城轨课程设计

城市轨道交通供电系统课程设计

专业：电气工程及其自动化

班级：电气091

姓名：许刚

学号： 200909004

指导教师：李亚宁

兰州交通大学自动化与电气工程学院

2012 年 7月 20日

1设计原始材料

1.1具体题目

某地铁五号线呈东西走向，全线共设24座车站，如图2所示。正线线路全长约31.8km ，其中29.59km 为地下线路，2km 为高架线路，0.21km 为路基或路堑线路。车站及区间隧道采用了明挖法、明暗结合、矿山法、沉管法、盾构法等多种施工方法。

滘口

广州火车站珠江新城

员村

东坡南三溪

文冲大沙地

图2 某地铁地铁五号线线路图

试结合所学知识，对该地铁杂散电流腐蚀防护进行设计。

1.2要完成的内容

1)详细介绍了杂散电流产生、腐蚀机理和危害； 2)建立地铁杂散电流分布数学模型，进行理论推导；

3)探讨杂散电流监测点选取的问题以及排流法保护方式、排流网设置形式； 4)进行杂散电流排流量模糊控制算法的研究及杂散电流排流计算程序的编制。

2分析要设计的课题内容

2.1杂散电流的形成和分布

2.1.1杂散电流的形成

机车所需电流由牵引变电所提供，通过接触网(轨)向机车送电，并利用走行轨把牵引电流返回牵引变电所负极。由于钢轨很难做到完全对地绝缘，所以牵引电流并非完全由钢轨流回牵引变电所，而是有一部分有钢轨泄露入大地，再由大地流回钢轨并返回牵引变电所，从而形成杂散电流。如图2.1所示，I 1和I 2分别为一个供电区间两个牵引变电所向机车提供的电流，I 3和I 4分别为通过走行轨向

两个牵引变电所回流的电流I 5和I 6分别为泄露到地下的杂散电流。

I 1

I 2

图2.1 地铁供电系统及杂散电流的形成示意

2.1.2地铁杂散电流的分布

地铁由多个区间隧道组成，对每个地铁供电区段至少有两个变电所供电，因此在轨道上运行时符合会发生变化。由于每个区段的地址条件 不同，轨道过渡电阻列车的走形而不断变化；即使是同一个区段，轨道过渡电阻也因地质条件的不同而发生变化。所以，严格意义上的地铁杂散电流分布很难确定。主要的结论有：

1)变电所附近的轨道电位为负极大值，埋地金属体对地为阳极杂散电流腐蚀严重；列车底部轨道轨道电位为正极大值，轨道对地为阳极杂散电流腐蚀严重。

2)变电所供电电流对走行轨电位和杂散电流都有影响，供电电流取值越大，泄露的杂散电流也越大，腐蚀电流也越大。

3)轨地过渡电阻对轨道电位和杂散电流影响最大，过渡电阻越小，泄露的杂散电流越大。当过渡电阻大于15Ω∕km 时，杂散电流和腐蚀电流可以不计；小于5Ω∕km 时，应采取措施。

2.2金属结构杂散电流腐蚀机理与判断依据

2.2.1金属的腐蚀机理

腐蚀一般分为两种形式：化学腐蚀和电化学腐蚀。在无电流作用下产生的化学腐蚀是在潮湿和酸性环境中产生的，以铁为例，化学方程式如下：

242243()2Fe SO H O Fe Fe O H O H

-

-

++=++

其中Fe (OH )2就是铁锈的重要成分。

由于电流的影响，发生在金属与周围环境间的化学反应导致了电化学腐蚀。这种腐蚀的形成必须具备四个基本条件：

1)金属材料为阳极及另一个阴极区；

2)金属材料为阴极及另一个阳极区； 2)在阴极和阳极间存在电解质； 4)在阴极和阳极间形成电子流动路径。

根据电化学理论，金属体为阳极时其化学反应方程式为：

2224Fe Fe

e

+

-

=+

金属体为阴极时其化学反应方程式为：

22244O H O e O H

-

-

++=

在无氧酸性环境中，阴极反应将氢离子还原为氢气。化学方程式为：

2442H

e H +

-

+=↑

在无氧中性环境中，阴极反应将水还原为氢气和氢氧根离子。化学方程式为：

224442H O e O H

H -

-

+=+↑

2.2.2地铁杂散电流腐蚀基本原理

地铁杂散电流腐蚀示意图如图2.2所示。

D （阳极区）

图2.2 地铁杂散电流腐蚀原理图

由图可见，杂散电流所经过的路径可概括为3个腐蚀电池。 电池Ⅰ:A 钢轨(阳极区)─B 道床、土壤─C 埋地金属管线(阴极区) 电池Ⅱ:D 埋地金属管线(阳极区)─E 土壤、道床─F 钢轨(阴极区) 电池Ⅲ:O 埋地金属管线(阳极区)─P 土壤、道床寸Q 钢轨(阴极区) 当杂散电流由图2.2中三个阳极区─钢轨A 、埋地金属管线D 和埋地金属管线O 流出时，该部位的金属(主要为Fe)便与其周围电解质发生阳极过程的电解作用，此处的金属随即遭到腐蚀。由金属的腐蚀机理可将发生腐蚀的氧化还原反应分为两种为析氢反应和吸氧反应。

