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地鐵區間過渡電阻測試仿真研究

文檔作者：朱峰1 于凱1 葉家全2 文檔來源： 1．西南交通大學電氣工程學院 2．中國民航局第二研究所		點擊數：	更新時間： 2024年11月24日
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第32卷第9期計算機仿真2015年9月
文章編號：1006—9348(2015)09—0171—05
地鐵區間過渡電阻測試仿真研究
朱峰1，于凱1，葉家全2
(1．西南交通大學電氣工程學院，四川成都610031；2．中國民航局第二研究所，四川成都610041)
摘要：地鐵區間過渡電阻是影響雜散電流大小及分布的主要因素，由于回流軌對地電阻分布不均，所以對過渡電阻進行測試
分析成為優化地鐵排流系統、減小雜散電流危害的關鍵。由于地鐵拓撲結構及影響因素的復雜性，使得過渡電阻的測試及
分析非常困難。針對地鐵拓撲結構及影響因素的復雜性問題，利用CDEGS仿真軟件建立了精確的地鐵隧道拓撲結構模型，
并利用參數分析法對地鐵區間過渡電阻進行了仿真，得到了過渡電阻與不同參數之間的關系曲線。仿真結果表明：軌道絕
緣層和混凝土層電阻率是影響過渡電阻的主要因素且正常情況下過渡電阻主要由軌道絕緣層承擔；結構鋼筋網寬度及埋深
對過渡電阻的影響較小。最后通過實驗驗證了仿真所得結果規律的正確性，證明上述仿真模型可為地鐵區間過渡電阻進行
可靠的仿真測試及分析提供了參考。
關鍵詞：地鐵過渡電阻；仿真分析；參數分析；雜散電流
中圖分類號：TP391．9；U228．1 文獻標識碼：B
Simulation of Metro Transition Resistance Test
ZHU Fen91，YU Kail，YE Jia—quan2
(1．School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China；
2．The Second Research Institute of Civil Aviation Administration of China，Chengdu Sichuan 610041，China)
ABSTRACT：Transition resistance is a major factor affecting metro stray current．The analysis and test of transition
resistance are the key to to optimize the metro drainage system and reduce the stray current hazards．However the a—
nalysis and test of transition resistance axe very difficult because of the complex metro topologies and factors．For the
Complexity，an accurate metro tunnel topology model was modeling with CDEGS software and transition resistance was
measured by means of DC voltammetry．The relationship curves were obtained between transition resistance and different
parameters．The research found that the resistivity of track insulating layer and concret are the main factors but the
depth and width of steel mesh have little influence on transition resistance．Finally，a simple experiment was done to
verify the correctness of the simulation．The simulation model can provide reliable simulation testing and the analysis
of metro transition resistance．
KEYWORD$：Metro transition resistance；Simulation analysis；Parameter analysis；Stry current
1 引言
地鐵雜散電流(Stray Current，SC)對地鐵隧道結構以及
其它埋地金屬管線的電化學腐蝕是地鐵系統亟需解決的重
大安全問題¨。J。軌道和大地之間的過渡電阻(Transition
Resistance，TR)是影響sC的主要因素之一，理論和實踐均證
明增大TR是減小地鐵Sc危害的有效措施。文獻[6]研究
了在具有排流網的地鐵系統中當排流系統不投入時的sc分
布問題，指出TR是影響sc大小的主要參數；文獻[7]建立
了一個研究地鐵SC分布的數學模型，該模型驗證了在排流
情況下的SC分布，也指出TR是影響Sc大小的關鍵因素；文
收稿日期：2014—10—18修回日期：2014—11-23
獻[8]研究了沿地鐵隧道TR分布不均勻情況下sC的分布
問題；文獻[9卜文獻[12]研究了在線測量地鐵區間TR的方
法，其在線測量原理是基于sc分布公式進行逆向運算得到
的。
國內外的相關研究主要集中在地鐵Sc的分布和TR在
線測量上，目前可以明確TR的改變會對雜散電流產生重大
影響，然而這些研究中TR只是作為一個獨立的參數，并沒有
研究哪些因素會對TR產生影響。相關標準中只提到通過增
大TR來減小sc的腐蝕危害但并沒有明確指出怎樣增大
TR，這是因為地鐵隧道的拓撲結構和影響TR的因素十分復
雜導致TR的理論分析存在很大的困難而普通數值仿真又不
能實現準確模擬。本研究利用專業仿真軟件CDEGS中的
MALZ模塊對地鐵隧道拓撲結構進行了精確地建模，在考慮
一17】一
萬方數據
了軌道絕緣層電阻率、混凝土電阻率、軌道一鋼筋網的距離、
鋼筋網的寬度4個主要影響因素的情況下利用參數分析法
對TR進行測試仿真研究，得到了不同參數變化下TR的變
化規律，該仿真可對地鐵區間TR進行可靠的模擬測試及分
析從而為地鐵SC的防護提供有力幫助。
2 TR測試原理
地鐵區間TR是一個等效電阻，用來表征軌道散流由回
流軌流人大地或結構鋼筋網時所受到的阻力大小。TR不能
直接用萬用表測試，最直接的測試方法為直流伏安法，其測
試原理為：將一已知大小的電流通過該等效電阻，測量電阻
兩端的電壓則該電壓與電流的比值即為等效電阻的阻值大
小。實際中具體測試方法為：在一個閉塞區間內進行TR測
量，斷開該區間與其它區間的電氣連接，將一個恒定電流I
注入回流軌并從結構鋼筋返回，分別在該區間的兩端和中間
測量軌道和結構鋼筋之間的電壓分別為u。、u，、u，，如圖1
所示。則該區間的過渡電阻R?？杀硎緸?
