軌道交通OVPD對埋地管道雜散電流干擾影響

上海天然氣管網有限公司 李德明

為緩解日趨嚴重的城市交通壓力，城市軌道交通得到了快速發展。目前國內城市軌道交通多采用直流750 V/1 500 V供電方式，利用接觸網或第三軌作為正極，走行軌兼作回流軌實現直流供電，運行中牽引電流數值達數千安。鋼軌鋪設于道床上，利用絕緣墊與大地電氣絕緣。因鋼軌與大地間無法完全絕緣，鋼軌存在縱向電阻，回流鋼軌會向大地泄露一定電流，形成雜散電流，在鋼軌與地間產生電位差。雜散電流對臨近金屬構筑物存在干擾腐蝕的影響，并且過高的軌地電壓可能造成人員人身安全傷害。為此，鋼軌沿線設置有雜散電流收集網，在各車站和停車場內設置有鋼軌電壓限制裝置/過電壓保護器OVPD(Over-voltage protection device)。

1 國內地鐵OVPD運行狀況統計

在實際運行中，國內多個城市出現軌道交通OVPD頻繁接地，甚至閉鎖運行，極大的雜散電流對臨近金屬管道帶來了嚴重的干擾腐蝕影響。成都1號線錦城廣場站OVPD在2011年1月至2012年1月14日期間動作29次[1]；北京大興線自開通試運營起屢次出現OVPDⅡ段保護多站同時動作的異常現象[2]；廣州、上海、天津、無錫、西安、昆明、南京、廈門等地區關于OVPD頻繁動作和閉鎖都有報告。表1就廣州6條地鐵線路共計117座OVPD設備運行狀況進行統計，發現14座(占12.0%)OVPD永久閉鎖，66座(占 56.4%)OVPD頻繁動作[3]。北京大興線沿線共計 11個站點設置有 OVPD，在對OVPD為期5天運行狀況監測中發現OVPD動作頻繁：4月24日大興線出現5次OVPD動作；4月23日沿線OVPD共計26次動作；OVPD動作連鎖效應明顯，4月14日高米店北站、4月15日義和莊站 OVPD動作后沿線 11個站點中 10個站點OVPD接連動作，如表2所示。

表1 廣州6條地鐵線路OVPD運行狀況統計

表2 北京大興線OVPD連鎖動作

管道受軌道交通雜散電流干擾時，管道方僅知道管道受到了雜散電流干擾，但不知道具體的干擾源。因軌道交通狀況的差異，管道受軌道交通干擾的情況也存在差異，給管道防腐管理、干擾緩解設計等工作帶來了挑戰。本文就管道受OVPD雜散電流干擾的實例進行討論，得出OVPD為軌道交通雜散電流重要干擾源，為解決軌道交通雜散電流防護問題提出新思路。

2 軌道交通OVPD工作原理

直流牽引系統中，由于操作電流和短路電流的存在，可能會引起回流軌與大地間產生超過安全許可的接觸電壓。為減輕鋼軌電位升高對地鐵運營安全及乘客人身安全所造成的威脅，在回流軌與大地間接入鋼軌電壓限制裝置OVPD。一般OVPD多設置于車庫、站臺等人員較多的線路位置，由專業人員進行維護。

OVPD通過實時監測鋼軌電位，并遵循圖1的基本邏輯關系進行保護動作。其中，三段電壓保護U>>>、二段電壓保護 U>>主要會發生框架泄漏故障、供電故障等，相對發生幾率較小、處置工作迅速；一段電壓保護 U>發生故障頻率較二段、三段電壓保護高，并且處置時效低，甚至存在OVPD長期閉鎖運行。OVPD長時間接地和閉鎖運行使得軌道交通雜散電流劇增，管道受干擾電流影響嚴重。

圖1 OVPD工作邏輯示意

2 軌道交通OVPD雜散電流對管道干擾影響

以某軌道交通的某管道為例，該管道直徑為813 mm、防腐層為3PE管道與軌道交通存在交叉位置關系，交叉位置軌道交通設有站臺，站臺設有OVPD，站臺距最近管道 A0+0.000 km處距離約100 m，管道與軌道交通相對位置見圖2，具體信息見表3。現場觀察到OVPD接地動作時最大電流能達到400 A，對臨近管道產生了嚴重的雜散電流干擾。

圖2 管道與地鐵干擾源相對位置示意

表3 管道與地鐵干擾源OVPD相對位置信息

在某次饋電排流試驗中(饋電點距軌道交通與管道交叉測試點的管里程長約6.3 km，恒流10 A饋電)，對交叉點測試樁A0+0.000 km進行了長期電位監測。監測發現，管道受軌道交通雜散電流干擾，且當 OVPD動作接地時管道受軌道交通雜散電流干擾強度增強，如圖3所示。

圖3 管道A0+000 km測試樁通斷電電位

對測試點同一時刻管道電位對齊(約18:20～8:00，13h40min)作圖，如圖4所示。受遠端饋電試驗影響，測試點陰極保護水平提升，表現為夜間相對穩態下管道管地電位變負，斷電由–982 mV負移為–1 013 mV，負向偏移31 mV，遠端饋電排流對本測試點管道陰極保護水平提升，但對干擾緩解效果有限。

