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地铁区间过渡电阻测试仿真研究

文档作者：朱峰1 于凯1 叶家全2 文档来源： 1．西南交通大学电气工程学院 2．中国民航局第二研究所		点击数：	更新时间： 2024年11月24日
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第32卷第9期计算机仿真2015年9月
文章编号：1006—9348(2015)09—0171—05
地铁区间过渡电阻测试仿真研究
朱峰1，于凯1，叶家全2
(1．西南交通大学电气工程学院，四川成都610031；2．中国民航局第二研究所，四川成都610041)
摘要：地铁区间过渡电阻是影响杂散电流大小及分布的主要因素，由于回流轨对地电阻分布不均，所以对过渡电阻进行测试
分析成为优化地铁排流系统、减小杂散电流危害的关键。由于地铁拓扑结构及影响因素的复杂性，使得过渡电阻的测试及
分析非常困难。针对地铁拓扑结构及影响因素的复杂性问题，利用CDEGS仿真软件建立了精确的地铁隧道拓扑结构模型，
并利用参数分析法对地铁区间过渡电阻进行了仿真，得到了过渡电阻与不同参数之间的关系曲线。仿真结果表明：轨道绝
缘层和混凝土层电阻率是影响过渡电阻的主要因素且正常情况下过渡电阻主要由轨道绝缘层承担；结构钢筋网宽度及埋深
对过渡电阻的影响较小。最后通过实验验证了仿真所得结果规律的正确性，证明上述仿真模型可为地铁区间过渡电阻进行
可靠的仿真测试及分析提供了参考。
关键词：地铁过渡电阻；仿真分析；参数分析；杂散电流
中图分类号：TP391．9；U228．1 文献标识码：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
地铁杂散电流(Stray Current，SC)对地铁隧道结构以及
其它埋地金属管线的电化学腐蚀是地铁系统亟需解决的重
大安全问题¨。J。轨道和大地之间的过渡电阻(Transition
Resistance，TR)是影响sC的主要因素之一，理论和实践均证
明增大TR是减小地铁Sc危害的有效措施。文献[6]研究
了在具有排流网的地铁系统中当排流系统不投入时的sc分
布问题，指出TR是影响sc大小的主要参数；文献[7]建立
了一个研究地铁SC分布的数学模型，该模型验证了在排流
情况下的SC分布，也指出TR是影响Sc大小的关键因素；文
收稿日期：2014—10—18修回日期：2014—11-23
献[8]研究了沿地铁隧道TR分布不均匀情况下sC的分布
问题；文献[9卜文献[12]研究了在线测量地铁区间TR的方
法，其在线测量原理是基于sc分布公式进行逆向运算得到
的。
国内外的相关研究主要集中在地铁Sc的分布和TR在
线测量上，目前可以明确TR的改变会对杂散电流产生重大
影响，然而这些研究中TR只是作为一个独立的参数，并没有
研究哪些因素会对TR产生影响。相关标准中只提到通过增
大TR来减小sc的腐蚀危害但并没有明确指出怎样增大
TR，这是因为地铁隧道的拓扑结构和影响TR的因素十分复
杂导致TR的理论分析存在很大的困难而普通数值仿真又不
能实现准确模拟。本研究利用专业仿真软件CDEGS中的
MALZ模块对地铁隧道拓扑结构进行了精确地建模，在考虑
一17】一
万方数据
了轨道绝缘层电阻率、混凝土电阻率、轨道一钢筋网的距离、
钢筋网的宽度4个主要影响因素的情况下利用参数分析法
对TR进行测试仿真研究，得到了不同参数变化下TR的变
化规律，该仿真可对地铁区间TR进行可靠的模拟测试及分
析从而为地铁SC的防护提供有力帮助。
2 TR测试原理
地铁区间TR是一个等效电阻，用来表征轨道散流由回
流轨流人大地或结构钢筋网时所受到的阻力大小。TR不能
直接用万用表测试，最直接的测试方法为直流伏安法，其测
试原理为：将一已知大小的电流通过该等效电阻，测量电阻
两端的电压则该电压与电流的比值即为等效电阻的阻值大
小。实际中具体测试方法为：在一个闭塞区间内进行TR测
