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地鐵區(qū)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(xué)電氣工程學(xué)院 2．中國民航局第二研究所		點擊數(shù)：	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(qū)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(xué)電氣工程學(xué)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(qū)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(yōu)化地鐵排流系統(tǒng)、減小雜散電流危害的關(guān)鍵。由于地鐵拓撲結(jié)構(gòu)及影響因素的復(fù)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(jié)構(gòu)及影響因素的復(fù)雜性問題，利用CDEGS仿真軟件建立了精確的地鐵隧道拓撲結(jié)構(gòu)模型，
并利用參數(shù)分析法對地鐵區(qū)間過渡電阻進行了仿真，得到了過渡電阻與不同參數(shù)之間的關(guān)系曲線。仿真結(jié)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(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)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(jié)果規(guī)律的正確性，證明上述仿真模型可為地鐵區(qū)間過渡電阻進行
可靠的仿真測試及分析提供了參考。
關(guān)鍵詞：地鐵過渡電阻；仿真分析；參數(shù)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(jié)構(gòu)以及
其它埋地金屬管線的電化學(xué)腐蝕是地鐵系統(tǒng)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(wǎng)的地鐵系統(tǒng)中當排流系統(tǒng)不投入時的sc分
布問題，指出TR是影響sc大小的主要參數(shù)；文獻[7]建立
了一個研究地鐵SC分布的數(shù)學(xué)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(guān)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(qū)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(nèi)外的相關(guān)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(chǎn)生重大
影響，然而這些研究中TR只是作為一個獨立的參數(shù)，并沒有
研究哪些因素會對TR產(chǎn)生影響。相關(guān)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(jié)構(gòu)和影響TR的因素十分復(fù)
雜導(dǎo)致TR的理論分析存在很大的困難而普通數(shù)值仿真又不
能實現(xiàn)準確模擬。本研究利用專業(yè)仿真軟件CDEGS中的
MALZ模塊對地鐵隧道拓撲結(jié)構(gòu)進行了精確地建模，在考慮
一17】一
萬方數(shù)據(jù)
了軌道絕緣層電阻率、混凝土電阻率、軌道一鋼筋網(wǎng)的距離、
鋼筋網(wǎng)的寬度4個主要影響因素的情況下利用參數(shù)分析法
對TR進行測試仿真研究，得到了不同參數(shù)變化下TR的變
化規(guī)律，該仿真可對地鐵區(qū)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(qū)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(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)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(qū)間內(nèi)進行TR測
量，斷開該區(qū)間與其它區(qū)間的電氣連接，將一個恒定電流I
注入回流軌并從結(jié)構(gòu)鋼筋返回，分別在該區(qū)間的兩端和中間
測量軌道和結(jié)構(gòu)鋼筋之間的電壓分別為u。、u，、u，，如圖1
所示。則該區(qū)間的過渡電阻R?？杀硎緸?
nKsU2】—+U2+rU1
軌道
結(jié)構(gòu)鋼筋
圖1實際直流伏安法TR測試圖
目前關(guān)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(fù)雜結(jié)構(gòu)和多層介質(zhì)特性使應(yīng)用數(shù)
學(xué)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(jié)果。
2)由于地鐵在建成以后其結(jié)構(gòu)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(shù)值大小，并不能反映
TR的影響因素及其對應(yīng)關(guān)系。
3)由于回流軌存在縱向電阻導(dǎo)致軌道對地電位分布不
均勻，實際測試中電位監(jiān)測點的數(shù)量有限所測結(jié)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(jié)構(gòu)，因此很難
實現(xiàn)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(yè)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(qū)間TR測試及研究中出現(xiàn)的一系列難點和問
題，在對TR測試原理研究的基礎(chǔ)上，利用CDEGS仿真軟件
一172一
的MALZ模塊對地鐵系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)進行了詳細的建模，所
建模型包括地鐵隧道鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、回流軌及牽引供電系
統(tǒng)。在該模型的基礎(chǔ)上根據(jù)直流伏安法測試原理沿軌道選
取100個電壓監(jiān)測點，每個監(jiān)測點可以分別得到軌道和結(jié)構(gòu)
鋼筋的對地電位(相對于無窮遠處)，其電位差就是該監(jiān)測點
的軌道對結(jié)構(gòu)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(qū)間的TR大小。通過參
數(shù)分析法就可以研究影響地鐵TR的各種因素及其影響關(guān)
系。
3．1地鐵系統(tǒng)建模
利用CDEGS中的MALZ模塊建立一個隧道結(jié)構(gòu)的土壤
模型，通過設(shè)置不同的電阻率來等效地鐵隧道結(jié)構(gòu)；回流軌
