杂散电流的分析和研究.docx
- 文档编号:7042671
- 上传时间:2023-01-16
- 格式:DOCX
- 页数:11
- 大小:957.46KB
杂散电流的分析和研究.docx
《杂散电流的分析和研究.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《杂散电流的分析和研究.docx(11页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
杂散电流的分析和研究
杂散电流的分析和研究
材料学09汪家斌09080225
广义的说,不按照规定回路流回电流源的电流都可称为杂散电流。
电气化铁路、交、直流高压输电系统等都能产生杂散电流。
它对金属的损耗属于电化学腐蚀范畴。
金属失去电子被氧化,介质中的其它离子得到电子被还原。
杂散电流分为直流型和交流型。
直流杂散电流造成的管地电压高达8~9V,是普通自然腐蚀的(几百毫伏)的几百倍。
如果1A的电流从钢管表面流向土壤溶液,那么一年就会溶解钢铁9kg。
即壁厚为7~8mm的钢管,4~5个月就可发生腐蚀穿孔。
交流电引起的腐蚀大约为直流电的1%或更小。
但当交、直流杂散电流叠加作用时,交流部分可引起电极表面的去极化作用,加速绝缘层的老化和使防腐层的剥离,形成穿孔。
有时还会使阴极保护无法在控制电位的范围内正常进行,使牺牲阳极发生极性逆转,保护失效。
城市中杂散电流的现象复杂多变,特点表现在:
(1)电流强度大;
(2)杂散电流源不易消除;(3)形式多样从单一的直流,交流到直交混杂;(4)电力设备使用量年年加大,给排流增大了难度。
杂散电流不光对管道造成影响,而且对地铁(轻轨),建筑物,钢架桥,矿山等同样造成大量的破坏。
使得道床加速老化,混凝土中的钢筋出现腐蚀,大桥主体钢架结构出现穿孔,矿山设备加速损坏。
杂散电流排流系统属于基础应用型研究,2008年香港举行的IET-ICRE2008年会上[13],伊朗科技大学教授M.Niasati和A.Gholami作了关于直流轨道交通下杂散电流的控制的发展历程和展望[14](O-verviewofstraycurrentcontrolinDCrailwaysys-tems)。
2007年在法国城市里摩日(Limoges)举办的第一届《环境中的杂散电流》(straycurrentinouren-vironment)的专题讨论会,从学术和工业两方面讨论当前遇到的问题并至力于解决杂散电流带来的危害。
在总结前人排流以难验的基础之上,结合保护环境的新要求,提出新的理念和方法,尝试使用新的手段来提高排流的效果。
从杂散电流机理,排流方法和排流设备等方面进行了综合论述。
1 杂散电流产生的主要因素和防护方法
在地铁工程实施中,虽然全线钢轨采取对地绝缘,在任何地点不直接接地或通过其它装置接地,但钢轨对地泄漏电阻率仍不可能无限大,一般在5~100Ω·km范围。
当列车在两牵引所间运行时,
图1钢轨的电位分布示意图
钢轨电位如图1所示,列车位置处为阳极区,钢轨电位为正;牵引所附近为阴极区,钢轨电位为负。
钢轨电位产生的原因是牵引回流电流在钢轨上产生了纵向电压。
研究表明,钢轨电位的大小,与钢轨泄漏电阻率的关系不大。
当钢轨对地泄漏电阻率在5~100Ω·km变化时,钢轨对地电位基本不变,这是由于钢轨对地泄漏电阻远大于从牵引所至列车位置的钢轨
纵向电阻。
杂散电流强度的大小,就是图1中阴影区段从钢轨泄漏至地下的电流密度的积分。
全线杂散电流的总量基本上只与全线钢轨正电2 防止杂散电流对钢筋腐蚀的原理
1.1 利用腐蚀钝化状态
杂散电流对金属构件(结构钢筋和金属管线)的腐蚀为电化学腐蚀。
当杂散电流进入金属构件时,对其不产生腐蚀;而当杂散电流从金属构件流出至非金属介质时,对其产生腐蚀。
对于结构钢筋,其腐蚀的原理是钢筋与其周围的水泥硅酸盐发生电化学反应,钢筋释放铁离子与周围电解质反应生成其它化合物。
