軌道交通雜散電流對埋地金屬管線的影響及應對措施

靳 凱

(上海市隧道工程軌道交通設計研究院， 200235， 上?！喂こ處?

由于城市地下空間限制，許多軌道交通在建設過程中，不可避免地要和一些天然氣管道、油氣管道等埋地金屬管線出現并行或交叉敷設的情況。在上述特殊區段全面考慮雜散電流腐蝕問題，設計合理的防護方案，對于埋地金屬管線的防護及地鐵本身來說，具有一定的現實意義。

1 雜散電流腐蝕的標準

GB/T 28026.2—2018《軌道交通地面裝置電氣安全、接地和回流 第2部分：直流牽引供電系統雜散電流的防護措施》(以下簡稱“GB 28026”)中提到，結構鋼筋對地電位高峰小時正向偏移值小于200 mV時，非陰極防護區的結構不需要采取特別的措施[1]。

2020年新發布的行業標準——CJJ/T 49—2020《地鐵雜散電流腐蝕防護技術標準》(下簡稱CJJ/T 49)對防護指標進行了細化，當地鐵沿線沒有陰極防護區時，要求同GB 28026，否則結構鋼筋對地電位高峰小時正向偏移值應≤100 mV[2]。

燃氣行業的標準和規范一般利用管地電位正向偏移值>20 mV和土壤電位梯度2個指標作為評判標準，CJJ 95—2013《城鎮燃氣埋地鋼質管道腐蝕控制技術規程》、GB 50991—2014《埋地鋼制管道直流干擾防護技術標準》(以下簡稱“GB 50991”)、GB/T 21447—2018《鋼制管道外腐蝕控制規范》等規范均規定：當管地電位正向偏移值>20 mV或土壤電位梯度>0.5 mV/m時，確認存在直流干擾；當管地電位正向偏移值>100 mV或土壤電位梯度>2.5 mV/m時，管道需及時采取防護措施[3-5]。

軌道交通雜散電流設計時，可以根據結構鋼筋對地電位高峰小時正向偏移平均值≤0.1 V來考慮，既符合了地鐵方面的設計規范，又滿足了燃氣行業的規范要求。

2 軌道交通雜散電流常規防護措施

一般情況下，軌道交通雜散電流腐蝕防護系統的設計主要圍繞“防” “排” “測”三方面進行。在單邊供電條件下，雜散電流IS的計算公式為[6]：

Is=IRgL2/(8Rg/s)

(1)

式中：

Is——泄漏的雜散電流，A；

I——列車牽引平均電流，A;

Rg——走行軌縱向電阻，Ω/km;

Rg/s——走行軌對地過渡電阻，Ω/km;

L——牽引變電所和列車之間的距離，km。

從式(1)看出，Is∝L2，可以通過合理設置變電所間距減少雜散電流；Is∝Rg，可以通過選用無縫鋼軌、增加均回流點等措施保持回流通暢，減少雜散電流；Is∝1/Rg/s，可以通過設置絕緣墊、走行軌對地保持一定間隙、保持軌道清潔干燥等措施加強走行軌對地絕緣，CJJ/T 49也明確要求Rg/s不應低于15 Ω·km[2]。

除了上述有關“防”的措施，一般還兼有“排”和“測”的措施?！芭拧?，即在軌道正下方設置雜散電流收集網(即排流網)，為雜散電流提供一條暢通的低電阻回路，將其引回變電所負極。排流網縱向鋼筋總截面應滿足遠期高峰時段排流網對地電位正向偏移平均值≤0.1 V的要求。

“測”，即在道床或結構上設置測試端子和參比電極，來實時監測道床鋼筋或結構鋼筋的極化電位，判斷其腐蝕情況。當監測到極化電位超標時，投入排流裝置。

3 特殊區段的雜散電流防護措施

3.1 與埋地金屬管線的間距要求

管線與干擾源的間距是決定干擾程度的重要因素，埋地金屬管線應盡可能遠離直流牽引系統的軌道交通線路。GB 50991建議管線與直流牽引系統宜保持間距，但并沒有具體要求[4]；GB 28026中進行了明確，規定走行軌與埋地金屬管線在土壤中距離應大于1.0 m[1]；GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》要求稍高，穿越軌道的燃氣管道頂部距軌道軌底不小于1.2 m[7]。新建管線可按上述要求執行，既有管線則可通過管線遷改來實現。

3.2 加強走行軌絕緣

軌道交通走行軌系統主要由鋼筋混凝土道床、鋼筋混凝土軌枕、橡膠絕緣墊和鋼軌構成，其中，橡膠絕緣墊電阻值一般為1.0×108Ω。但是，混凝土在干燥和潮濕的條件下電阻率相差非常大，混凝土軌枕很容易在潮濕條件下變為導電介質，導致雜散電流泄漏，從而影響埋地金屬管線。

在有埋地金屬管線的特殊區段，除常規措施外，還可以采用納米涂層涂覆鋼軌、絕緣復合軌枕代替普通軌枕等措施來加強絕緣。其中，納米涂層是利用納米級顆粒對鋼軌側面及底部的鐵基表面進行緊密包覆，其絕緣電阻值可達到1.24×109Ω[8]，甚至可以用于環境更為惡劣的有軌電車項目。絕緣復合軌枕則可以采用發泡聚氨酯樹脂材質，該材質具有優異的絕緣性和耐久性，絕緣電阻值可達到1.0×1010Ω[9]，目前在北京、上海、成都、常州等地的軌道交通項目中均有應用。

