摘 要:為了保障城市軌道交通的安全,對(duì)腐蝕軌道附近建筑中鋼筋的雜散電流的檢測(cè)和防護(hù)已成為必然。復(fù)雜的環(huán)境使雜散電流難于直接檢測(cè),為此本文深入雜散電流腐蝕的機(jī)理,運(yùn)用電路理論推導(dǎo)雜散電流分布的理論公式,建立離散的供電理論模型。根據(jù)雜散電流的分布規(guī)律,分析了影響雜散電流的各個(gè)參數(shù),設(shè)計(jì)了基于供電區(qū)間的有效的分布式軌道交通雜散電流監(jiān)測(cè)模型。 關(guān)鍵詞: 雜散電流;分布式;軌道交通;監(jiān)測(cè)系統(tǒng) Abstract: In order to protect the Urban Mass Transit, it was necessary to check and defense the stray current which rusted the reinforcing steel bar of the building near the railway. It was difficult to monitor the stray current directly on complicated environment, so the paper researched deeply on the principle of the stray current corrosion, the theory formula of stray current distribution was deduced by applying circuit net theory, and the discrete supply theory model was established. Accord with the distribution rule of the stray current, analyzing the different parameters of the stray current, a distributed and effective stray current monitor model of urban mass transit based on a power supply zone was designed. Keywords: Stray Current; Distribution; Mass Transit; Monitor System 1 引言 　　目前國(guó)內(nèi)城市軌道系統(tǒng)的牽引方式都采用電力牽引,多數(shù)為直流供電。由牽引變電所通過(guò)接觸網(wǎng)（架空線或接觸軌）向列車(chē)送電[1],以行走軌道回流到變電所。地下隧道或路面的鋼軌很難做到完全對(duì)地絕緣,以至部分牽引電流由鋼軌泄露到大地中,再由大地流回到牽引變電所。走行鋼軌中的牽引電流越大或鋼軌對(duì)地面的絕緣程度越差,泄露到地下的電流也就相應(yīng)越大,電流為雜散電流[2],也稱為迷流。雜散電流腐蝕軌道及其附近建筑物中鋼筋造成安全隱患,而且由于雜散電流環(huán)境比較復(fù)雜,不能直接檢測(cè)。為此本文研究了雜散電流機(jī)理,運(yùn)用電路理論,推導(dǎo)出雜散電流監(jiān)測(cè)的模型,設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)保護(hù)軌道交通的安全。 2 離散供電系統(tǒng)模型 　　雖然雜散電流是通過(guò)大地回流的,不能直接測(cè)量,但是當(dāng)前的軌道交通驅(qū)動(dòng)方式的類(lèi)似性,可以尋找出一定的規(guī)律。列車(chē)在每個(gè)站臺(tái)之間都要經(jīng)歷加速、勻速、減速以及剎車(chē),每個(gè)車(chē)段長(zhǎng)短不一,使負(fù)荷變化多端;同時(shí)各段的地質(zhì)條件不同,也就不能推導(dǎo)出比較精確的雜散電流泄漏的理論公式?，F(xiàn)在使用的多數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式是根據(jù)電流理論推導(dǎo),采用近似值估計(jì),監(jiān)測(cè)精度比較低。如果每個(gè)供電區(qū)間不允許跨區(qū)供電,限制雜散電流分布在一個(gè)區(qū)間內(nèi),則相互之間影響非常小,甚至沒(méi)有影響,這就是雜散電流的研究難度降低度;在次基礎(chǔ)上推導(dǎo)雜散電流模型,還需兩個(gè)假定條件來(lái)簡(jiǎn)化問(wèn)題:1）軌道和排流網(wǎng)間電阻只是由于絕緣膠墊引起,在其他位置完全絕緣;2）軌道和排流網(wǎng)與外界沒(méi)有電氣聯(lián)系;這兩個(gè)假設(shè)也為地鐵雜散電流腐蝕的監(jiān)測(cè)和防護(hù)提供理論依據(jù)。這些假設(shè)使復(fù)雜的連續(xù)的空間場(chǎng)簡(jiǎn)化為離散的平面電路;按照供電區(qū)間中雙邊供直流電可以建立雜散電流的離散模型,其等效電路如圖1。 [align=center] 圖1 地鐵牽引供電系統(tǒng)離散化模型[/align] 　　根據(jù)電路圖可以建立網(wǎng)孔方程,取U0=0,形成各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓方程組的矩陣,可較易的可求解出各點(diǎn)電壓,如圖2。為了便于求解各種電流,統(tǒng)一規(guī)定軌道電流和排流網(wǎng)電流是電路圖中由左到右的方向?yàn)檎?其中泄漏電流（雜散電流）是由軌道流向排流網(wǎng)的方向?yàn)檎?從而通過(guò)歐姆定律可求解出各段的電流、排流網(wǎng)上的電流泄露電流。 　　此時(shí)離散化模型僅僅是考慮的只有一級(jí)排流網(wǎng),但軌道交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)多數(shù)要求排流網(wǎng)分為主排流網(wǎng)和輔排流網(wǎng),以進(jìn)一步的控制雜散電流的在其他金屬物體的流過(guò),此情況下雙邊供電時(shí)的等效電路為圖3。 　　離散模型求解方程的矩陣形式可以簡(jiǎn)化為公式: 　　（1） 　　矩陣G是一個(gè)嚴(yán)格對(duì)角占優(yōu)的方陣,r（G）=n,方程有解,可以用LU分解法求解,求解過(guò)程為: 　　（2） 　　其中, L、M分別為上三角矩陣和下三角矩陣。 [align=center] 圖2 節(jié)點(diǎn)電壓求解方程組的矩陣表示 圖3 主副排流地鐵牽引供電系統(tǒng)離散化模型[/align] 　　對(duì)照離散的供電系統(tǒng)模型,在Matlab仿真[3]的電路模型為圖4,可以觀察任何一點(diǎn)的電流電壓,可以在仿真試驗(yàn)中,推導(dǎo)出雜散電流分布的一般規(guī)律: 　　1）當(dāng)列車(chē)運(yùn)行在區(qū)間中間位置時(shí)軌道電壓為正的最大值,此時(shí)也對(duì)應(yīng)著雜散電流出現(xiàn)最大值。在回流點(diǎn)處軌道電壓為負(fù)的最大值,此處的排流網(wǎng)處于陽(yáng)極區(qū),是雜散電流腐蝕最嚴(yán)重的區(qū)域。 　　2）軌道電壓隨列車(chē)牽引電流增加而增加,而且增幅較大,列車(chē)處的軌道電壓為最大值。盡管隨著列車(chē)牽引電流的增加,雜散電流也增加,但增加幅度不大。 　　3）隨著軌道縱向電阻的增加,軌道電壓大幅增加,雜散電流在最初軌道縱向電阻值較小時(shí)增加不明顯,但隨著軌道縱向電阻值的增加,雜散電流增幅速度越來(lái)越快。 　　4）過(guò)渡電阻對(duì)雜散電流的分布影響最大,過(guò)渡電阻越小,雜散電流越大,當(dāng)過(guò)渡電阻小于3（Ω•km）時(shí),雜散電流的泄漏比較嚴(yán)重,而過(guò)渡電阻15（Ω•km）時(shí),雜散電流泄漏很小;過(guò)渡電阻大于15Ω•km時(shí),雜散電流可以忽略;過(guò)渡電阻大于3Ω•km時(shí),雜散電流變化很小;過(guò)渡電阻<3Ω時(shí),雜散電流變化劇烈;過(guò)渡電阻<0.5Ω后,雜散電流漏泄嚴(yán)重,必須采取有效措施進(jìn)行處理。 [align=center] 圖4 地鐵牽引供電系統(tǒng)Matlab仿真模型[/align] 　　5）排流網(wǎng)電阻對(duì)軌道電壓和雜散電流的影響很小,工程設(shè)計(jì)上做混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋的截面計(jì)算時(shí),主要考慮土建專業(yè)對(duì)混凝土強(qiáng)度的要求。 　　6）供電區(qū)間距離增大,軌道電壓和雜散電流均增加,增幅也較大,盡可能的縮短供電區(qū)間距離,對(duì)減小雜散電流有重要的意義。 　　雜散電流的這些規(guī)律顯示出各個(gè)區(qū)間之間的雜散電流影響是獨(dú)立的,從而在軌道交通中可以采用分區(qū)間的監(jiān)測(cè)雜散電流。為了減少雜散電流,上面的規(guī)律指出出了在軌道交通設(shè)計(jì)應(yīng)該遵守的規(guī)則。規(guī)律中最為重要的應(yīng)用是根據(jù)基爾霍夫第一定律和基爾霍夫第二定律能夠給出計(jì)算行駛中列車(chē)在任意一點(diǎn)L時(shí)整個(gè)供電區(qū)間過(guò)渡電阻的計(jì)算公式。 　　（3） 　　式中:R[sub]W[/sub]—整個(gè)供電區(qū)間的過(guò)渡電阻值;ΔV—點(diǎn)L電機(jī)車(chē)車(chē)輪下軌道與結(jié)構(gòu)鋼之間的電位差;同時(shí)測(cè)出供電區(qū)間兩個(gè)端點(diǎn)與結(jié)構(gòu)鋼的電位差V[sub]1[/sub]、V[sub]2[/sub]。 3 雜散電流分布式監(jiān)測(cè)模型 　　地鐵雜散電流難以直接測(cè)量,一般都采用間接的辦法來(lái)反映雜散電流的腐蝕情況。