地铁钢轨纵向电阻对地铁杂散电流的仿真分析

范美琪 孙燕盈 马志强 胡志明 郭思琦

（中国矿业大学（北京），北京 100083）

0 引言

为解决城市交通拥堵问题，目前轨道交通应用日益广泛。由于城市轨道交通供电牵引系统采用直流供电，钢轨作为其直流供电回流的媒介[2]，多数情况下由于工艺问题等原因使得钢轨与大地之间无法做到完全绝缘[3]，导致供电电流流过运行轨道时，会向周围土壤介质泄露一定的直流电流，该直流电流被称为杂散电流[4]。

杂散电流会对埋地金属结构产生电化学腐蚀，损坏金属结构的整体性，降低其强度和耐久性。理论上1A的杂散电流在一年内可以腐蚀溶解钢铁大约9kg[5]。实际上土壤中的杂散电流往往远大于1A，其造成的腐蚀程度更强、腐蚀速率更快。因此，本文重点分析了地铁钢轨纵向电阻对地铁杂散电流的影响。

1 杂散电流分布仿真模型

1.1 杂散电流的腐蚀机理

城市轨道交通中有列车运行时就会有杂散电流的存在，杂散电流影响的管道腐蚀原理属于电化学腐蚀，杂散电流对周围埋地金属管道的腐蚀遵守法拉第电解定律。

泄漏至大地的杂散电流从金属管道流入时，由电化学理论可知该流入点为负极，即为阴极区；而当杂散电流从管道中流出时，该流出点为正极，即为阳极区[5]。

图1为杂散电流腐蚀图，其中杂散电流流过埋地金属管道的通路，可以将其可以看作为两个原电池：

图1 杂散电流腐蚀图

电池1：A走行轨（++阳极区）B道床、土壤C金属管道（--阴极区）；

电池2：D金属管道（++阳极区）E道床、土壤F走行轨（--阴极区）；

阳极过程的电解反应产生在杂散电流从A走行轨和D金属管道这两个阳极区流出的时候，走行轨和金属结构物中的Fe和周围土壤中可电解物质发生阳极过程的氧化反应，即Fe失去电子，化合价升高，于是正价Fe离子从原来结构中析出，从而形成腐蚀。根据发生氧化反应的金属物质所处的环境不同，氧化还原反应的产物也不同，环境的主要因素有含氧量、pH值等。一般，金属的氧化还原反应概括为两类，析氢腐蚀与吸氧腐蚀。

1.2 杂散电流分布模型（如图2所示）

图2 有排流网结构模型

图3 走行轨-排流网-金属网电流电压节点分布图

2 钢轨纵向电阻影响分析

在影响杂散电流泄漏的众多因素之中，钢轨纵向电阻是一个极其重要的参数。若钢轨纵向电阻满足在60kg/m的规格下，阻值为27.3mΩ/km时便符合标准要求，但是在实际应用中，钢轨纵向电阻值是普遍偏大的，这其中有长期腐蚀、磨损及各种环境因素的影响。

在其它参数不变的情况下，将钢轨纵向电阻值分别设为0.01Ω/km、0.03Ω/km和0.1Ω/km，研究不同的纵向电阻值对周围金属管道干扰的影响。仿真结果如图4～图9所示。

图4 钢轨电流分布

从图7钢轨电流、电压和杂散电流对比图中，我们可以分析得出：当钢轨纵向电阻逐渐增大时，走行轨电流逐渐降低，杂散电流量逐渐升高，且增长速率较高，根据V=RI得知：钢轨电压几乎呈线性增长，钢轨电压的最大值与钢轨纵向电阻呈正比关系；从图8和图9中可知，钢轨纵向电阻从0.01Ω/km增大至0.03Ω/km、再从0.03Ω/km增大至0.1Ω/km的过程中，金属管道电流从0.36A增大到3.6A，金属管道电压也升高了约10倍，杂散电流都是扩大了3倍左右。综上分析，金属管道电流与电压的增长是与钢轨纵向电阻值的增长呈线性关系，因此，减小钢轨的纵向电阻可以有效保护金属管道。

图7 钢轨电流、电压、杂散电流比较图

图8 金属管道电压分布

图9 金属管道电流分布

图5 钢轨电压分布

图6 钢轨杂散电流分布

3 结语

通过建立杂散电流分布模型，借助MATLAB仿真对钢轨纵向电阻与杂散电流分布关系进行了深入研究，可以发现当钢轨纵向电阻增大时，杂散电流逐渐增大；减小钢轨纵向电阻可以有效减少杂散电流的影响，保护地铁金属管道。