3.3 走行軌并接電纜

從式(1)可以看出，通過減小走行軌縱向電阻Rg，也可以達到減小雜散電流的目的。因此，也可在特殊區段兩端各延伸一定長度內的走行軌并接一段電纜，采用打孔脹釘螺栓方式與鋼軌進行連接，以降低走行軌縱向電阻。

3.4 增大排流網截面

排流網縱向電壓U的計算公式[6]：

(2)

式中：

U——排流網允許的電壓降，V；

Rs——排流網單位長度電阻，Ω/km，Rs=ρ·L/S，S為排流網縱向鋼筋總截面，mm2。

從式(2)可以看出，S越大，Rs越小，則U越小，即可以通過增大排流網縱向鋼筋總截面將縱向電壓降控制在較小范圍，減小雜散電流的泄漏水平。

在特殊區段增大排流網截面的方法有很多，可以通過在該區段內增加排流網鋼筋數量、預埋紫銅排、兩端各延伸一定長度內的排流網并接排流電纜來實現。

3.5 主動型防護措施

除上述措施外，還可以采用陽極保護法、陰極保護法、犧牲陽極法、排流保護法等措施進行防護。

陽極保護法防護效果較好，是通過將管線電位提高到鈍化電位來進行防護，但是由于地下管線情況復雜，實際操作起來較為困難。陰極保護法防護效果也很好，但是需要設置專門的直流電源，通過供出反方向電流來抵消雜散電流，造價相對較高。

軌道交通線路中一般可采用犧牲陽極法和極性排流法，分別用于地下區段和地面區段的埋地金屬管線防護。

3.5.1 地下區段埋地金屬管線防護

軌道交通地下線路中埋地金屬管線的防護可以采用犧牲陽極法。該方法較為簡單，易于實現，主要是利用鋅、鎂等活潑金屬作為陽極，通過測試裝置或直接與金屬管線相連，使金屬管線變為陰極，從而達到管線防護的目的。陽極的選型和布置應符合GB/T 21448—2017《埋地鋼制管道陰極保護技術規范》中“犧牲陽極系統”的相關規定[10]。

3.5.2 地面區段埋地金屬管線防護

車場等地面區段由于道床型式制約及容易受到自然環境影響，雜散電流泄漏量往往更大，周圍埋地金屬管線的腐蝕也較為嚴重，可選用防護效果更好的極性排流法。極性排流法是將金屬管線直接與變電所負極柜相連，使泄漏到金屬管線的雜散電流再流回變電所負極。圖1為一種軌道交通沿線金屬管線的雜散電流防護裝置[11]。

圖1 一種軌道交通沿線金屬管線的雜散電流防護裝置

圖1中：“1”為負荷開關，主要用于通斷回路，并具有簡單的滅弧功能；“2”為可自動調節大小的限流電阻，避免過度排流；“3”為熔斷器，用于保護回路；“4”和“5”分別為分流器和表計，用于測量排流值；“6”為二極管，用于保證雜散電流單方向流動。

負荷開關、熔斷器、二極管、分流器和表計等可根據排流電流值的1.5～2.0倍進行選型。排流電流值I的計算公式[4]為：

I=VPR/(R1+R2+RPG+RRG)

(3)

式中：

VPR——未排流時的管軌電壓，V，可按GB 50991附錄A.4管軌電壓測試的方法進行現場實測；

R1——排流電纜內阻，可初步選定電纜型號，計算出排流電流值I后，再校驗電纜的載流量，如不滿足要求，可放大一檔繼續校驗；

R2——排流器內阻，即圖2防護裝置內部的電阻值(除限流電阻外)；

排流可以降低雜散電流對埋地金屬管線的腐蝕，將管線的極化電位限制在0.5 V的標準之內。但是，過度排流也容易引起鋼軌電位上升及雜散電流泄漏量變大，反而危害到周圍其他管線或鋼筋。因此設計時還需結合最大保護和最小干擾的原則，統籌考慮周圍管線情況，設置一個限定排流量ID，使管線的極化電位保持在0.5 V附近，既保證管線處于鈍化狀態，又避免過度排流帶來其他危害。上述要求可以通過在防護裝置內部串聯一個連續可變并能夠自動調節大小的限流電阻RCL來實現，其大小可按如下公式[4]計算：

RCL=(I/ID-1)VPR/I

(4)

3.5.3 主動型防護措施效果評價

犧牲陽極法或極性排流法主要是通過減小管地電位正向偏移幅值，或縮短其正向偏移持續時間來減小對埋地金屬管線的干擾。采用防護措施后，管地電位應達到或接近未受干擾前的狀態或滿足GB 50991中有關電位正向偏移平均值ηV(%)的規定。

4 結語

在一些埋地天然氣管線、油氣管道等與軌道交通并行或交叉敷設的特殊區段，雜散電流的防護措施尤為重要，除一些常規的防護措施以外，本文提出了幾種加強防護措施。合理地選取防護方案，不僅可以減少對埋地管線的危害，對軌道交通自身來說，也起到了一定保護作用。