基于CDEGS的杂散电流动态特性分析

摘要

地铁为城市的发展和社会的进步起到重要的推动作用，随着地铁线路的不断完善，其直流牵引供电系统造成的杂散电流问题日趋严峻。杂散电流不仅会对隧道沿线的金属导体产生电化学腐蚀危害，同时还会引起城市电网电力主变压器的直流偏磁现象。掌握杂散电流的动态分布特性，对地铁日常运营和维护工作具有重要意义。 本文基于CDEGS软件平台搭建地铁杂散电流立体结构仿真模型，在现有“空气—混凝土—土壤”三层结构模型和“钢轨—排流网—结构钢筋”三层导体模型中，加入地上牵引供电系统，实现多区间供电和多机车运行模式，并采用传统解析法验证模型的合理性和实用性。其次，本文通过对比分析单区间供电模式与多区间供电模式的静态仿真结果，结合实际工程中使用的供电技术，证明了采用多区间供电模型研究杂散电流分布规律的必要性。 基于上述多区间供电模型，展开研究杂散电流的静态分布特性。首先，通过调整结构参数，研究不同线路条件和故障类型对杂散电流分布的影响；其次，建立多辆机车在同一供电区间和不同供电区间运行的仿真模型，观察各机车运行状态发生变化时杂散电流的分布情况。仿真结果表明：钢轨纵向电阻增大以及绝缘层电阻率下降对泄漏杂散电流有重要影响；绝缘层局部失效的影响范围有限；排流网局部断裂会导致地中导体纵向电流的分布产生畸变，对钢轨各参数分布的影响较小；同一区间内多辆机车处于加速状态会明显抬升该区间钢轨对地电位；对于不同区间内的多辆机车而言，若处于加速状态和制动状态的机车分列线路两侧，会导致钢轨对地电位升高、地中杂散电流增多等负面影响。 根据石家庄地铁 3 号线的设计方案，展开对杂散电流的动态分布特性研究。结合目标速度运行策略（Target Speed Running Strategy，TSRS）和最快速度运行策略（Fastest Speed Running Strategy，FSRS）的机车牵引电流仿真曲线，制定仿真时序表，完成杂散电流的动态仿真。其次，从动态分布的角度证明采用多区间供电模型分析杂散电流分布规律的必要性。最后，模拟上下行复线条件，研究该条件下杂散电流的变化规律。结果表明：该线路满足运行所需基本条件，钢轨对地电位及排流网极化电压正向偏移平均值均符合规范要求；复线模型钢轨对地电位下降明显，导致排流网对地电位以及单个通道内形成的杂散电流量均减少；带有均流线的复线模型，其上下行各参数分布规律基本相同。 基于法拉第定律在动态条件下绘制地铁沿线金属导体腐蚀量分布曲线，进一步研究不同供电模式对导体腐蚀量计算的影响，并分析多区间供电模式下，机车采取不同运行策略时沿线导体腐蚀量的分布特性。此外，本文还探讨了上下行复线隧道条件下导体腐蚀量的变化情况。结果表明：实际运行工况下，地铁沿线钢轨和排流网腐蚀量分布具有一定规律性，其分布与车站位置以及车站类型有关；机车采取FSRS造成的腐蚀危害比TSRS更加严重；复线模型中，钢轨与排流网的腐蚀量最大值变化情况不一致，且各导体腐蚀量总量的变化情况也有较大区别，分析可知排流网对上下行之间交叉杂散电流的敏感度高于钢轨。 本文基于 CDEGS 建立的多区间多机车立体仿真模型，为研究杂散电流的分布规律提供了新的解决思路，其仿真结果更贴合地铁运营实际，可引导工作人员采取切实有效的防护措施治理杂散电流。

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