1)析氢反应:

阳极 2224F e F e e +-=+

阴极 2

442H e H --+=↑(无氧酸性环境) 224442H O e O H H --+=+↑(无氧环境) 2)吸氧反应：

阳极 2224F e F e e

+-=+ 阴极 22244O H O e O H --++= 杂散电流腐蚀一般具有以下特点： 1)腐蚀激烈； 2)腐蚀集中于局部；

3)由防腐蚀层时，往往集中于防腐蚀层的缺陷部位。

2.3地铁杂散电流腐蚀的危害

1)在列车下部，列车处于阳极区，容易处于阳极区，容易发生腐蚀。 2)杂散电流通过混凝土时对混凝土本身并不产生影响。但若有钢筋存在，则钢筋起汇集电流的作用并把电流引导到排流点处。地铁运营一段时间后，要对由于杂散电流腐蚀钢筋而发生破坏的混凝土结构进行维修和更换将是十分困难的。

3)杂散电流对埋地管线也产生电流腐蚀。

4)再把线路引入修理库、交检库及运转库等建筑物时，如绝缘施工不良，可使钢轨与建筑物发生某种程度的点连接，从而使泄露电流增大，产生异常激烈的杂散电流腐蚀。

3杂散电流腐蚀防护设计

3.1杂散电流的防护系统

为防止杂散电流的干扰，该地铁线应该采取的主要措施是建立畅通的牵引负极回路、回流轨采用绝缘垫、对地铁的各种管线及设备采取绝缘措施、利用整体道床内的结构钢筋构成杂散电流手机网。该地铁线路的监控系统是由杂散电流手机网测量端子、埋置式参比电极、测量信号电缆、数据转换箱以及微机监测装置构成。微机与数据转换箱连接，对个监测点的电位进行实时监测。

3.2地铁杂散电流的分析

3.2.1杂散电流的数学模型

单边供电模式轨道─排流网─大地电阻分布示意图如图3.1，轨道电压及电流分布原理图如图3.2和3.3所示。

图3.1 单边供电模式轨道─排流网─大地电阻分布示意图

i(x)

图3.2 电压节点图图3.3 电流节点图

3.2.2杂散电流监控系统的组成

图3.4 杂散电流监控系统组成框图

由图3.4可知，检测系统主要是由上位机系统和自动检测装置两部分构成。自动检测装置是以ARM7处理器为核心的数据采集处理系统，完成模拟量、开关量的采集和存储。上位机主要功能是通过USB接口与自动检测装置相连，通过系统软件可实时显示各种信息，可方便查询历史数据和故障记录，同时达到远程修改自动检测的系统时间等功能。

3.3排流网的设置

排流网是在轨道与埋地金属之间设置一个低电阻的杂散电流流通路径，地铁

工程中利用整体道床和浮制板道床内结构钢筋以及隧道结构钢筋形成杂散电流手机网也就是排流网。 3.3.1排流网截面积的选取

单边供电模式下，分析知轨道泄露到地下的任一点电流为：

s s g s x

s x

x s

()=()()()R R R i x I i x I

th ax I

ch as I

R R R R R R -=-++++

杂散电流排流网的总电流为：

s

r r 0

x s )1+)2

L L R al

I i x dx I

th shax chax dx R R =

=

-+?

?

（（ 排流网最大电位降为：

s r

s r

max r s r s

22=1)Im 1)Im 2

R R R R al U L

th ax L

ax R R al R R L -

=-

++（（

3.3.2排流网的结构

排流网的结构如图3.5和3.6。

手机网纵向钢筋

焊点

收集网横向钢筋

5m

5m

5m

5m

钢轨绝缘

混凝土枕

横向联接钢筋跨接钢筋

纵向钢筋

混凝土道床

图3.5 杂散电流排流网示意图 图3.6 杂散电流排流网铺设示意图

3.4设计结论

由以上的分析设计可知对于本段地铁正线处采用杂散电流收集网系统、杂散电流检测系统、接地系统并存的设计方法；高架线处主要是以杂散电流收集系统和检测系统并存的设计方法；路基和路断处以接地系统单独作用为主。

4设计的评论(结论)

通过验证可以证明以上设计方法符合杂散电流防护的基本要求，可以有效的保证列车运行的安全以及延长钢轨的使用年限，同时也极大的减轻了铁路工人的检修及维修的工作量，铁路工人的工作条件也相应得到了改善。节约了投资资金以及运行中的维修费用，对于国家的可持续发展有重大贡献。

参考文献

[1] 于松伟，杨兴山，张巍，韩连祥.城市轨道交通供电系统[M].成都: 西南交通大学出版社，2008. 6.

[2] 王立天《杂散电流防护介绍》[M].天津:天津电气勘测设计研究院，2001.8.