地鐵車輛段對埋地鋼質管道的干擾及軌道對地過渡電阻的測試方法

吳廣春,王 燦,李 銘,姜乃良,馬雪莉,楊立君

(1. 安科工程技術研究院(北京)有限公司,北京 102200; 2. 國家管網集團山東省分公司,濟南 250098;3. 山東省中遠天然氣技術服務有限責任公司,濟南 250098)

地鐵檢修車輛段(簡稱車輛段)和運用停車場(簡稱停車場)由于軌道的絕緣等級相對較低(國內多個車輛段測試結果為0.1～0.2 Ω),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[1-5]。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的電流是單向導通的,導致場段源源不斷地吸收來自正線牽引所的電流,即使是場段內的牽引變電所斷電,流經出入段單向導通裝置的峰值電流也高達500～1 000 A,這會對附近的埋地金屬管道產生顯著的雜散電流干擾影響[6-7]。影響地鐵系統雜散電流的一個關鍵參數是軌道對地過渡電阻,目前,軌道對地過渡電阻的測試方法主要是依據標準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 systems》和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》,采用電壓電流法測量軌道對地過渡電阻,測試時需要事先對軌道進行分段電氣隔離,然而,在役軌道采用的是全線貫通的焊接鋼鋁復合軌,不具備電氣隔離的條件;雖然標準中也給出了一種無需分段隔離的測試方法,但測試結果只能反映測試點位置處的對地絕緣狀況,是一種單點測試方法,無法反映軌道整體的對地絕緣狀況,且測試計算過程復雜。考慮到軌道對地過渡電阻與埋地管道防腐層絕緣電阻的測試方法本質上是相同的(均屬于電壓電流法),故采用防腐蝕層絕緣電阻的測試方法測試軌道對地過渡電阻理論上是可行的,且防腐層絕緣電阻測試時無需對測試對象進行絕緣分段,這為在役軌道的對地過渡電阻測試創造了可操作性的前提,實際操作中可將一個供電區間內的軌道以均流線和回流電纜為界劃分為若干個區段,為區間內在役軌道的對地絕緣水平測試評估創造了可能。筆者以國內某地鐵車輛段及其臨近的埋地長輸管道為測試研究對象,開展車輛段內出入段單向導通裝置和庫內軌電位限制裝置不同運行工況下的地鐵和管道相關電參數的現場同步測試,通過對比分析明確了車輛段對埋地管道雜散電流干擾的影響;同時選取了某段在役地上軌道,探討了利用管道防腐蝕層絕緣電阻方法測試在役軌道對地過渡電阻的可行性,以期為國內外同行提供參考和借鑒。

1 現場測試

1.1 測試位置

1.1.1 車輛段對管道的干擾

以某地鐵車輛段和某長輸管道的1～6號測試樁為研究對象,管道與地鐵線路并行,離車輛段最近的管道監測點為2號測試點,距離為2.61 km,管道與地鐵正線段的最近距離為2.3 km,位于2～3號測試點之間,如下圖1所示;各監測點與車輛段的方位和距離見表1。圖2為車輛段內電氣結構簡圖,分別在停車庫、靜調庫和出入段處設置了兩臺單向導通裝置,布置于軌道的兩側,各股軌道間通過均流線連接在一起,庫內軌道流經的電流經庫前單導回流至變電所的負極,吸收的來自正線的雜散電流經出入段單導流回正線,庫內軌道經軌電位限制裝置與接地網連接,軌電位限制裝置的保護閾值設置為60 V。

圖1 管道各監測點與地鐵線路的相對位置Fig. 1 The relative positions of each monitoring point of the pipeline and the subway line

表1 管道各監測點與地鐵車輛段的方位和距離Tab. 1 The orientation and distance between each monitoring point of the pipeline and the subway depot

1.1.2 軌道對地過渡電阻

選取某試運行軌道的某地上車站站臺區域為測試對象,如圖3所示,上下行軌道出站臺區域后,左側分岔成四股軌道至停車場,右側至地下隧道段,各股軌道之間通過均流電纜連接,選取兩處均流電纜間無支路的軌道作為測試目標,即圖中ab段軌道,長度為143 m。軌道道床為砟石道床。

圖2 車輛段內電氣結構簡圖Fig. 2 Electrical structure diagram inside the depot

圖3 軌道對地過渡電阻測試位置示意Fig. 3 Schematic of testing location of rail transition resistance to ground

1.2 測試工況與參數

地鐵車輛段對埋地管道干擾影響涉及4種運行工況:(1) 出入段單導正常運行和庫內OVPD分閘;(2) 出入段單導正常運行和庫內OVPD合閘;(3) 出入段單導拆除和庫內OVPD分閘;(4) 出入段單導拆除和庫內OVPD合閘。測試時間段選為相同發車頻率時間段,測試期間車輛段混合變電所處于斷電狀態,即車輛段自身的牽引供電系統不工作,每種工況的測試時間為2 h。

