地鐵軌電位限制裝置對(duì)埋地管道雜散電流干擾的影響

吳廣春，譚瓊亮，李敏鋒，張夢(mèng)夢(mèng)，王修云，杜艷霞

(1.安科工程技術(shù)研究院(北京)有限公司，北京 102200；2.蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司，蘇州 215000；3.北京科技大學(xué)，北京 100083)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外報(bào)道了多起由地鐵雜散電流干擾導(dǎo)致埋地管道和地鐵主體結(jié)構(gòu)鋼筋發(fā)生腐蝕的現(xiàn)場(chǎng)案例[1-9]，地鐵雜散電流干擾帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)不容小覷。軌電位限制裝置(OVPD)是影響地鐵系統(tǒng)雜散電流分布的關(guān)鍵裝置之一。由于OVPD兩端分別連接走行軌和接地網(wǎng)，一旦裝置合位，將會(huì)有大量的牽引電流入地形成雜散電流，從而對(duì)臨近的埋地金屬管道產(chǎn)生顯著的干擾影響[10-12]。目前，國(guó)內(nèi)地鐵普遍存在OVPD頻繁動(dòng)作和閉鎖的現(xiàn)象，如：廣州地鐵6條線路共計(jì)117臺(tái)OVPD中14臺(tái)(占12%)OVPD永久閉鎖，66臺(tái)(占比56.4%)設(shè)備頻繁動(dòng)作[13]。上海、天津、無(wú)錫、西安、昆明、南京、廈門(mén)等城市地鐵線路也有相應(yīng)的報(bào)導(dǎo)[14-16]。此外，部分城市地鐵線路存在OVPD連鎖動(dòng)作或閉鎖的現(xiàn)象，如：北京地鐵大興線頻繁出現(xiàn)軌地電位II段保護(hù)同時(shí)動(dòng)作的異常現(xiàn)象[17]。由于地鐵和管道運(yùn)營(yíng)單位缺乏有效的聯(lián)動(dòng)溝通機(jī)制，系統(tǒng)地測(cè)試研究OVPD對(duì)埋地管道受雜散電流干擾影響的案例較少，干擾影響范圍及規(guī)律缺乏參考與借鑒。本工作以國(guó)內(nèi)某地鐵線路及其臨近的埋地長(zhǎng)輸管道為測(cè)試研究對(duì)象，在OVPD處于不同運(yùn)行工況下，開(kāi)展了地鐵和管道相關(guān)電參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)同步測(cè)試，通過(guò)對(duì)比分析明確了OVPD對(duì)管道雜散電流干擾的影響規(guī)律，同時(shí)明確了不同工況下軌地電位(軌道對(duì)地電位)和軌地間流經(jīng)電流的分布變化，為國(guó)內(nèi)外同行提供參考和借鑒。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1 測(cè)試位置

某地鐵線路與其臨近的埋地長(zhǎng)輸管道交叉，如圖1所示。測(cè)試位置為該地鐵線路的A、B牽引站(OVPD所在位置)和埋地長(zhǎng)輸管道1#至8#測(cè)試樁(長(zhǎng)約40 km)。該管道與地鐵線路交叉于5#測(cè)試樁附近，與A站和B站的距離約0.3 km和2.7 km。各管道監(jiān)測(cè)點(diǎn)與地鐵車站的方位和距離如表1所示。由表1可知，5#測(cè)試樁位于A站和B站之間，其余各管道監(jiān)測(cè)點(diǎn)均位于A站和B站的同側(cè)。

圖1 管道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)與地鐵線路的相對(duì)位置

表1 管道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)與地鐵牽引站的方位和距離

1.2 測(cè)試工況與參數(shù)

OVPD的運(yùn)行工況分為合位(工作狀態(tài))和分位(非工作狀態(tài))。測(cè)試過(guò)程中涉及4種OVPD運(yùn)行工況：(1)A站和B站OVPD同時(shí)分位；(2)A站OVPD合位，B站OVPD分位；(3)A站OVPD分位，B站OVPD合位；(4)A站和B站OVPD同時(shí)合位。選取在相同發(fā)車頻率時(shí)間段內(nèi)開(kāi)展測(cè)試，每種工況的測(cè)試時(shí)間為2 h。

