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采用直流供電，鋼軌作為其直流供電回流的媒介[2]，多數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；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[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）B道床、土壤C金屬管道（--陰極區）；

電池2：D金屬管道（++陽極區）E道床、土壤F走行軌（--陰極區）；

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。根據發生氧化反應的金屬物質所處的環境不同，氧化還原反應的產物也不同，環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 有排流網結構模型

圖3 走行軌-排流網-金屬網電流電壓節點分布圖

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。若鋼軌縱向電阻滿足在60kg/m的規格下，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、磨損及各種環境因素的影響。

在其它參數不變的情況下，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，可以發現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。