量，断开该区间与其它区间的电气连接，将一个恒定电流I
注入回流轨并从结构钢筋返回，分别在该区间的两端和中间
测量轨道和结构钢筋之间的电压分别为u。、u，、u，，如图1
所示。则该区间的过渡电阻R。可表示为
nKsU2】—+U2+rU1
轨道
结构钢筋
图1实际直流伏安法TR测试图
目前关于地铁TR的测试与研究主要存在以下几个困难
和问题：
1)由于地铁隧道的复杂结构和多层介质特性使应用数
学建模理论分析TR变得非常困难，目前还没有准确的理论
分析结果。
2)由于地铁在建成以后其结构和材料很难再做改变因
此TR的测试只能反映当前情况下的数值大小，并不能反映
TR的影响因素及其对应关系。
3)由于回流轨存在纵向电阻导致轨道对地电位分布不
均匀，实际测试中电位监测点的数量有限所测结果存在较大
误差。
4)由于在实验室无法准确模拟地铁隧道结构，因此很难
实现TR的模拟测试实验。正因为上述几个问题使得地铁
TR的研究存在很大的困难，而利用专业仿真软件进行精确
建模仿真成为研究地铁TR问题的有效方法。
3 TR测试仿真模型
针对地铁区间TR测试及研究中出现的一系列难点和问
题，在对TR测试原理研究的基础上，利用CDEGS仿真软件
一172一
的MALZ模块对地铁系统的拓扑结构进行了详细的建模，所
建模型包括地铁隧道钢筋混凝土结构、回流轨及牵引供电系
统。在该模型的基础上根据直流伏安法测试原理沿轨道选
取100个电压监测点，每个监测点可以分别得到轨道和结构
钢筋的对地电位(相对于无穷远处)，其电位差就是该监测点
的轨道对结构钢筋的电压。取整段轨道的电压平均值，该电
压平均值与注入电流的比值即为该区间的TR大小。通过参
数分析法就可以研究影响地铁TR的各种因素及其影响关
系。
3．1地铁系统建模
利用CDEGS中的MALZ模块建立一个隧道结构的土壤
模型，通过设置不同的电阻率来等效地铁隧道结构；回流轨
用两根外覆绝缘层的圆柱形导体等效；在等效隧道混凝土的
土壤层中设置一层金属钢筋网用于等效混凝土中的结构钢
筋网，仿真模型示意图如图2(图中给出一侧的结构钢筋
网)、图3和图4所示。
图2地铁隧道仿真模型
图3地铁隧道仿真横截面示意图
所建模型中隧道长度L=500m，离地面深度H=10m，隧
道宽和高各为5m，混凝土层电阻率为P。，等效轨道的圆柱体
半径R。=0．025m，绝缘层厚度h：0．005m其电阻率为P，，结
构钢筋半径R：=0．006m且每隔20m横向连接一次，钢筋网
的宽度为1，其与隧道内壁之间的距离为s。测试注入电流I
=10A，电流注入及返回位置分别位于轨道和钢筋网的始
端。
3．2 TR测试仿真
考虑到轨道泄漏电流的流经路径主要有回流轨、轨道绝
缘层、混凝土层和结构钢筋网，如图5所示，因此判断轨道绝
万方数据
图4金属拓扑结构透视图
缘层电阻率p：、混凝土层电阻率P，、结构钢筋网到隧道内壁
的距离S以及钢筋网的宽度l是影响TR的主要参数，在仿真
中利用参数分析法分别研究每个参数与TR的关系，仿真流
程如图6所示。
混凝土层
n 结构钢筋O n ＼， 、， 、／
图5泄漏电流主要流通路径
在区何内
变粱化的参L№—．1维持装其他L．H—+l鞴；磊主j
教P及其区I I参敦不变l l；蕃；
问和步长I
按步长改
变参致P
得到轨道
电位、钢
筋网电位
和过渡电
阻的仿真
数值
图6 TR测试仿真系统组成
绘制
曲线
4仿真结果及分析
4．I不同轨道绝缘层电阻率下的TR测试仿真
确定仿真参数如表l所示，在该参数下进行仿真测试得
到轨道电位u。结构钢筋对地电位u。、轨道一钢筋电压u和
过渡电阻尺，的变化曲线如图7一。所示。从仿真结果可以看
出，尺。随P：的增加而增加基本上呈线性关系，乩接近于0，u
一以；当P2=0时R。=1．140llt时尺。完全由混凝土层承担，
当P2=3000000·m时R。=9．8／2，轨道绝缘层承担了88％
的过渡电阻。
表l 轨道绝缘层电阻率变化时的参数设置
4．2 不同混凝土电阻率下的TR测试仿真