若电流密度小于0.6mA/dm2,则电化学反应发生后会在钢筋表面形成一层白色的化合物。
该化合物的电阻率较大。
随着时间的延续,当该化合物厚度达到一定程度时,就会成为包裹钢筋的一层外绝缘层,从而阻止钢筋与外部水泥硅酸盐电解质的继续接触,阻止了杂散电流对钢筋的继续腐蚀。
该状态称为腐蚀钝化状态。
通过合理的措施使钢筋处于腐蚀钝化状态,这是杂散电流防护设计的重要内容。
因此,为杂散电流提供至牵引变电所负极的畅通金属通路,尽量减少杂散电流流出金属构件的电流密度,阻止杂散电流对其腐蚀,是杂散电流防护的重要措施。
1.2控制杂散电流流通途径
图2杂散电流流通途径的示意图
如图2所示,杂散电流首先从钢轨泄漏至道床,再泄漏至隧道结构和其它结构。
因此,应从道床结构着手来限制杂散电流向其它结构泄漏。
如果将道床钢筋纵向焊接形成一层纵向电气通路,并赋于道床钢筋一定的截面,使道床钢筋流出的电流密度控制在钝化状态内(0.6mA/dm2)时,则尽管有一定数量杂散电流流出钢筋,却不会使道床结构钢筋受到腐蚀。
利用道床钢筋可达到两个目的:
一是减少了杂散电流继续向下扩散至隧道钢筋和大地;二是由于道床钢筋本身有一定的截面,从而使杂散电流密度较小而使自身处于腐蚀的钝化状态。
同理,通过对隧道结构钢筋进行焊接以形成纵向电气连续通路后,对于从道床钢筋中漏泄的杂散电流起到二次收集作用。
由于隧道结构钢筋截面更大,从而使得其腐蚀钝化状态更易达到。
显而易见,由于道床钢筋更靠近钢轨,是杂散电流的第一层收集网,而截面积相对隧道收集网要小,若能控制道床钢筋处于腐蚀钝化状态,则下层收集网的隧道钢筋肯定也处于腐蚀钝化状态。
即只要道床收集网达到了腐蚀防护要求,下层其它结构设施肯定也没有被杂散电流腐蚀的危险。
所以,利用腐蚀钝化原理防腐蚀的重点在于道床收集网,隧道收集网是作为后备收集网而起作用。
随着地铁的长年运营,在钢轨对地泄漏电阻逐渐减少后,即使道床钢筋受腐蚀了,隧道钢筋也可不受腐蚀。
对地铁杂散电流的防护是分层次的。
对地铁结构设施防护重要性的顺序是隧道钢筋、道床钢筋、钢轨。
钢轨是可更换设备,道床钢筋从结构上讲也是可以重修的,而隧道钢筋则无论如何应避免结构性修复施工。
所以,为重点保护隧道钢筋,在有条件时将其焊接成网是必要的。
1.3 排流法
只有当杂散电流从钢筋流出时才会对钢筋产生腐蚀,而杂散电流流出的区域集中在阴极区(在牵引所附近)。
若在牵引所将结构钢筋或其它可能受到杂散电流腐蚀的金属结构与钢轨或牵引所负母排相连,则由于杂散电流总是走电阻最小的通路而直接流至牵引所,从而在阳极区范围内大大减小了杂散电流从钢筋再扩散至混凝土的可能,减少了杂散电流流出钢筋导致的电化学反应。
该方法称为排流法(见图3)。
地铁早期将金属结构与钢轨直接在牵引所附近相连,称为直接排流法,后来发展到加二极管的单向导通排流、加直流电源的强制排流法等。
图3 排流法防护示意图
但排流法有其缺点:
由于采用排流法时,电流从钢筋沿排流电缆(经二极管)流至负母排时,原来负母排的负电位变为接近零电位,从而因钢轨纵向电压的钳制作用使得两牵引所间钢轨的最高对地电位增加了一倍,两牵引所间几乎全部成为阳极区;简单地看,杂散电流总量增加到近三倍(根据某轨道交通杂散电流模拟结果,在远期运营列车对数较高时,设
排流柜较不设排流柜的杂散电流约增加一倍)。
由于杂散电流的总量增加太多,除牵引所附近钢筋腐蚀减少外,在区间的钢轨腐蚀量将上升。
所以说排流法是一把双刃剑,既有其有利的一面,也有其不利的一面。
故在地铁系统开通初期,将排流柜投入运行是弊大于利,是没有必要的。
只有在将来随着地铁运营年份的增加,钢轨泄漏电阻减小至严重影响道床收集网防腐能力时,才考虑将排流柜投入运行。
2 地铁杂散电流分布模型
