基于离散模型的地铁回流系统分析

摘 要 随着地铁的长期运行，杂散电流对钢轨和钢轨附近的管线造成严重腐蚀，同时钢轨电位异常增高造成人身触电的问题日益凸显出来。文章建立了地铁回流系统的离散模型，并在MATLAB中对其进行了仿真，得到了地铁直流杂散电流以及轨电位的分布规律及其影响因素，以便于提出减少杂散电流与轨电位危害的更为合理的方法。

关键词 地铁；离散模型；杂散电流；钢轨电位

中图分类号：U231 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）19-0064-03

在城市轨道交通系统中，机车运行钢轨通常作为电流的回流回路。由于钢轨与大地不能完全绝缘，而且钢轨之间的连接处焊接不完善，导致一些电流泄漏到大地中，形成杂散电流，而且钢轨自身存在阻抗，所以在一个供电区间有机车通过时，会在该区间的回流轨上产生一个对地的电位差。目前由杂散电流与钢轨电位异常升高引起的问题严重影响地铁运行，腐蚀周围的金属管线，更严重的可能会危及工作人员与乘客的人身生命安全。因此，研究地铁杂散电流与钢轨电位的分布规律以及影响因素，对地铁的安全运行与周边设施的保护有着重要意义。

1 回流系统的离散模型

目前城市轨道交通牵引方式采用直流电力牵引，整条线路由多个变电所为机车供电，并且机车的负荷也是不断变化的，又由于沿线的环境不同，钢轨对地的过渡电阻也是不同的。因为许多因素的不确定，杂散电流与轨电位的分布规律公式很难推导。为了方便研究，我们采用理想条件来建立回流系统离散模型，推导出杂散电流与轨电位的分布规律，然后再分析各个参数变化对其分布的影响，最终为城市轨道交通的安全运行与防护提供理论依据。

利用离散模型对城市地铁回流系统进行分析的基本思路是从问题的物理离散模型出发，将整个系统划分为有限个回路单元在节点上相连的结合体。然后对回路单元进行分析，根据回路列出回路电流方程，并推导出单元阻抗矩阵。由此图1给出了钢轨对排流网的电阻分布网络，其中，为钢轨的纵向电阻，为钢轨对排流网的过渡电阻，为大地纵向电阻，为离散的单元个数，显然越大离散模型越接近实际连续系统。

从图4中可以看出供电区间越长，钢轨电位越大，杂散电流越大，但是如果减小供电区间长度，牵引变电所的个数就会增加，这样就会大大增加地铁的建设成本。所以在建设初期进行变电所规划时就要考虑供电区间是否合理。

3 结论

通过建立地铁回流系统的离散模型，进行杂散电流与轨电位规律的公式推导，通过MATLAB进行仿真，得出杂散电流与轨电位的分布规律。通过控制变量法，得到影响杂散电流的因素：钢轨纵向电阻越大，钢轨电位与杂散电流越大；轨地过渡电阻越大，轨电位变化不明显，杂散电流越小；供电区间越长，杂散电流与轨电位越大。所以在地铁规划时，设计合理的供电区间，选择纵向电阻小的钢轨，在地铁运行后定期检查绝缘垫，并及时清理或更换损坏的绝缘垫，从而保证地铁的安全运行。

参考文献

[1]王志宏.杂散电流及防治[M].北京：煤炭工业出版社，1986：3-4.

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[3]李威.地铁杂散电流的监测与防治[J].城市轨道交通研究，2003.

[4]李国欣，王崇林.矿井直流杂散电流分布规律的仿真研究[J].工矿自动化，2006.

作者简介

姚样平，苏州市城市轨道交通集团有限公司，工程师。

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