待測(cè)參數(shù)包括：管道的極化電位和流入/出電流密度(雜散電流在管道上流入和流出電流密度)、軌地電位和軌地間流經(jīng)電流。

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 管道極化電位和流入/出電流密度

采用試片斷電法測(cè)管道極化電位和流入/出電流密度。在管道測(cè)試樁處埋設(shè)1 cm2陰極保護(hù)檢查片(檢查片埋深與管道相同且與管道外壁水平間距300 mm)，檢查片通過(guò)測(cè)試樁與管道實(shí)施電連接。在試驗(yàn)開(kāi)始前，先關(guān)閉試驗(yàn)管段上下游范圍內(nèi)的恒電位儀、站內(nèi)外聯(lián)保和沿線排流設(shè)施，待管道去極化24 h后，利用uDL-2型數(shù)據(jù)記錄儀測(cè)檢查片的通/斷電電位和電流密度，通/斷周期為12 s/3 s，采樣頻率為1 s/次，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為24 h，測(cè)試示意如圖2所示。

圖2 管道極化電位和試片流入/出電流密度測(cè)試原理圖

1.3.2 軌地電位

采用uDL-1型數(shù)據(jù)記錄儀在A、B站OVPD的軌道側(cè)和接地側(cè)測(cè)試軌地電位。測(cè)試前將uDL-1型數(shù)據(jù)記錄儀的量程設(shè)置為高量程(+150 V/-150 V)，記錄儀紅色測(cè)試線連接至軌道端子母排，黑色測(cè)試線連接至接地網(wǎng)端子母排，采樣頻率為1 s/次，測(cè)試示意圖如圖3所示。

圖3 軌地電位測(cè)試示意

1.3.3 軌地間流經(jīng)電流

采用uDL-1型數(shù)據(jù)記錄儀在A、B站OVPD內(nèi)的分流器處測(cè)試軌地間流經(jīng)電流。測(cè)試前將uDL-1型數(shù)據(jù)記錄儀的量程設(shè)置為低量程(+150 mV/-150 mV)，記錄儀紅色測(cè)試線連接至分流器的軌道連接端子處，黑色測(cè)試線連接至接地網(wǎng)連接端子處，采樣頻率為1 s/次，測(cè)試示意圖如圖4所示。

圖4 軌地間流經(jīng)電流測(cè)試示意

2 結(jié)果與討論

2.1 軌地間流經(jīng)電流分布

不同OVPD工況下軌地間流經(jīng)電流參數(shù)如表2所示。其中，正向(入地)和負(fù)向(回流)電流10%峰值平均值是指將正向和負(fù)向電流分別按照絕對(duì)值遞減的順序進(jìn)行排列，取排序前10%的數(shù)值計(jì)算平均值，其計(jì)算方法參照標(biāo)準(zhǔn)CJJ/T49-2020《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》。當(dāng)A站OVPD合位后，該處軌地間流經(jīng)電流正/負(fù)向電流10%峰值平均值分別達(dá)到587.73 A和-584.63 A，電流極值更是高達(dá)1 115.83 A和-926.55 A，正向和負(fù)向電流值相當(dāng)。當(dāng)A站和B站的OVPD同時(shí)合位時(shí)，總的泄漏電流進(jìn)一步增大，正/負(fù)向電流10%峰值平均值分別增大至954.12 A和-802.07 A，電流極值達(dá)到1 784.89 A和-1 323.35 A。

表2 不同OVPD工況下軌地間流經(jīng)電流的參數(shù)

圖5為當(dāng)A、B站OVPD單獨(dú)合位與同時(shí)合位時(shí)，各站軌地間流經(jīng)電流分布變化趨勢(shì)。結(jié)果表明：相對(duì)于A、B站的OVPD單獨(dú)合位時(shí)，當(dāng)A、B站的OVPD同時(shí)合位時(shí)，A站軌地間流經(jīng)電流增大，但幅度不明顯，B站軌地間流經(jīng)電流則明顯減小，部分電流經(jīng)A站軌地電位裝置泄漏，這可能與B站的軌道絕緣水平和接地網(wǎng)電阻較A站相對(duì)較高有關(guān)(A站為地下隧道站，B站則為地面高架站)。