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,因此列车在轨道上运行时负荷会发生变化。
由于每个区段的地质条件不同,轨地过渡电阻随列车的走行而不断发生变化;即使是同一个区段,轨地过渡电阻也因地质条件的不同而发生变化;且走行轨和埋地金属物的电阻因制作工艺和受污染程度等因素影响,并非随其走向是均匀分布的。
所以,严格意义上的地铁杂散电流分布很难确定。
鉴于此,本研究只针对由轨道-埋地金属-大地电阻所组成的地铁系统杂散电流分布情况。
为便于分析且把握重点,采用了以下几点假设[3]:
①杂散电流分布模型按单个变电所供电情况考虑;②走行轨纵向电阻是均匀分布的;③轨地过渡电
阻(轨道对地的过渡电阻)和土壤电阻是均匀分布的;④埋地金属体纵向电阻是均匀分布的;⑤馈电线路(区段供电线路)的电阻r忽略不计。
轨道-埋地金属-大地的电阻及线路模型如图4所示。
图4轨道-埋地金属-大地的电阻分布及线路示意
图4中,0点为坐标原点,建立x,y坐标系。
设Rg为轨道对埋地金属体的过渡电阻,单位为Ω·km;Rg1为埋地金属体对地的过渡电阻,单位为Ω·km;Rs为走行轨的电阻,单位为Ω/km;Rr为埋地金属体的电阻,单位为Ω/km;r为馈电线路的电阻,此处忽略不计。
图4中(A)、(B)部分的细部结构如图5所示,
图5轨道-埋地金属-大地的电压电流分布细部示意
其中u(x)为走行轨在x处的电压,单位为V;i(x)为走行轨在x处的电流,单位为A;is(x)为轨道泄露的杂散电流,单位为A;ir(x)为由走行轨泄露的在埋地金属体中流动的杂散电流,单位为A;x为变电所距计算点的距离,单位为km;L为列车距变电所的距离,单位为km;I为变电所向列车的供电电流,单位A。
如图5(a)所示,根据基尔霍夫第一定律(电压定律∑u=0)可得:
由上式化简得:
并且由于地下埋设了金属体,杂散电流主要存
在金属体中,即:
把式(3)代入式
(2)中可得:
由图5(B)可得:
把式(4)两边分别对x求导得:
且把式(5)变换形式代入式(6)中可得:
显然式(7)是二阶常系数齐次微分方程。
对该式求
解可得:
其中
c1、c2为待定系数。
为便于求导和转化,将上式转化为双曲函数,则表示为:
转化后仍然设待定系数为c1、c2。
把上述式(8)代入式(4)中,并对其求导可得走行轨上任意点x处的
电流为:
且由图5(B)所示的轨道-埋地金属体之间的过渡电流(参与电化学腐蚀的电流)为:
正常情况下初始条件为:
x=0时,i(x)=I;x=L时,i(x)=I;将初始条件代入式(9)中:
可得:
同理并注意到双曲函数转换公式:
把条件
(2)代入到式(9)中,可得:
因此将系数c1、c2回代入式(8)、(9)、(10)中可得:
走行轨在x处的电压为
走行轨在x处的电流为
泄漏到地下的杂散电流为
轨道-埋地金属体之间的过渡电流(电化学腐蚀电流)为
3 地铁杂散电流分布的数值分析
分析采用Matlab软件。
利用M语言直接编写函数程序,对轨道-埋地金属-大地电阻结构的杂散电流分布情况进行计算。
计算内容按参数变量分别为:
供电电流I、轨地过渡电阻Rg、轨道纵向电阻Rs、埋地金属纵向电阻Rr。
每个部分对走行轨电压、走行轨电流、杂散电流、腐蚀电流分别绘制分布图。
①供电电流I对走行轨电压、走行轨电流、泄漏的杂散电流和腐蚀电流的影响。
设已知条件为:
Rg=15Ω·km,Rs=0.025Ω/km,Rr=0.01Ω/km,L=1.5km;供电电流I分别取为1000A,2000A,3000A,4000A。
则走行轨电压u(x)、走行轨电流i(x)、泄漏杂散电流is(x),腐蚀电流ie(x)随x的变化曲线如图6、图7所示。
图6 供电电流对走行轨电流影响分布图
图7 供电电流对走行轨电压、腐蚀电流、杂散电流影响分布图
②轨地过渡电阻Rg对走行轨电压、走行轨电流、泄漏的杂散电流和腐蚀电流的影响。
设已知条件为:
Rs=0.025Ω/km,Rr=0.01Ω/km,I=1000A,L=1.5km,x=0.90km,Rg取值变化幅度在0~15Ω·km。
则走行轨电压u(x)、走行轨电流i(x)、泄漏杂散电流is(x),腐蚀电流ie(x)随Rg的变化曲线如图8、图9所示。
图8 轨地过渡电阻对走行轨电压、走行轨电流影响分布图
③轨道纵向电阻Rs对走行轨电压,走行轨电流,泄漏的杂散电流和腐蚀电流的影响。
图9 轨地过渡电阻对杂散电流、腐蚀电流影响分布图
设已知条件为:
Rg=15Ω·km,Rr=0.01Ω/km,I=1000A,L=1.5km,x=0.90km,Rs取值变化幅度在0.01~0.03Ω/km。
则走行轨电压u(x)、走行轨电流i(x)、泄漏杂散电流is(x),腐蚀电流ie(x)随Rs的变化曲线如图10所示。
图10 轨道纵向电阻对走行轨电压电流、杂散电流、腐蚀电流影响分布图
④埋地金属纵向电阻Rr对走行轨电压、走行轨电流、泄漏的杂散电流和腐蚀电流的影响。
设已知条件为:
Rg=15Ω·km,Rs=0.025Ω/km,I=1000A,L=1.5km,x=0.90km,Rr取值变化幅度在0.005~0.03Ω/km。
则走行轨电压u(x)、走行轨电流i(x)、泄漏杂散电流is(x),腐蚀电流ie(x)随Rr的变化曲线如图11所示。
图11埋地金属纵向电阻对走行轨电压电流、杂散电流、腐蚀电流影响分布图
分析四组分布图可知:
图8、图9分别表示走行轨电压、杂散电流、腐蚀电流和走行轨电流随供电电流不同时的变化曲线。
结果表明:
走行轨电压随供电电流的增加而增大,变化幅度较大;杂散电流随供电电流的增加而增大,变化幅度较小;走行轨电流随供电电流的增加而增大,变化幅度较大。
腐蚀电流变化类似走行轨电压,其电流变化幅度相对较小。
图10、图11分别表示走行轨电压、电流,杂散电流和腐蚀电流随轨地过渡电阻不同而变化的曲线。
结果表明,在轨地过渡电阻小于5Ω·km时,走行轨电压、走行轨电流、杂散电流和腐蚀电流的变化幅度很大,过渡电阻稍加降低,则杂散电流和腐蚀电流成几十倍增加,而走行轨电压和电流成大幅度相反趋势变化。
图10表示走行轨电压、电流,杂散电流和腐蚀电流随轨道纵向电阻不同而变化的曲线。
结果表明:
走行轨电压随纵向电阻的增加而增大,且幅度较大;走行轨电流随纵向电阻的增加而减小,但变化幅度不大;杂散电流随纵向电阻的增加而增大,变化幅度不大;腐蚀电流则随纵向电阻的增加成同趋势变化,变化幅度也不大。
图11表示走行轨电压、电流,杂散电流和腐蚀电流随埋地金属纵向电阻不同而变化的曲线。
结果表明:
随埋地金属体纵向电阻的增加,走行轨电压、杂散电流以及腐蚀电流都呈微弱的下降趋势;而走行轨电流则呈微弱的上升趋势,变化幅度非常小。
4 展 望
目前研究以直流为主,交流为辅,对于直交混杂的情况,国内外的研究者正在积极地做各种定性、定量的实验,相信在不久的将来,我们一定可以在直交混杂理论和杂散电流的防护方法上出现新突破。
现行排流设备对直交混杂排流实质上仍然是分别进行。
第二,对于杂散电流在大地中的衰减方式,衰减测量以及与腐蚀关系仍然了解不深,相信在神经网络和的模糊数学的帮助下一定能有所进步。
第三,由于土壤、混凝土等的性质都不相同,我们对未来杂散电流排流的的研究和设计都将在兼容性,扩展性,易操作性上进行新的探索。
5 结 语
经过跨世纪的发展,杂散电流的研究已经成为化学和电学的一个重要交叉学科。
我们欣喜的看到对杂散电流的监测与防护已经从实验室走向社会,并发挥了重要的作用。
虽然目前在理论研究领域仍有很多问题等待我们去探索。
但新的应用已越来越广,而且越来越多的科学家,工程师,技术人员,高科技公司已经加入到这个行列当中来为此而坚定不移的努力着。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 电流 分析 研究