地铁杂散电流场三维有限元仿真与防护研究

摘要

地铁采用直流牵引供电的方式，钢轨作为回流轨，电流由钢轨流回至牵引变电所，然而钢轨和大地之间做不到完全绝缘，部分电流会由钢轨泄漏到大地形成杂散电流。杂散电流会使埋地金属结构发生电化学腐蚀，严重影响城市轨道交通的正常运行，甚至威胁到人身安全。因此构建合理的地铁杂散电流场模型，找到影响杂散电流的因素和影响范围并据此研讨地铁杂散电流的防护措施是具有重大意义的。
　　目前地铁杂散电流分布的模型主要是电路元件模型，其虽然能够求解钢轨上各节点的电位情况和排流网上各节点的电位情况，但是不能进一步求解地铁隧道周围和地下各个位置的电位值也不能对排流网本身腐蚀风险进行评估，特别对于地铁隧道的复杂结构和周围复杂的地质情况。因此，利用ANSYS有限元软件建立三维地铁杂散电流场模型并进行仿真计算。通过建立不同类型隧道、不同土壤分层、不同加载电流和是否有排流网的情况，计算得出地铁隧道周围和地下各个位置的电位，从而可以清楚的知道处于该电场的埋地金属是否遭受腐蚀的风险以及排流网本身是否受到腐蚀风险的情况，以此可以确定杂散电流的防护范围，以便有针对性的采取相应的措施。主要内容如下：
　　(1)通过对杂散电流定义、电化学腐蚀机理的研究及地铁工程实际资料的参考，分析总结了杂散电流的危害。
　　(2)通过建立理想条件下的电阻网络结构地铁杂散电流分布的电路元件模型推导杂散电流、轨道电流及轨道电压表达式，分析了杂散电流的分布规律及影响因素。但鉴于忽略了许多的不确定因素，严格意义上的杂散电流理论公式推导困难，即使能够推导出来的精度也不高与实际区别大这为其不足。
　　(3)利用ANSYS有限元软件对地铁系统进行建模、仿真和计算，确定杂散电流的防护范围。仿真结果得出不同隧道类型不同土壤分布不同加载电流是否加设排流网情况下的杂散电流的分布及排流网本身电位情况。得出计算区域各个位置的电位，并依据杂散电流防护控制标准即可确定该位置是否受到腐蚀危险，从而得到杂散电流的防护范围，以便可以有针对性地进行防护。
　　(4)根据仿真结果，研究地铁杂散电流的防护措施。

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的主要研究内容

2 地铁杂散电流场电路元件模型及仿真分析

2.1 地铁杂散电流的形成及腐蚀机理

2.2 地铁杂散电流场电路元件模型杂散电流分布情况

2.3 杂散电流的影响因素

2.4 小结

3 地铁杂散电流场三维有限元模型及仿真分析

3.1 有限元简介

3.2 地铁杂散电流场三维有限元模型

3.3 地铁杂散电流场ANSYS仿真分析

3.4 小结

4 排流网情况下地铁杂散电流场三维有限元模型及仿真分析

4.1 排流网情况下地铁杂散电流场三维有限元模型

4.2 排流网情况下地铁杂散电流场ANSYS仿真分析

4.3 小结

5 地铁杂散电流的防护

5.1 地铁系统本身的防护

5.2 地下金属结构的防护

5.3 小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果