(a) B站

2.2 軌地電位變化分布

圖6和表3為A、B站OVPD均為分位和A站OVPD分位、B站OVPD合位兩種運(yùn)行工況下，A站軌地電位的分布曲線和分布統(tǒng)計(jì)表。結(jié)果表明，A、B站OVPD均分位時(shí)，A站軌地電位分布區(qū)間為-35.42～49.05 V，正/負(fù)向電位10%峰值平均值分別為28.08 V和-24.30 V，平均值分別為11.05 V和-9.01 V；B站OVPD合位后，A站軌地電位分布區(qū)間為-26.43～38.31 V，正/負(fù)向電位10%峰值平均值分別為22.59 V和-18.62 V，平均值分別為7.43 V和-6.51 V，較OVPD分位時(shí)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

圖6 A站軌地電位曲線

表3 A站軌地電位分布

在一個(gè)供電區(qū)間內(nèi)(A、B兩個(gè)牽引站之間區(qū)域)軌地電位的分布規(guī)律如圖7所示。在A、B站OVPD均分位情況下，列車啟動(dòng)時(shí)，兩端牽引站處的軌地電位均最負(fù)，列車車頭(動(dòng)態(tài)變化)處的軌地電位最正，列車制動(dòng)時(shí)，情況則剛好相反；當(dāng)一端OVPD合位時(shí)，合位處的軌地電位變?yōu)?，同時(shí)列車車頭處的軌電位幅值增大，另一端牽引站處的軌地電位也會(huì)隨之降低，但減小幅度有限；當(dāng)兩端OVPD都合位時(shí)，合位處的軌地電位均變?yōu)?，列車車頭處的軌地電位幅值進(jìn)一步增大，地鐵軌道泄漏的雜散電流也隨之增大[12,14]。雜散電流與OVPD的運(yùn)作狀態(tài)和軌地電位直接相關(guān)：當(dāng)OVPD合位時(shí)，軌道與接地網(wǎng)直接電連接，此時(shí)有大量的雜散電流泄漏；當(dāng)OVPD分地位時(shí)，雜散電流與軌地電位成正比，軌地電位越大雜散電流越大。因此，一個(gè)供電區(qū)間內(nèi)某一端OVPD合位時(shí)，另一端的軌地電位也會(huì)隨之降低，減小幅度有限，地鐵軌道沿線雜散電流分布呈現(xiàn)合位端急劇增大，中間車頭位置附近增大，另一端減小的整體變化趨勢(shì)；當(dāng)兩端的OVPD同時(shí)合位時(shí)，沿線雜散電流則呈現(xiàn)兩端急劇增大，中間車頭位置附近顯著增大的變化規(guī)律。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28026.2-2018《軌道交通地面裝置電氣安全、接地和回流 第二部分：直流牽引供電系統(tǒng)雜散電流的防護(hù)措施》和IEC 62128-2:2013 Railway applications-Fixed installations-Electrical safety, earthing and the return circuit-Part 2: Provisions against the effects of stray currents caused by d.c.traction systemsz的規(guī)定，運(yùn)營(yíng)期間A站正向軌地電位平均值大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值+5 V，雜散電流防護(hù)不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(a) 列車啟動(dòng)

2.3 管道電位和電流參數(shù)變化分布

當(dāng)OVPD處于4種不同工況下，管道沿線各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處雜散電流流入/流出時(shí)間比的變化趨勢(shì)如圖8所示。由圖8可知：地鐵正常運(yùn)行(A、B站OVPD均分位)時(shí)，管道沿線各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處雜散電流流入和流出時(shí)間分布較均勻，雜散電流流入時(shí)間占比略占優(yōu)；A站OVPD合位后，雜散電流流入/流出時(shí)間分布無(wú)明顯變化；而B(niǎo)站OVPD合位后，雜散電流流入時(shí)間占比則顯著增大，且增大幅度隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)與OVPD距離的增大而增大，在7#測(cè)試樁處達(dá)到最大，雜散電流流入時(shí)間約為流出時(shí)間的14.3倍；兩個(gè)站OVPD同時(shí)合位時(shí)，雜散電流流入/流出時(shí)間分布則近似呈現(xiàn)各站OVPD單獨(dú)合位影響的平均規(guī)律。由于測(cè)試時(shí)目標(biāo)管段上下游的恒電位儀均處于關(guān)閉狀態(tài)，可排除陰極保護(hù)電流對(duì)電流流入的貢獻(xiàn)；部分試片布置在遠(yuǎn)離干擾源側(cè)管道，部分試片則布置在臨近側(cè)，試片布置位置對(duì)雜散電流流入流出分布的影響有待進(jìn)一步的測(cè)試研究。

