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6種埋地管道地鐵雜散電流干擾源頭控制方法及研究應用現狀

2022-08-18 13:17:47 作者：吳廣春，李德明等來源：腐蝕與防護分享至：

近年來，地鐵雜散電流干擾影響受到越來越多的關注，國內外陸續報道了地鐵雜散電流干擾導致埋地管道和地鐵主體結構鋼筋腐蝕的案例，安全風險不容小覷。

地鐵系統雜散電流干擾埋地管道的防護措施可歸納為3類：

01 限制地鐵牽引電流泄漏的控源法：包括增加走行軌絕緣等級、減小牽引所之間的間距和降低鋼軌縱向電阻等，屬于主動防控法；

02 排流法：GB 50991-2014《埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準》中提出了直接排流法、極性排流法、強制排流法和接地排流法4種排流保護法，其中，接地排流法具有可操作性強和協調難度低等優點，是目前國內管道企業較常用的方法，屬于被動防御法；

03 輔助措施：如防腐蝕層修復、避開干擾源、絕緣隔離和加強雜散電流檢測等，其中，限制牽引電流泄漏是地鐵雜散電流干擾防護最重要和最關鍵的環節，美國科羅拉多州區域公共交通管理局在輕軌設計標準中規定，在正常運行條件下，應限制或降低雜散電流源頭的泄漏水平，而不是緩解雜散電流對運輸系統設施和地下金屬構筑物產生的有害影響。

目前，常用的幾種雜散電流源頭控制措施主要有增加走行軌的絕緣等級、減小牽引所之間的間距和降低鋼軌縱向電阻。然而，這些措施無法阻止雜散電流的產生。

國內地鐵雜散電流防護系統采用CJJ/T 49-2020《地鐵雜散電流腐蝕防護技術標準》中推薦的方案三，即絕緣+監測+排流方案，走行軌兼做回流軌，要求走行軌與隧道主體結構（或大地）之間的過渡電阻不低于15 Ω·km，目前，我國滿足此限值要求的地鐵線路數量有限。受積水、潮濕和導電沉積物等因素影響，隨著地鐵線路運行年限的延長，軌道對隧道主體結構和對地的絕緣水平均不斷降低。地鐵系統牽引所的分布受鋼軌對地電位、主體結構極化電位和工程投資的影響，牽引所之間間距大、數量少，區間鋼軌對地電位和主體結構極化電位會增大，而牽引所之間間距小、數量多則會提高工程投資成本。國內地鐵軌道均采用焊接軌，除了日常的軌道清潔，無其他可顯著降低其縱向電阻的防護措施。

下面總結了6種地鐵線路設計和運營階段可采用的雜散電流防控技術及其研究進展和應用現狀，并對地鐵雜散電流干擾防護的相關研究方向進行了展望，以期為國內外相關行業的研究提供參考和借鑒。

專用回流軌道牽引供電系統應用

受施工、材料選擇及運維管理等因素影響，國內地鐵走行軌與大地之間的過渡電阻難以達到標準要求，不可避免會產生雜散電流，專用回流軌道牽引供電系統很好地解決了此問題。專用回流軌道采用與接觸網相同的絕緣等級，絕緣電阻達到兆歐級別，從源頭上遏制了雜散電流的產生。

專用回流軌道牽引供電系統有兩種，即網軌混合牽引供電系統和四軌牽引供電系統。

網軌混合牽引供電系統采用DC 1500 V接觸網授電和DC 1500 V接觸軌回流供電的方式，專用軌架設在走行軌遠離疏散平臺的一側，與現有供電方式完全一致，車輛加設集電靴和切換電路即可，改造成本低，建設及運營經驗成熟，電氣安全等級高，設置電氣分段后便于短路故障排查。

四軌牽引供電系統采用授電軌和回流軌協同供電的方式，授電軌連接牽引所的正極軌，回流軌與牽引所的負極柜相連，形成一個完整的供電回路，該方案國內無先例，改造成本高，雨雪天氣易短路。

網軌混合牽引供電系統在現有技術裝備水平、建設和運營經驗以及電氣安全性等方面均優于四軌牽引供電系統，更符合國內城市軌道交通的基本情況。目前，我國已建成第一條采用網軌混合牽引供電系統的地鐵線路——寧波地鐵4號線，采用四軌牽引供電系統的地鐵線路以倫敦地鐵Northern line和馬來西亞地鐵KelanaJaya為代表，國內暫無案例。寧波地鐵4號線運營后，回流軌與結構鋼筋（或大地）之間的過渡電阻大于5500 Ω，沿線地電位梯度小于0.5 mV/m，沿線車站結構鋼筋的對地電位正向偏移量平均值小于0.1 V，雜散電流得到了很好地控制。