nKsU2】—+U2+rU1
軌道
結構鋼筋
圖1實際直流伏安法TR測試圖
目前關于地鐵TR的測試與研究主要存在以下幾個困難
和問題：
1)由于地鐵隧道的復雜結構和多層介質特性使應用數
學建模理論分析TR變得非常困難，目前還沒有準確的理論
分析結果。
2)由于地鐵在建成以后其結構和材料很難再做改變因
此TR的測試只能反映當前情況下的數值大小，并不能反映
TR的影響因素及其對應關系。
3)由于回流軌存在縱向電阻導致軌道對地電位分布不
均勻，實際測試中電位監測點的數量有限所測結果存在較大
誤差。
4)由于在實驗室無法準確模擬地鐵隧道結構，因此很難
實現TR的模擬測試實驗。正因為上述幾個問題使得地鐵
TR的研究存在很大的困難，而利用專業仿真軟件進行精確
建模仿真成為研究地鐵TR問題的有效方法。
3 TR測試仿真模型
針對地鐵區間TR測試及研究中出現的一系列難點和問
題，在對TR測試原理研究的基礎上，利用CDEGS仿真軟件
一172一
的MALZ模塊對地鐵系統的拓撲結構進行了詳細的建模，所
建模型包括地鐵隧道鋼筋混凝土結構、回流軌及牽引供電系
統。在該模型的基礎上根據直流伏安法測試原理沿軌道選
取100個電壓監測點，每個監測點可以分別得到軌道和結構
鋼筋的對地電位(相對于無窮遠處)，其電位差就是該監測點
的軌道對結構鋼筋的電壓。取整段軌道的電壓平均值，該電
壓平均值與注入電流的比值即為該區間的TR大小。通過參
數分析法就可以研究影響地鐵TR的各種因素及其影響關
系。
3．1地鐵系統建模
利用CDEGS中的MALZ模塊建立一個隧道結構的土壤
模型，通過設置不同的電阻率來等效地鐵隧道結構；回流軌
用兩根外覆絕緣層的圓柱形導體等效；在等效隧道混凝土的
土壤層中設置一層金屬鋼筋網用于等效混凝土中的結構鋼
筋網，仿真模型示意圖如圖2(圖中給出一側的結構鋼筋
網)、圖3和圖4所示。
圖2地鐵隧道仿真模型
圖3地鐵隧道仿真橫截面示意圖
所建模型中隧道長度L=500m，離地面深度H=10m，隧
道寬和高各為5m，混凝土層電阻率為P。，等效軌道的圓柱體
半徑R。=0．025m，絕緣層厚度h：0．005m其電阻率為P，，結
構鋼筋半徑R：=0．006m且每隔20m橫向連接一次，鋼筋網
的寬度為1，其與隧道內壁之間的距離為s。測試注入電流I
=10A，電流注入及返回位置分別位于軌道和鋼筋網的始
端。
3．2 TR測試仿真
考慮到軌道泄漏電流的流經路徑主要有回流軌、軌道絕
緣層、混凝土層和結構鋼筋網，如圖5所示，因此判斷軌道絕
萬方數據
圖4金屬拓撲結構透視圖
緣層電阻率p：、混凝土層電阻率P，、結構鋼筋網到隧道內壁
的距離S以及鋼筋網的寬度l是影響TR的主要參數，在仿真
中利用參數分析法分別研究每個參數與TR的關系，仿真流
程如圖6所示。
混凝土層
n 結構鋼筋O n ＼， 、， 、／
圖5泄漏電流主要流通路徑
在區何內
變粱化的參L№—．1維持裝其他L．H—+l鞴；磊主j
教P及其區I I參敦不變l l；蕃；
問和步長I
按步長改
變參致P
得到軌道
電位、鋼
筋網電位
和過渡電
阻的仿真
數值
圖6 TR測試仿真系統組成
繪制
曲線
4仿真結果及分析
4．I不同軌道絕緣層電阻率下的TR測試仿真
確定仿真參數如表l所示，在該參數下進行仿真測試得
到軌道電位u。結構鋼筋對地電位u。、軌道一鋼筋電壓u和
過渡電阻尺，的變化曲線如圖7一。所示。從仿真結果可以看
出，尺。隨P：的增加而增加基本上呈線性關系，乩接近于0，u
一以；當P2=0時R。=1．140llt時尺。完全由混凝土層承擔，
當P2=3000000·m時R。=9．8／2，軌道絕緣層承擔了88％
的過渡電阻。
表l 軌道絕緣層電阻率變化時的參數設置
4．2 不同混凝土電阻率下的TR測試仿真
確定仿真參數如表2所示，在該參數下進行仿真測試得
到的結果如圖7一b所示。從仿真結果可以看出，R。隨P，的