圖8 不同OVPD工況下管線沿線各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處雜散電流流入時(shí)間/流出時(shí)間比分布

將不同OVPD工況下管道沿線各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處管道電位與管道平穩(wěn)電位即無(wú)干擾時(shí)電位的差值(電位偏移量ΔE)、電流密度(J)等參數(shù)與正常運(yùn)行工況下(A、B站OVPD均分位)相應(yīng)的電位偏移量和電流密度等參數(shù)進(jìn)行比較，其參數(shù)比值的分布曲線如圖9所示。結(jié)果表明：OVPD合位后，對(duì)其約9 km范圍內(nèi)的管道影響較大，對(duì)其13 km外管道影響影響較小，管道離OVPD的距離越遠(yuǎn)，其受干擾程度越小。當(dāng)管道軌道交叉點(diǎn)臨近的OVPD合位時(shí)(如A站)，影響范圍內(nèi)的管道電位正/負(fù)向偏移量和流入/流出電流密度均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，雜散電流流入/流出時(shí)間分布無(wú)明顯變化，這主要是因?yàn)锳站OVPD合位后，牽引入地的電流增大，A站附近的陰極電場(chǎng)和陽(yáng)極電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)均增大所致。遠(yuǎn)處OVPD合位時(shí)(如B站)，管道雜散電流流出時(shí)間比例減小明顯，且在影響范圍內(nèi)減小幅度隨OVPD與管道測(cè)試點(diǎn)距離的增大而增大，約4 km外管道電位整體負(fù)向偏移，正向偏移和流出電流密度被抑制。這可能是因?yàn)锽站OVPD合位后，B站附近的陰極電場(chǎng)和陽(yáng)極電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)均增大，而由于雜散電流回流，A站附近增大的主要是陰極電場(chǎng)，此時(shí)管道受兩個(gè)位置電場(chǎng)的疊加影響，故離車站較近監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的管道電位正/負(fù)向波動(dòng)幅度均增大，而遠(yuǎn)處的管道主要起到匯流回流的作用，電位整體負(fù)移。由圖10可見(jiàn)，A站OVPD合位、B站OVPD分位時(shí)，5#和7#測(cè)試樁處的電位正負(fù)向波動(dòng)幅度均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，其中5#測(cè)試樁處波動(dòng)幅度最大。A站OVPD分位、B站OVPD合位時(shí)，電位波形呈現(xiàn)整體負(fù)移的趨勢(shì)，7#處最為明顯。A站和B站OVPD同時(shí)合位后，影響效果較平均，即約5 km范圍內(nèi)管道電位正/負(fù)向偏移量、總偏移量、流入/流出電流密度10%峰值平均值均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，5 km外，電位正向偏移量和流出電流密度被抑制。

(a) A站OVPD合位，B站OVPD分位 (b) A站OVPD分位，B站OVPD合位 (c) A、B站OVPD合位

(a) 5#測(cè)試樁 (b) 7#測(cè)試樁

圖11為3種不同OVPD工況下，管道沿線各監(jiān)測(cè)點(diǎn)電位正向偏移量比值和流出電流密度峰值比值分布。結(jié)果表明，A站OVPD合位對(duì)管道電位正向偏移量的影響大于B站OVPD合位。其原因在于A站OVPD合位后軌地間流經(jīng)的電流較B站大。同時(shí)，目標(biāo)站OVPD合位后，會(huì)分別在本站及其臨近兩個(gè)牽引站接地網(wǎng)處形成三個(gè)強(qiáng)的陰極電場(chǎng)。本站的陰極場(chǎng)由列車制動(dòng)時(shí)和本站回流的牽引電流所致，臨近站的陰極場(chǎng)由目標(biāo)站OVPD泄漏的電流回流所致。對(duì)管道電位正移的影響由以上三個(gè)陰極場(chǎng)疊加產(chǎn)生，A站OVPD合位后形成的三個(gè)陰極場(chǎng)距離管道的距離比B站OVPD合位后形成的三個(gè)陰極場(chǎng)近，因此A站的影響較B站大。流出電流密度峰值的變化規(guī)律與電位正向偏移類似，即A站OVPD合位后對(duì)流出電流密度峰值的影響大于B站；B站OVPD合位后，5～8#測(cè)試樁范圍內(nèi)流出電流密度峰值較正常運(yùn)行狀況小，這是因?yàn)榻?jīng)B站OVPD泄漏的電流經(jīng)管道匯流流出牽引所，離A站越遠(yuǎn)流出的概率越低，流出值也越小。A站和B站OVPD同時(shí)合位后，影響效果較平均。