測試參數包括:管道極化電位、試片流入/出電流密度、軌道對地電位、單導流經電流、庫內OVPD流經電流和軌道對地過渡電阻。

1.3 測試方法

1.3.1 管道極化電位和試片流入/出電流密度

采用試片斷電法進行測試,在試驗開始前,先關閉試驗管段上下游范圍內的恒電位儀、站內外聯保和沿線排流設施,待管道去極化24 h后,在管道測試樁處埋設1 cm2陰極保護檢查片,檢查片埋深與管道同深,與管道外壁水平間距300 mm,通過測試樁與管道實施電連接,待試片極化24 h后,利用uDL2 Micro Data Logger數據記錄儀測試試片的通/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,測試時長為24 h,測試示意圖如下圖4所示。

圖4 管道極化電位和試片流入/出電流密度測試原理Fig. 4 Schematic diagram of principle of pipeline polarization potential and test piece inflow/outflow current density testing

1.3.2 軌地電位

分別測量庫內軌道、庫外軌道和正線軌道的軌地電位,且庫內軌道和庫外軌道的軌地電位測試原理如圖5所示。正線軌道軌地電位在出入段單導的“正線軌道”母排端子處測試。采用uDL1 Micro Data Logger型數據記錄儀進行連續監測,測試前將uDL1 Micro Data Logger型數據記錄儀的量程設置為高量程(+150 V/-150 V),記錄儀紅色測試線連接至軌道端子母排,黑色測試線連接至便攜式硫酸銅參比電極(CSE),采樣頻率為1 s。

圖5 軌地電位測試原理圖Fig. 5 Principle diagram of rail potential to ground monitoring test

1.3.3 軌地間流經電流

采用uDL1 Micro Data Logger型數據記錄儀在軌電位限制裝置內的分流器處進行測試, 測試前將uDL1 Micro Data Logger型數據記錄儀的量程設置為低量程(+150 mV/-150 mV),記錄儀紅色測試線連接至分流器的軌道連接端子處,黑色測試線連接至接地網連接端子處,采樣頻率為1 s。

1.3.4 單向導通裝置流經電流

單導內部設置有6個子路分流器和1個總線路分流器,采用uDL1 Micro Data Logger型數據記錄儀在總分流器處進行測試, 測試前將uDL1 Micro Data Logger型數據記錄儀的量程設置為低量程(+150 mV/-150 mV),記錄儀紅色測試線連接至分流器的庫內軌道連接端子處,黑色測試線連接至正線軌道連接端子處,采樣頻率為1 s/次,測試示意圖如下圖6所示。

圖6 單導流經電流測試原理圖Fig. 6 Principle diagram of current test flowed through single-phase conduction device

1.3.5 軌道對地過渡電阻

(1) 按照圖7所示布置測試設備,測試點a距離通電點應不小于50 m,參比電極距離測量點應不小于30 m;在軌道一端通過穩壓直流電源施加電流,在電流回路中安裝同步斷路器,通/斷周期設置為:通電12 s,斷電3 s。

圖7 軌道對地過渡電阻測試原理圖Fig. 7 Principle diagram of rail transition resistance to ground testing

(2) 測量ab段的長度,確保測量段內無其他電流支路。

(3) 測量軌道上各測量點的通斷電電位,按式(1)計算電位變化量。

ΔVa=Va·on-Va·off

(1)

式中:ΔVa為a測量點的通/斷電位差(V);ΔVa·on為a測量點的通電電位(V);ΔVa·off為a測量點的斷電電位(V)。

兩個測量點的電位差比可按式(2)計算,比值應為0.625～1.6,不滿足要求時應在兩點之間再增加一處或多處測量點。

(2)

式中:K為第1測量段的電位差比率;ΔVa為a測量點的通/斷電位差(V);ΔVb為b測量點的通/斷電位差(V)。

(4) 利用電流環法測量各測量點處通電狀態和斷電狀態下的流經電流,其通/斷狀態下的電流量應有明顯的變化,測量點的軌道內電流按式(3)計算。

ΔIa=Ia·on-Ia·off

(3)

式中:ΔIa為a測量點的電流(A);ΔIa·on為a測量點的通電狀態下的電流(A);ΔIa·off為a測量點的斷電狀態下的電流(A)。

(5) 各測量段的平均通/斷電位差ΔV1和電流漏失量ΔI1可分別按式(4)和(5)計算。

(4)

ΔI1=ΔIa-ΔIb

(5)

式中:ΔV1為測量段的平均通/斷電位差(V);ΔI1為測量段的電流漏失量(A)。

(6)測量段軌道的電阻按式(6)計算。

(6)

(7) 測量段軌道的對地過渡電阻按式(7)計算。

(7)

式中:ωr-c為測量段軌道的對地過渡電阻(Ω·km);R1為測量段軌道的電阻(Ω);L為測試段長度(m)。

2 結果與討論

2.1 軌電位變化分布

由圖8可知:庫內和庫外軌電位曲線基本重合,庫內軌道正向軌電位稍正于庫外軌電位,原因在于單向導通裝置晶閘管的正向導通阻抗,均小于正線軌電位且與正線軌電位呈現反向對稱的關系。