圖1 寧波地鐵4號線專用軌道回流牽引供電系統

（a）倫敦地鐵

（b）馬來西亞地鐵

圖2 四軌牽引供電系統

專用回流軌道電氣分段

設置回流軌電氣分段有利于快速排查回流軌道對地絕緣故障，從而抑制雜散電流的產生，其原理與管道加設絕緣接頭分段類似，CJJ/T 49-2020標準中規定，走行軌在穿越水域的隧道、潮濕地段及高架橋等重點防護區域時應設置絕緣節和隔離開關。走行軌兼做回流軌時，采用全線貫通的焊接鋼鋁復合軌，不具備設置回流軌電氣分段的條件。

對于專用回流軌道，可在接觸網上網和回流軌回流點設置雙極隔離開關，實現與接觸網的同時分段和接通，寧波地鐵4號線未設置回流軌電氣分段，在建的鄭州地鐵17號線正線段設置了雙極隔離開關，實現了回流軌的電氣分段。

智能單向導通裝置的應用

地鐵車輛段和停車場軌道的絕緣等級均相對較低，這是地鐵系統雜散電流防控的薄弱點，國內地鐵幾乎都存在車輛段和停車場區域雜散電流超標的現象，場段內設備燒損和掛地線打火等現象時有發生。

出入段單向導通裝置是影響地鐵場段內雜散電流分布的關鍵設備之一，傳統的單向導通裝置具有電流單向導通特性，這使場段至出入段之間的軌道始終保持電氣連通，導致場段不斷吸收來自正線牽引所的電流，場段內的牽引變電所斷電時，流經出入段單向導通裝置的電流峰值可高達500～1000 A，且只有出入段線的軌地電位為負值時，才會有電流流過單向導通裝置，出入段線的軌地電位越負，單向導通裝置中流過的電流就越大，產生的雜散電流對附近埋地金屬管道的影響越顯著。

新型智能單向導通裝置通過內部電氣結構改造，無車輛時處于雙向截斷狀態，有車輛通過出入段軌道絕緣節時處于電氣導通狀態，有效控制了地鐵場段的雜散電流水平。目前，寧波地鐵、南京地鐵和廣州地鐵的大部分運營線路均替換成新型智能單向導通裝置，無錫地鐵3號線和杭州地鐵機場快線等新建線路也都采用了新型智能單導的設計方案。

需要注意的是，僅僅優化出入段單向導通裝置并不能完全解決車輛段雜散電流超標的問題，車輛段雜散電流分布除了受出入段單向導通裝置結構影響外，還受車輛段軌道接地方式影響。目前，國內部分城市地鐵場段的軌道依舊采用直接接地的方式，如上海地鐵、廣州地鐵和南京地鐵。

雜散電流動態監控系統的優化

目前，主要通過監測結構鋼筋極化電位的正向偏移量來反映城市軌道交通雜散電流的泄漏程度，相關標準中也給出了可接受的正向偏移量指標。英國BS EN 50162:2014《直流系統中雜散電流引起腐蝕的防護》、GB/T 28026.2-2018，IEC 62128-2:2013和BS/EN 50122.2:2011標準中規定，混凝土鋼筋極化電位的最大正向偏移量為200 mV（含歐姆降）。CJJ/T 49-2020《地鐵雜散電流腐蝕防護技術標準》中規定，結構鋼筋對地電位高峰小時正向偏移平均值應取0.1 V（或1 h內10%峰值的正向偏移平均值應取0.5 V），生產運行中常以正向偏移量平均值200 mV作為監測閾值。

但是，現有監測系統存在一定的局限性：

（1）監測參數單一，主要以結構電位為主，部分城市地鐵系統會加測鋼軌對地電位，如蘇州地鐵和無錫地鐵，而核心參數如泄漏電流和軌道對地和對結構過渡電阻均無法監測；

（2）單點測試，僅反映參比電極附近的雜散電流分布，無法有效監控整個區間的雜散電流分布，且設置參比電極受環境影響較大。

針對以上局限性，國內廠家和相關學者對其進行了優化設計，以回流電纜和均流線為界，將一個供電區間劃分為若干個監測區段，在分界點設置智能傳感器，每個傳感器與軌道之間設置8個連接點，包括6路輸入信號、1個主體結構鋼筋和1個參比電極的連接點，兩個傳感器之間構成一個監測區段，如圖3所示。利用兩個傳感器的監測數據計算區段內的平均泄漏電流，進而得到區段軌道的平均對地過渡電阻，測試原理如圖4所示。