用兩根外覆絕緣層的圓柱形導(dǎo)體等效；在等效隧道混凝土的
土壤層中設(shè)置一層金屬鋼筋網(wǎng)用于等效混凝土中的結(jié)構(gòu)鋼
筋網(wǎng)，仿真模型示意圖如圖2(圖中給出一側(cè)的結(jié)構(gòu)鋼筋
網(wǎng))、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(jié)
構(gòu)鋼筋半徑R：=0．006m且每隔20m橫向連接一次，鋼筋網(wǎng)
的寬度為1，其與隧道內(nèi)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(wǎng)的始
端。
3．2 TR測試仿真
考慮到軌道泄漏電流的流經(jīng)路徑主要有回流軌、軌道絕
緣層、混凝土層和結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)，如圖5所示，因此判斷軌道絕
萬方數(shù)據(jù)
圖4金屬拓撲結(jié)構(gòu)透視圖
緣層電阻率p：、混凝土層電阻率P，、結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)到隧道內(nèi)壁
的距離S以及鋼筋網(wǎng)的寬度l是影響TR的主要參數(shù)，在仿真
中利用參數(shù)分析法分別研究每個參數(shù)與TR的關(guān)系，仿真流
程如圖6所示。
混凝土層
n 結(jié)構(gòu)鋼筋O n ＼， 、， 、／
圖5泄漏電流主要流通路徑
在區(qū)何內(nèi)
變粱化的參L№—．1維持裝其他L．H—+l鞴；磊主j
教P及其區(qū)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(wǎng)電位
和過渡電
阻的仿真
數(shù)值
圖6 TR測試仿真系統(tǒng)組成
繪制
曲線
4仿真結(jié)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(shù)如表l所示，在該參數(shù)下進行仿真測試得
到軌道電位u。結(jié)構(gòu)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(jié)果可以看
出，尺。隨P：的增加而增加基本上呈線性關(guān)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(shù)設(shè)置
4．2 不同混凝土電阻率下的TR測試仿真
確定仿真參數(shù)如表2所示，在該參數(shù)下進行仿真測試得
到的結(jié)果如圖7一b所示。從仿真結(jié)果可以看出，R。隨P，的
增加而增加基本上呈線性關(guān)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(shù)設(shè)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(shù)如表3所示，在該參數(shù)下進行仿真測試得
到的結(jié)果如圖7一c所示。從仿真結(jié)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(nèi)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(guān)系，u
一％。
表3軌道一鋼筋間距變化時的參數(shù)設(shè)置
4．4不同鋼筋網(wǎng)寬度下的TR測試仿真
確定仿真參數(shù)如表4所示，在該參數(shù)下進行仿真測試得
到的結(jié)果如圖7-d所示。從仿真結(jié)果可以看出，尺。與2不呈
線性關(guān)系，R；隨著f的增加而減小，在2為0-lm根范圍內(nèi)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(wǎng)寬度變化時的參數(shù)設(shè)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(xiàn)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(shè)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(shù)量的NaCl溶液實現(xiàn)不同的電阻率；金屬網(wǎng)
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(shù)據(jù)
軌道絕緣電阻，0·m
(a)過渡電阻與絕緣層電阻串的關(guān)系
軌道與結(jié)構(gòu)鋼筋距離／m
(c)過渡電阻與軌道一鋼筋距離的關(guān)系
圖7仿真測試結(jié)果
屬網(wǎng)長度5m并保持不變其寬度可以在O-3m范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；
鋼條距離金屬網(wǎng)的距離為叫，中間的土壤也經(jīng)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(xí)
l緣層的土壤l
l層電阻率為p1I
1．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．_J
一174一
圖9實驗現(xiàn)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(guān)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(guān)系
通過改變土壤電阻率、金屬網(wǎng)寬度以及間隔距離，測試
得到多組R值，其變化規(guī)律如圖10所示。
可以看出實驗得到的結(jié)果與仿真結(jié)果具有相同的變化
規(guī)律，由于實驗條件的限制不能得到與數(shù)值仿真完全相同的
結(jié)果，但其變化規(guī)律以足以證明該仿真分析的正確性。
根據(jù)地鐵實際運行經(jīng)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(jié)構(gòu)鋼筋之間增加排流網(wǎng)
亦會增加雜散電流，這些都與本研究所的結(jié)論相符合。
6結(jié)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(guān)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(zhì)的電阻率很大，混凝土層電阻率相
對很小，兩者數(shù)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(xiàn)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(wǎng)距離對增加過渡電阻意義不大，一
方面地鐵的結(jié)構(gòu)不允許軌道一鋼筋距離過大，另一方面增加
軌道一鋼筋網(wǎng)距離過渡電阻增加很小。
4)鋼筋網(wǎng)的寬度到達2m以上時過渡電阻隨其增加幾
乎不變，一般結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)寬度遠大于2m，因此可以忽略鋼筋
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