圖4 OVPD閉鎖前后管道A0+000 km測試樁陰極保護狀況(左側閉鎖前，右側閉鎖后)

采用標準AS 2832.1—2015《Cathodic protection of metals-Pipes and Cables》中對軌道交通雜散干擾下陰極保護有效性評價時，其推薦監測時間為24 h且不宜小于12 h。通常情況下，為消除不同時間段因軌道交通停運、高峰運行等干擾程度變化引起的評定參數結果的差異，多采用24 h監測數據評估。在本例中主要考慮OVPD對管道雜散干擾的影響，監測時長小于 24 h，但可借鑒 AS 2832.1—2015《Cathodic protection of metals-Pipes and Cables》中判定辦法就 OVPD閉鎖前后干擾情況進行分析對比。具體分析數據結果見表4。對比結果表明，OVPD閉鎖導通后管道受軌道交通雜散干擾影響增大1倍之多，管道極化電位正于陰保電位準則100 mV的占比甚至為OVPD閉鎖前的6.3倍。由此可以看出OVPD對管道軌道交通雜散干擾影響大。

表4 管道A0+000 km測試樁電位數據分析

為減小軌道交通運行中隨機性，取管道受干擾程度(正向、負向、流出、流入)最大的 10%的數據平均值作為干擾最為嚴重數值，并與夜間相對穩態數據進行對比分析，相關結果見表5。OVPD閉鎖后引入雜散電流為閉鎖前的2倍之多，管道干擾幅度、強度均增強，極大地降低了管道陰極保護水平，增大了緩解管道軌道交通雜散電流干擾的難度。可見，減少OVPD閉鎖次數、時間對控制軌道交通雜散電流影響意義重大，可見OVPD為軌道交通雜散電流重要干擾源。

表5 OVPD對地鐵雜散干擾強度影響（A0+0.000 km測試樁） V(CSE), A/m2

為考究沿線管道受該站臺 OVPD干擾影響情況，對沿線管道追加了智能陰極保護樁以實時監控管道電位情況。管道電位采集頻次為 10 min/個。A0+0.000 km測試樁電位顯示：2019/01/01至2020/01/15時間段，該站臺OVPD基本處于永久閉鎖狀態，如圖5所示；2020/01/03至2020/01/07時間段OVPD為未閉鎖(正常)狀態，如圖6所示。圖7～圖10為臨近站臺附近的4處管道測試樁于站臺OVPD閉鎖前后管道電位分布圖。

圖5 A0+0.000 km測試樁長期電位監測數據

圖6 A0+0.000 km測試樁OVPD接地前后管地電位變化

圖7 A0-1.833 km測試樁電位監測數據(距OVPD接地系統約1.5 km)

圖8 A0-0.829 km測試樁電位監測數據(距OVPD接地系統約0.67 km)

圖9 A0+0.000 km測試樁電位監測數據(距OVPD接地系統約0.1 km)

圖10 A0+1.694 km測試樁電位監測數據(距OVPD接地系統約1.5 km)

采用相同辦法，取管道受干擾程度(正向、負向、流出、流入)最大的10%的數據平均值作為干擾最為嚴重數值，并與夜間相對穩態數據對比獲得管道受干擾電位幅度。對 A0-1.833 km、A0-0.829 km、A0+0.000 km、A0+1.694 km 4處測試樁受OVPD干擾前后電位變化(OVPD閉鎖時偏離穩態數值減去OVPD未閉鎖時偏離穩態數值)作圖，如圖 11、圖12所示。OVPD接地后，對周邊650 m處管道產生了較大影響，1.5 km范圍外的管道基本不受影響；距OVPD越近，管道受干擾越大。

圖11 管道受OVPD干擾隨管道里程衰減曲線

圖12 管道受OVPD干擾隨管道-OVPD間距衰減曲線

3 結語

燃氣管道受軌道交通系統雜散電流干擾影響面臨較大的腐蝕安全風險，明晰軌道雜散電流干擾機理、源頭對保障管道陰極保護有效性，控制雜散電流、減小管道腐蝕風險意義重大。本文就軌道交通 OVPD動作情況與管道受干擾情況進行了關聯分析，得到以下結論：

(1)OVPD動作接地使得管道雜散電流干擾增強，管道腐蝕風險增大；是軌道交通雜散電流重要干擾源。試驗中監測到管道A0+000 km測試樁受站臺OVPD閉鎖影響，管道雜散電流、干擾強度增大1倍之多，管道正于陰極保護電位準則100 mV的占比甚至為OVPD閉鎖前的6.3倍。

(2)長期管道電位監測數據表明，A0+000 km附近處站臺OVPD于2019年度基本處于永久閉鎖-接地狀態。

(3)站臺OVPD動作接地時，對周邊650 m處管道產生了較大影響，1.5 km范圍外的管道受干擾影響較小。