(a) 電位正向偏移量比值 (b) 流出電流密度峰值比值

圖12為3種不同OVPD合位工況下，管道沿線各監(jiān)測(cè)點(diǎn)電位負(fù)向偏移量比值和流入電流密度峰值比值分布。除5#測(cè)試樁外，B站OVPD合位對(duì)電位負(fù)向偏移量和流入電流密度峰值的影響大于A站OVPD合位。這主要是因?yàn)?B站OVPD合位后，管道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處雜散電流流入的時(shí)間占比和電流密度幅值均較A站OVPD合位后大。而在5#測(cè)試樁處A站OVPD合位影響更大，這主要是因?yàn)?#測(cè)試樁離A站的距離遠(yuǎn)小于離B站的距離。A站和B站同時(shí)合位后，位于A站和B站之間的5#測(cè)試樁處，影響呈疊加效應(yīng)，位于A站和B站同一側(cè)的管道監(jiān)測(cè)點(diǎn)處，影響呈平均效應(yīng)。

圖12 不同OVPD工況下管道沿線各監(jiān)測(cè)點(diǎn)電位負(fù)向偏移量比值和流入電流密度峰值比值分布

3 結(jié)論

(1)A站OVPD合位后，該處軌地間流經(jīng)電流的正/負(fù)向電流10%峰值平均值分別高達(dá)587.73 A和-584.63 A。兩個(gè)站同時(shí)合位時(shí)，總電流的正/負(fù)向電流10%峰值平均值增大到954.12 A和-802.07 A。

(2)一個(gè)供電區(qū)間內(nèi)某一端OVPD合位時(shí)，另一端的軌地電位也會(huì)隨之降低，但減小幅度有限，地鐵沿線雜散電流分布呈現(xiàn)合位端急劇增大，中間車頭位置附近增大，另一端減小的整體變化趨勢(shì)；當(dāng)兩端的OVPD同時(shí)合位時(shí)，沿線雜散電流則呈現(xiàn)兩端急劇增大，中間車頭位置附近顯著增大的變化規(guī)律；正常運(yùn)行情況下，A站正向軌地電位平均值超出標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)OVPD合位后，對(duì)其約9 km范圍內(nèi)的管道影響較大，對(duì)其13 km外管道影響較小，管道離OVPD的距離越遠(yuǎn)，其受干擾程度越小。軌道與管道交叉點(diǎn)臨近的OVPD合位時(shí)，影響范圍內(nèi)的管道電位正/負(fù)向偏移量和流入/流出電流密度均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，雜散電流流入流出時(shí)間分布無(wú)明顯變化；遠(yuǎn)處OVPD合位時(shí)，管道雜散電流流出時(shí)間比例減小明顯，且減小幅度在影響范圍內(nèi)隨OVPD與管道測(cè)試點(diǎn)距離的增大而增大，約4 km外管道電位整體負(fù)向偏移，正向偏移和流出電流密度被抑制。

(4)軌道與管道交叉點(diǎn)臨近的OVPD合位后，對(duì)管道電位正向偏移和流出電流密度峰值影響大于遠(yuǎn)離交叉點(diǎn)的OVPD，對(duì)管道電位負(fù)向偏移和流入電流密度峰值的影響則相反，遠(yuǎn)離交叉點(diǎn)的OVPD合位的影響大于臨近的OVPD。

(5)對(duì)于管道電位負(fù)向偏移量和流入電流密度峰值，兩個(gè)站的OVPD同時(shí)合位后，位于兩車站線路中間的管段呈現(xiàn)各站OVPD單獨(dú)合位時(shí)影響的疊加效果，位于兩車站同側(cè)的管段則呈現(xiàn)影響的平均效果；對(duì)于管道電位正向偏移量和流出電流密度峰值，兩個(gè)站的OVPD同時(shí)合位后，管線沿線各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均呈現(xiàn)平均的影響效果。