增加而增加基本上呈線性關系，U。隨著P，的增加而略有減
小，U。以。當p。=0時R。=8．7力此時R。完全由軌道絕緣
層承擔，當Pl=7000／2·m時R。=16．5／2此時混凝土層承擔
了47％的過渡電阻。
表2 混凝土電阻率變化時的參數設置
4．3 不同軌道一鋼筋間距下的TR測試仿真
確定仿真參數如表3所示，在該參數下進行仿真測試得
到的結果如圖7一c所示。從仿真結果可以看出，R。隨著s的
增加的增加，在s為0．1m一0．5m的范圍內增加較快，隨著S
的進一步增加R，增加的幅度減少，R。與s不呈線性關系，u
一％。
表3軌道一鋼筋間距變化時的參數設置
4．4不同鋼筋網寬度下的TR測試仿真
確定仿真參數如表4所示，在該參數下進行仿真測試得
到的結果如圖7-d所示。從仿真結果可以看出，尺。與2不呈
線性關系，R；隨著f的增加而減小，在2為0-lm根范圍內減
小的最快，當f超過2m后尺，減小很少最后趨于不變。
表4鋼筋網寬度變化時的參數設置
5 實驗驗證及可信性分析
為了證明仿真的正確性，特地用一個實驗進行驗證，實
驗原理圖和現場圖分別如圖8和圖9所示。用一根5m+0．
05m+0．005 t的薄鋼條等效軌道；鋼條下方鋪設一層厚度為
0．05m的特殊土壤等效軌道絕緣層，該部分土壤事先通過噴
灑不同濃度和數量的NaCl溶液實現不同的電阻率；金屬網
有5根縱向鋼絲和3根橫向鋼絲組成，鋼絲直徑0．0035m，金
一173—
萬方數據
軌道絕緣電阻，0·m
(a)過渡電阻與絕緣層電阻串的關系
軌道與結構鋼筋距離／m
(c)過渡電阻與軌道一鋼筋距離的關系
圖7仿真測試結果
屬網長度5m并保持不變其寬度可以在O-3m范圍內調節；
鋼條距離金屬網的距離為叫，中間的土壤也經過NaCl溶液
處理具有不同電阻率；實驗中用一塊24V蓄電池作為電源，
用一塊精度為0．1uZ的萬用表測量電流，則所測得過渡電阻
為R=了24。
圖8實驗原理圖
晤磊習
l緣層的土壤l
l層電阻率為p1I
1．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．_J
一174一
圖9實驗現場圖
◆‘ 16曩
0 2000 4000 6000 8000 10000
混凝土電阻率m．m
(b)過渡電阻與混凝土電阻率的關系
—●一軌道對地電壓
0 5 10 1 5 20
鋼筋罔寬度，m
(d)過渡電阻與鋼筋罔寬度的關系
通過改變土壤電阻率、金屬網寬度以及間隔距離，測試
得到多組R值，其變化規律如圖10所示。
可以看出實驗得到的結果與仿真結果具有相同的變化
規律，由于實驗條件的限制不能得到與數值仿真完全相同的
結果，但其變化規律以足以證明該仿真分析的正確性。
根據地鐵實際運行經驗，新建地鐵由于軌道絕緣及混凝
土絕緣保持良好其雜散電流幾乎可以忽略，但是隨著運行時
間的增加尤其是在軌道絕緣受污穢程度及隧道積水嚴重時
雜散電流明顯增加，此外在軌道與結構鋼筋之間增加排流網
亦會增加雜散電流，這些都與本研究所的結論相符合。
6結論
1)過渡電阻主要受軌道絕緣層和混凝土層電阻率的影
響，基本上呈線性關系，增大絕緣層和混凝土層電阻率是增
大過渡電阻的主要方法。
2)由于軌道絕緣介質的電阻率很大，混凝土層電阻率相
對很小，兩者數量級相差達105以上，正常情況下70％的過渡
電阻由軌道絕緣層承擔，現實情況下混凝土層的電阻率很難
超過50000·m，因此保持軌道絕緣層絕緣性能良好是保證
過渡電阻高阻值的最有效方法。
3)增加軌道一鋼筋網距離對增加過渡電阻意義不大，一
方面地鐵的結構不允許軌道一鋼筋距離過大，另一方面增加
軌道一鋼筋網距離過渡電阻增加很小。
4)鋼筋網的寬度到達2m以上時過渡電阻隨其增加幾
乎不變，一般結構鋼筋網寬度遠大于2m，因此可以忽略鋼筋
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