轻轨系统的风险与回报

轻轨交通是当今大多数城市的基础设施，由多节电力驱动的轻轨车辆（LRV）组成。这些短途列车由无轨电车和有轨电车演变而来，它们遵守交通灯和信号，与汽车、行人和自行车一起穿梭在街道上。轻轨车辆主要在地面上运行，以 10–30 mph（16–50 km/h）的速度在专用车道上稳定行驶，通常由架空线供电而非电气化的第三轨。轻轨交通中的“轻”是指其载重量比重型轨道交通轻，尽管其重量因为体积小也较轻。

美国犹他州交通局的 Trax 轻轨车辆正沿着盐湖城市中心的绿线向南行驶。图片获 知识共享签署 2.0 通用 许可，通过 Wikimedia Commons共享。

轻轨车辆依靠电力运行，因此相较于非电力交通工具，其建造、维护和供电成本更低，也更安全。例如，与柴油动力货运列车不同，轻轨列车不需要装载大量既昂贵又污染环境，还可能具有高爆炸性的化石燃料。电动列车的运动组件较少，碳排放量极低，因此是一种环保的交通工具。

尽管轻轨列车具有这些显著优势，但也并非没有风险，尤其是其大多采用直流供电。相较于更适合重型和快速列车的交流电，直流电产生的杂散电流始终是法向电流，这可能会引发腐蚀等电化学过程（了解更多信息，请参见交流电引起的腐蚀案例模型）。相反，对于通常以 16²/₃ Hz 的频率运行的交流牵引，电流主要是电容性的。因此，对管道、电缆金属护层和储罐等地下金属结构造成腐蚀是直流供电轻轨系统可能带来的风险。这种腐蚀损伤会产生昂贵的维修费用，甚至会引发危险情况，例如天然气管道破裂或建筑物和基础设施（甚至轻轨本身）的结构完整性受损。

造成杂散电流的原因是什么？

直流轻轨列车通常由牵引变电所（TSS）通过架空线路提供的馈电流运行，轨道用作返回电流的导体。轨道与土壤平行连接，由于轨道位于土壤上方的轨枕和/或压载物（砾石）上，因此可将整个轨道长度视为全部接地。在特定的土壤和设计条件下，部分电流会经轨道外的其他路径流出。这部分电流被称为杂散电流。轨道周围产生的电势场表示电流路径，电流流入列车附近的金属物体，并在牵引变电所附近流出。还原（通常是氧还原）发生在阴极进入点，氧化/腐蚀发生在阳极输出点。

埋地管道上的杂散电流腐蚀详细示意图。图片源自参考文献 4，获 署名 4.0 国际协议许可。图片未做任何修改。

如何减少杂散电流?

减少杂散电流的一些常见方法包括减少杂散电流的形成距离，例如增加轨道连接和牵引变电所的数量。还可以改善轨道与土壤之间的电绝缘，但要使这种方法具有实际意义，轨道必须与接地电阻低的其他金属设施完全断开。杂散电流排流是一种常用的方法，但难以监测。有时，使用聚酯管道等非金属物体，或重新定位敏感的基础设施是唯一的选择。

在城市建立轻轨系统之前，应广泛研究杂散电流可能造成的腐蚀影响。仿真软件能够对这种现象进行准确地模拟和分析，并且无需制作昂贵的物理原型。借助数值模型，工程师可以模拟多种不同的场景并进行预测，从而避免轨道投入使用后发生腐蚀损坏。

监测腐蚀

轻轨交通系统中列车的杂散电流案例模型表征并分析了杂散电流对金属的腐蚀影响。该模型模拟了两根位于轨枕上的平行轨道，以及在三维土壤剖面上连接两个牵引变电所的碎石。轨道的绝缘性能很差且没有其他缓解措施。轨道附近有一根钢管。

轨道和管道周围的土壤类型不同。这里，我们研究了列车通过时杂散电流对管道的影响，以及这些影响如何随土壤导电性和管道位置的变化而变化。

模型的几何形状，包括轨道、管道和各种具有不同导电性的土壤。

研究与结果

在这个示例模型中，COMSOL Multiphysics^® 软件允许用户定义杂散电流流出和流入轨道及管道时所涉及的电化学反应有关的材料。腐蚀 材料库提供了多种材料选项。对于土壤中的每一种材料，用户都可以定义其电解质的电导率。通过的列车被视为移动的电流源。牵引变电站为列车提供遵循加速、制动和空转模式的驱动电流。软件提供了多个便于调整几何的选项，用户可以添加、重塑、移除或平移对象。本示例显示了平移管道的影响。

外部电流源设置代表列车和基本情况的模拟结果。

在该模型中，使用参数扫描研究了三种不同的场景：基本情况、将砂质黏土作为黏土处理和将管道平移 50 m。

基本情况场景下，三维土壤剖面上的电势场和局部电流密度模拟结果。

三维动画显示了杂散电流形成时列车的位置，以及电势场如何在轨道附近扩散。通常会对不同的类型材料（如水和土壤）沿线可接受的电位变化进行研究，以识别可能对金属物体特别有害的区域。

由于管道所在位置非常暴露，计算出的腐蚀速率在列车出发点附近最高，并在 54 s 后达到峰值。这也在意料之中,因为电流在牵引变电所附近流出管道，且电流返回路线较长。

对比不同场景的模拟结果，可以发现，如果土壤中的电阻率较高，管道的腐蚀程度就会降低。因此，位于黏性土壤上的轨道很可能需要更多的杂散电流减缓措施。平移后的管道腐蚀程度降低，因此平移管道是延长管道使用寿命的一种有效选择。

列车在距离牵引变电所 TSS 1 700 m 处（模拟时间 54 s）场景下的管道腐蚀率。

测试轨道

您想亲自动手尝试模拟轻轨系统中列车的杂散电流吗？点击下方按钮，进入 COMSOL 案例库下载相关 MPH 文件：

延伸阅读

• 阅读以下资源，了解更多有关轻轨系统的信息：
  • Transportation Policy Research
  • The Railway Technical Website
  • Railway Age
• 阅读下列 COMSOL 博客，了解更多有关电流和腐蚀仿真的信息：
  • 电磁热仿真中有哪些不同的激励方式
  • 地下管道应力腐蚀的多物理场模拟
  • 在 COMSOL Multiphysics^® 中模拟点蚀

参考文献

1. W. von Baeckmann et al., “Handbook of Cathodic Corrosion Protection”, Elsevier Science, 1997; https://shop.elsevier.com/books/handbook-of-cathodic-corrosion-protection/von-baeckmann/978-0-88415-056-5
2. D. Teodorović & M. Janić, “Transportation, environment, and society”, Elsevier eBooks, pp. 747–886, 2017; https://doi.org/10.1016/b978-0-323-90813-9.00011-4
3. Z. Cai, X. Zhang, and H. Cheng, “Evaluation of DC-Subway Stray Current Corrosion With Integrated Multi-Physical Modeling and Electrochemical Analysis” IEEE Access, vol. 7, 168404, 2019. http://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2953960