(a) 雜散電流動態監控系統

(b) 監測區段1

圖3 優化后的雜散電流動態監控系統及其監測區段1的布置示意

圖4 軌道對地過渡電阻和泄漏電流測試原理示意

優化后的系統可用于監測每個區間的結構極化電位、軌電位、泄漏電流和軌道對地、對結構過渡電阻，監測效果和監測能力均有提高，有助于地鐵雜散電流的源頭防控。目前，該監控系統已在上海和寧波等地鐵線路上進行試點應用。

避免鋼軌電對地位限制裝置長時間和多臺裝置聯動閉鎖

國內地鐵普遍存在鋼軌對地電位限制裝置（OVPD）頻繁動作和閉鎖的情況。本工作對廣州地鐵6條線路共計117臺OVPD的運行情況進行了調研統計，如表1所示，14臺（占比12%）OVPD永久閉鎖，66臺（占比56.4%）OVPD頻繁動作。對于上海、天津、無錫、西安、昆明、南京和廈門等城市地鐵線路的OVPD，也有相關報道。

表1 廣州地鐵線路OVPD運行狀況統計

此外，部分城市地鐵線路存在OVPD連鎖動作或閉鎖的情況，如北京地鐵大興線頻繁出現鋼軌對地電位Ⅱ段保護異常動作，其在2011年4月23日至4月27日的監測數據見表2，聯動效應明顯，主要是設備開關動作時產生的操作過電壓導致的。

表2 北京地鐵大興線某站點連鎖動作OVPD數量統計

地鐵運營單位可將OVPD監測信號接入數據采集與監視控制（SCADA）系統，以加強對其運行狀態的監控，出現閉鎖后應立即啟動響應，恢復其正常運行狀態。對于OVPD間的連鎖動作效應，可通過對其內部電路進行優化，在分流器旁并聯設置毫伏電壓繼電器，繼電器接點串聯接入原接觸器分閘回路中，保證OVPD分閘時的電流小于設定值，避免操作過電壓的產生。目前，多個城市均采用此方案對OVPD進行了改造，蘇州地鐵OVPD設置I段電流保護動作定值為100 A，北京地鐵OVPD設置閉鎖電流限值為200 A。管道運營單位在對干擾區管道進行日常巡護時，應重點關注臨近地鐵線路的OVPD運行狀況，提前對其干擾風險進行預判和評估。

謹慎投用地鐵排流柜和避免排流柜與鋼軌對地電位限制裝置連鎖動作

地鐵排流柜內部結構如圖5所示，共設置5條支路，分別連接上下行道床收集網、上下行側壁結構鋼筋和接地網。

圖5 排流柜內部結構示意

本工作對國內某地鐵線路及其臨近的埋地長輸管道進行了同步測試，以某地鐵線路1號～3號牽引站和某長輸管道1號～5號測試樁為測試對象，管道與地鐵線路交叉，交叉點位置在3號測試樁附近，如圖6所示，管道各監測點與地鐵牽引站的相對位置見表3，分別測試了排流柜8種運行工況對管道的干擾影響。

圖6 管道各監測點與地鐵牽引站的相對位置示意

表3 管道各監測點與地鐵牽引站的方位關系和距離統計

表4 排流柜運行工況及研究目的

由表4可見：排流柜道床支路投用時，流經排流柜的電流峰值約為230 A，接地網支路投用時，電流峰值迅速升高至850 A，道床和地網支路同時投用時，電流進一步增大，其峰值高達970 A，在地網處形成一個極強的陰極場，這會影響其9 km范圍內的管段，對其3 km范圍內的管段影響較顯著；不同排流柜工況下產生的雜散電流從大到小依次為排流柜和軌電位限制裝置同時投入、多個排流柜同時投入、單個排流柜地網和道床收集網/側壁結構鋼筋支路同時投入和單個排流柜地網支路投入，其中，排流柜和軌電位限制裝置同時投入時，正饋線→車輛→軌道→地網→排流柜→負饋線形成電通路，大量牽引電流入地形成雜散電流，如圖7所示；排流柜和OVPD聯動效應顯著，對某車站排流柜操作時OVPD的聯動進行了統計，見表5，排流柜的投入導致OVPD頻繁動作，發生閉鎖，應重點關注。目前，關于排流柜對管道雜散電流干擾的影響研究不多，需要積累更多的數據，才能對地鐵排流柜投用的影響進行綜合判斷。