确定仿真参数如表2所示，在该参数下进行仿真测试得
到的结果如图7一b所示。从仿真结果可以看出，R。随P，的
增加而增加基本上呈线性关系，U。随着P，的增加而略有减
小，U。以。当p。=0时R。=8．7力此时R。完全由轨道绝缘
层承担，当Pl=7000／2·m时R。=16．5／2此时混凝土层承担
了47％的过渡电阻。
表2 混凝土电阻率变化时的参数设置
4．3 不同轨道一钢筋间距下的TR测试仿真
确定仿真参数如表3所示，在该参数下进行仿真测试得
到的结果如图7一c所示。从仿真结果可以看出，R。随着s的
增加的增加，在s为0．1m一0．5m的范围内增加较快，随着S
的进一步增加R，增加的幅度减少，R。与s不呈线性关系，u
一％。
表3轨道一钢筋间距变化时的参数设置
4．4不同钢筋网宽度下的TR测试仿真
确定仿真参数如表4所示，在该参数下进行仿真测试得
到的结果如图7-d所示。从仿真结果可以看出，尺。与2不呈
线性关系，R；随着f的增加而减小，在2为0-lm根范围内减
小的最快，当f超过2m后尺，减小很少最后趋于不变。
表4钢筋网宽度变化时的参数设置
5 实验验证及可信性分析
为了证明仿真的正确性，特地用一个实验进行验证，实
验原理图和现场图分别如图8和图9所示。用一根5m+0．
05m+0．005 t的薄钢条等效轨道；钢条下方铺设一层厚度为
0．05m的特殊土壤等效轨道绝缘层，该部分土壤事先通过喷
洒不同浓度和数量的NaCl溶液实现不同的电阻率；金属网
有5根纵向钢丝和3根横向钢丝组成，钢丝直径0．0035m，金
一173—
万方数据
轨道绝缘电阻，0·m
(a)过渡电阻与绝缘层电阻串的关系
轨道与结构钢筋距离／m
(c)过渡电阻与轨道一钢筋距离的关系
图7仿真测试结果
属网长度5m并保持不变其宽度可以在O-3m范围内调节；
钢条距离金属网的距离为叫，中间的土壤也经过NaCl溶液
处理具有不同电阻率；实验中用一块24V蓄电池作为电源，
用一块精度为0．1uZ的万用表测量电流，则所测得过渡电阻
为R=了24。
图8实验原理图
晤磊习
l缘层的土壤l
l层电阻率为p1I
1．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．_J
一174一
图9实验现场图
◆‘ 16曩
0 2000 4000 6000 8000 10000
混凝土电阻率m．m
(b)过渡电阻与混凝土电阻率的关系
—●一轨道对地电压
0 5 10 1 5 20
钢筋罔宽度，m
(d)过渡电阻与钢筋罔宽度的关系
通过改变土壤电阻率、金属网宽度以及间隔距离，测试
得到多组R值，其变化规律如图10所示。
可以看出实验得到的结果与仿真结果具有相同的变化
规律，由于实验条件的限制不能得到与数值仿真完全相同的
结果，但其变化规律以足以证明该仿真分析的正确性。
根据地铁实际运行经验，新建地铁由于轨道绝缘及混凝
土绝缘保持良好其杂散电流几乎可以忽略，但是随着运行时
间的增加尤其是在轨道绝缘受污秽程度及隧道积水严重时
杂散电流明显增加，此外在轨道与结构钢筋之间增加排流网
亦会增加杂散电流，这些都与本研究所的结论相符合。
6结论
1)过渡电阻主要受轨道绝缘层和混凝土层电阻率的影
响，基本上呈线性关系，增大绝缘层和混凝土层电阻率是增
大过渡电阻的主要方法。
2)由于轨道绝缘介质的电阻率很大，混凝土层电阻率相
对很小，两者数量级相差达105以上，正常情况下70％的过渡
电阻由轨道绝缘层承担，现实情况下混凝土层的电阻率很难
超过50000·m，因此保持轨道绝缘层绝缘性能良好是保证
过渡电阻高阻值的最有效方法。
3)增加轨道一钢筋网距离对增加过渡电阻意义不大，一
方面地铁的结构不允许轨道一钢筋距离过大，另一方面增加
轨道一钢筋网距离过渡电阻增加很小。
4)钢筋网的宽度到达2m以上时过渡电阻随其增加几
乎不变，一般结构钢筋网宽度远大于2m，因此可以忽略钢筋
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