大地的導(dǎo)電性

12.4.1 土壤的電阻率和導(dǎo)電性

大地包含了組成大地外殼的所有類型的土壤和巖石，它能傳導(dǎo)電流。象金屬導(dǎo)體一樣，土壤也有電阻和傳導(dǎo)電流的能力，其電阻大小和導(dǎo)電性能取決于它的物理特性和化學(xué)特性。當(dāng)在橫截面均勻、材料單一的導(dǎo)體上施加電壓時，我們很容易就可以得到其電阻率和電阻值。但是，在處理大地的電流傳導(dǎo)時，由于大地相對于金屬導(dǎo)體來說，尺寸很大而且性質(zhì)多變，對它的分析要復(fù)雜得多。

例如，實驗表明，濕度為10%的紅黏土的電阻率是濕度為20%的同種土壤的電阻率的30多倍。在濕度超過20%之后，電阻率受濕度變化的影響很低，其變化不超過20%，濕度降低時，電阻率的值迅速增加。如第12.2.4節(jié)所定義的那樣，土壤電阻率的單位為Ω·m，土壤導(dǎo)電率的單位為S/m。

表12.1 土壤電阻率

圖12.13 根據(jù) [12.18]，鐵路線附近的土壤電阻率的棒形圖

一般類型的土壤，其電阻值基本都在表12.1里列出。圖12.3是德國6000km鐵路沿線的土壤電阻率的棒形圖 [12.18]。測量出的大部分?jǐn)?shù)據(jù)都低于50Ω·m，其統(tǒng)計期望值為25Ω·m。[12.19]報告的是土壤導(dǎo)電率為3.7×10^-4的土壤，它的電阻率為27Ω·m，非常接近上述期望值25Ω·m。如果取后一個值，從式 (10.20) 可得出16.7Hz的交流系統(tǒng)的電流穿透深度為800m，50Hz的交流系統(tǒng)的電流穿透深度為450m。

圖12.14 接地測量儀的功能

測量不同深度土壤電阻率最常用的方法為四點法，也叫溫納法[12.20]，它使用接地電阻測試儀進(jìn)行測量 [12.21] (圖12.14)。四點間有相同的間距a，取a=2，4，8，16，32m進(jìn)行5次測量。每次測量時，都讓探針C1和C2間流過電流I，測量P1和P2之間的電壓。間距a越大，測量到的電阻率則適合更深的土壤，因為電流流到了更深的土壤層。探針C1和C2必須為圓柱形，而且比較短，這樣它們的電阻相對于土壤的電阻來說就會很高。

土壤電阻率ρE可由以下公式導(dǎo)出

其中a為探針間的距離，R_E為所記錄的電阻。

12.4.2 鋼軌-大地回路

12.4.2.1 概述

鋼軌是指列車在其上運行的線路和結(jié)構(gòu)。它們被鋪設(shè)在道碴層上，或嵌入公路或混凝土結(jié)構(gòu)中。嵌入部分是軌道的基礎(chǔ)，用于保持線路固定在規(guī)定位置。鋼軌和道碴的組合用一個合成詞——上部結(jié)構(gòu)來表示。其上表面的高度限制，也就是結(jié)構(gòu)的上水平面被稱為路基面。

線路的鋼軌和大地之間的電阻被稱為鋼軌對大地電阻。這個電阻值表示了鋼軌和大地之間的阻性耦合和電導(dǎo)耦合。其值取決于走行軌和大地之間的的上部結(jié)構(gòu)的特性和條件。上部結(jié)構(gòu)的基本特征為

—上部結(jié)構(gòu)的類型，也就是說，采用的軌枕和軌道緊固件 (包括鋼軌和軌枕間的絕緣墊) 的類型;

—軌枕的墊層，也就是說是碎石或沙質(zhì)道碴，還是將軌枕置于公路中，還是混凝土上，現(xiàn)在有的地方還將電車道的軌枕置入草地里。

如10.1.2中所述，從電氣工程的角度看，軌道埋人條件主要決定于：

—污染程度;

—氣候條件，如濕度，雨水和霧。

最近的測量表明，在夏季，單位長度漏泄電導(dǎo)為2.5～0.4S/km時，混凝土軌枕線路的軌對地電阻的特性變化范圍為0.4～2.5Ω·km。而在冬季，漏泄電導(dǎo)為0.67～0.06S/km時其變化范圍為1.5～17.5Ω·km [12.22]。

對混凝土軌枕線路上部結(jié)構(gòu)的廣泛測量和分析研究表明，鋼軌對大地的電阻90%取決于軌枕和道碴的類型。其余10%由線路附近的下部結(jié)構(gòu)和下部土壤決定 [12.22]。

最近，在正常運行和短路等不同狀態(tài)下所進(jìn)行的軌對地電阻的測量表明，如果流向鋼軌并從鋼軌流入大地的電流是在牽引網(wǎng)絡(luò)可能發(fā)生的電流范圍之內(nèi)，則軌對地電阻與該電流無關(guān) [12.22]。這也意味著只要上部結(jié)構(gòu)一定，阻性耦合與鐵路系統(tǒng)是直流供電還是交流供電無關(guān)。

單相交流系統(tǒng)中，軌對地阻抗是一個復(fù)合矢量，其角度范圍為1°～3° [12.23]。因此在實際的單相交流系統(tǒng)計算中，可忽略其很小的電抗分量，并假設(shè)其為純歐姆電阻。根據(jù)德國鐵路997標(biāo)準(zhǔn) [12.9]，鋼軌之間的電阻是指軌道上兩條走行軌之間的軌對地電阻。要求軌條之間具有較高的電阻值，以保證軌道解鎖系統(tǒng)的可靠運行。鋼軌之間的電阻受鋼軌和底板之間的絕緣墊類型的影響。如果兩條走行軌的絕緣墊有著相同的電氣特性，從電氣工程的角度考慮，通常認(rèn)為上部結(jié)構(gòu)是對稱的。應(yīng)通過安裝絕緣良好的絕緣墊來實現(xiàn)鋼軌之間的高電阻值。如果每條走行軌和軌枕之間的上部結(jié)構(gòu)有著不同的絕緣特性，則它被稱為不對稱上部結(jié)構(gòu)。

上面提到過的德國鐵路標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，如果是用于音頻軌道電路，則對稱上部結(jié)構(gòu)的軌-軌電阻至少應(yīng)為1.5Ω·km，不對稱上部結(jié)構(gòu)的軌-軌電阻至少應(yīng)為2.5Ω·km。

圖12.15所示為鋼軌和大地之間阻性耦合的模型電路。在這個模型中，用分散的電阻來表示鋼軌和大地之間、分布的或持續(xù)的單位長度縱向電阻R′T和單位長度漏泄電導(dǎo)Y′TE。按照已廣為接受的定義，假設(shè)電阻與土壤的各個連接點之間的土壤電阻為零。