 对于特定环境下的轨道交通供电系统，影响杂散电流分布的因素很复杂，如何有侧重地采取措施降低其危害，需要大量的基础实验数据支持。

(5) 本文只是从实验的角度研究了杂散电流与几个主要影响因素间的关系以及沿线分布情况，并对特定条件下的结果作了比较。当列车投入运营后，杂散电流的实际分布及变化特征会变得更为复杂，需要长期在线跟踪测试，为确保轨道交通系统的安全运行提供技术支持。

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Comparison of the Stray Current Distribution along Lanzhou Rail Transit Line 1

In order to find out the relationship among stray current in rail transit system and various affecting factors of soil conditions in Lanzhou region, soil samples are collected at three of the stations of the Lanzhou rail transit line 1 which is under construction, i.e., the century avenue station, west railway station, and Wulipu station; and experimental tests of the stray current are conducted under different traction current, soil resistivity, longitudinal resistance of the rail, and soil depth, etc. The results indicate that the extreme value differences of stray current between two stations is up to 41.3%; when the rail with same resistivity being laid at different station, the stray current may be different around 23%; the stray current is increasing following the distance increment between locomotive and traction substation; and the increasing rate of the stray current will increase when the distance between locomotive and traction substation reaches certain value. The research provides theoretical reference for formulating the corrosion protection program of the stray current for Lanzhou rail transit line 1.

Rail transit Direct current traction Stray current Experiment study Corrosion

甘肃省自然科学基金资助项目(编号：1308RJZA199)。

U239+.5;TP73

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510005

修改稿收到日期：2015-01-08。

作者李亚宁(1977-)，女，2005年毕业于兰州交通大学自动控制专业，获硕士学位，副教授；主要从事轨道交通控制方面的研究。