通過(guò)測(cè)量電位極化偏移來(lái)判斷。地鐵雜散電流腐蝕主要監(jiān)測(cè)的參數(shù)有軌道電位、埋地金屬結(jié)構(gòu)的極化電位、過(guò)渡電阻和軌道縱向電阻等,即軌道交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》所規(guī)定,顯示雜散電流給流經(jīng)的金屬體與設(shè)備受雜散電流腐蝕的危險(xiǎn)性。 [align=center] 圖5 分布式雜散電流監(jiān)測(cè)原理圖[/align] 　　國(guó)內(nèi)軌道交通設(shè)計(jì)時(shí)把雜散電流作為獨(dú)立的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì),需全線鋪設(shè)獨(dú)立傳輸通道傳遞采集的各種信號(hào),代價(jià)比較大,監(jiān)測(cè)精度和實(shí)時(shí)性都比較低。根據(jù)研究主副排流地鐵牽引供電系統(tǒng)離散化模型,重新設(shè)計(jì)傳感器,每個(gè)點(diǎn)僅僅采集兩個(gè)參數(shù):①建筑物中結(jié)構(gòu)鋼筋對(duì)參考電極的電位;②軌道對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋的電位。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)入?yún)^(qū)間的監(jiān)測(cè)裝置,形成獨(dú)立區(qū)段監(jiān)測(cè),也滿足離散化模型計(jì)算需要,提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安全性。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)中,最為重要的是通過(guò)公式（3）,計(jì)算出一個(gè)供電區(qū)間過(guò)渡電阻。有了現(xiàn)場(chǎng)總線,就可以在區(qū)間中分布的任意一個(gè)傳感器,當(dāng)列出正在通過(guò)時(shí),觸發(fā)三個(gè)電信號(hào)的測(cè)量,計(jì)算出區(qū)間的過(guò)渡電阻,比較整個(gè)區(qū)間在一天內(nèi)所有的測(cè)量值,取出最小值為本日的過(guò)渡電阻。 　　不同的監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)通過(guò)軌道交通已有的SCADA通信通道,匯集到指揮中心,完成對(duì)全線雜散電流的監(jiān)測(cè),形成一個(gè)分布式的雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖5。借助SCADA大大降低系統(tǒng)建設(shè)成本,而且通信距離可以不受限制,也把數(shù)據(jù)傳遞到變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng),達(dá)到資源共享。實(shí)際分布式雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以傳感器、監(jiān)測(cè)裝置由CAN總線組成低級(jí)網(wǎng)絡(luò);通過(guò)SCADA,各個(gè)監(jiān)測(cè)裝置與監(jiān)控中心組成高級(jí)網(wǎng)絡(luò)。兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)不僅通信簡(jiǎn)化,使系統(tǒng)更加靈活。 4 本文作者創(chuàng)新點(diǎn) 　　針對(duì)目前應(yīng)用的雜散電流監(jiān)測(cè)方案的不足,本文提出了一種基于供電區(qū)間的分布式雜散電流監(jiān)測(cè)方案,兩層網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng),能夠靈活方便的實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)雜散電流分布、為安全防護(hù)提供有效的手段,并且提高了雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。 參考文獻(xiàn) 　　[1]方鳴. 城市軌道交通的供電制式及饋電方式[J]. 中國(guó)鐵路,2003,4:49-53. 　　[2]林江等. 地鐵迷流腐蝕及其防護(hù)技術(shù)[J]. 建筑材料學(xué)報(bào),2002,3:72-76. 　　[3]梁飛華,黃玉新等.AutoCAD.VBA與MATLAB環(huán)境下的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真[J]. 微計(jì)算機(jī)信息,2006,8:206-208.