圖8 正常運行工況下的軌電位Fig. 8 Diagram of rail-to-ground potential under normal operation condition

由圖9可見:出入段單導正常運行和庫內OVPD分閘工況下,正線、庫外和庫內軌道的軌電位正向平均值均大于標準要求值5 V;出入段單導拆除和庫內OVPD分閘工況下軌電位正向平均值均小于5 V,軌電位降低明顯;此時,合閘庫內軌電位限制裝置,軌電位進一步減小;在前序工況的基礎上重新投用單導后,由于雜散電流量增加,軌電位有所抬升。

(a) 庫內軌道 (b) 庫外軌道 (c) 正線軌道圖9 4種運行工況下軌電位分布圖Fig. 9 Diagram of rail-to-ground potential under four different operation conditions: (a) tracks inside the parking garage; (b) tracks outside the parking garage; (c) main track

2.2 單導和庫內軌電位限制裝置流經電流的變化情況

單導(庫前單導和出入段單導)和庫內軌電位限制裝置流經的電流采用GPS同步測試,同步時間誤差小于0.1 s,表2和表3為四種工況下,單向導通裝置和庫內軌電位限制裝置流經電流統計結果,表2數據按照遞增或遞減的原則進行排序,取排序前10%的數據的平均值稱為“10%峰值平均值”。可以看出:(1) 正常工況下,出入段單向導通裝置流經的電流極值可達247.16 A,庫前單導流經的電流平均值約為出入段單導的1.36倍,當庫內軌電位限制裝置合閘時,庫前單導流經的電流平均值約為出入段單導的2.08倍;這說明雜散電流主要被庫內軌所吸收,經庫內外單導和出入段單導回流至正線,但單導并非雜散電流的唯一通道;由于車輛段內的軌道對地絕緣水平較差,一部分電流經庫外軌道→土壤→正線軌道的路徑返回正線;(2) 當出入段單導被拆除而庫內軌電位限制裝置合閘時,仍然有極值可達308.81 A的電流流經庫前單導;只有當出入段單導雙向截斷且庫內軌電位限制裝置分閘時,車輛段內的雜散電流量才會顯著減小至0附近;車輛段內雜散電流量主要受出入段單導和庫內軌電位限制裝置的影響,單純將傳統單導換成智能單導(具備僅列車通過絕緣節時導通平時雙向截斷特性的新型單向導通裝置)并不能完全解決車輛段的雜散電流問題。

表2 單向導通裝置流經電流分布統計結果Tab. 2 Current through single-phase conduction device

2.3 管道電位和電流參數變化分布

由圖10可見:沿線各監測點處雜散電流均以流入占主導,各種工況下,試片雜散電流流入和流出分布無明顯變化。

由圖11可見:三種工況下,管道電位偏移量和流入/流出雜散電流密度與正常運行工況下無明顯差異,說明本案例中出入段單導和庫內軌電位限制裝置對埋地管道的干擾影響范圍小于2.6 km。

表3 庫內軌電位限制裝置流經電流分布統計結果Tab. 3 Current through OVPD inside the parking garage

圖10 四種工況下管線沿線各監測點處雜散電流流入時間/流出時間分布變化曲線Fig. 10 Distribution curve of the time ratio between stray current inflow and outflow in the pipeline monitoring points

2.4 軌道的對地過渡電阻

由表4可見:一行軌道的平均對地過渡電阻分別為0.44 Ω·km和0.50 Ω·km,未達到標準要求(標準要求值為15 Ω·km);考慮到該測試軌道段緊鄰地鐵停車場且采用與停車場軌道相同的砟石道床(砟石道床軌道的對地絕緣水平往往由于潮濕等因素的影響而小于混凝土整體道床),測試結果與其他學者的測試結果相近(國內多個車輛段測試結果為0.1～0.2 Ω)[2-4],結合以上特征可認為本測試方法有效可行,可用于在役軌道的對地過渡電阻測試。

3 結論與建議

(1) 具備雙向截斷特性的智能單導可有效降低車輛段內的雜散電流水平,雙向截斷后,正線、庫外和庫內軌道的軌電位正向平均值均減小至5 V以下。

(2) 車輛段內的雜散電流水平受單導特性和庫內軌道接地方式影響,僅將出入段單導從傳統的單向導通型轉變成智能的雙向截斷型并不能完全解決車輛段的雜散電流問題,只有當出入段單導雙向截斷且庫內OVPD分閘時,雜散電流幅值才接近于0。

表4 軌道對地過渡電阻Tab. 4 Rail transition resistance to ground testing

(3) 本案例中車輛段內單導和庫內接地對埋地管道的雜散電流干擾影響范圍小于2.6 km。

(4) 埋地管道防腐層絕緣電阻的測試方法與IEC 62128.2:2013和GB/T 28026.2-2018推薦的軌道對地過渡電阻測試方法本質上是相同的,均屬于電壓電流測試法;利用埋地管道防腐層絕緣電阻的測試方法測試在役軌道對地過渡電阻經驗證是可行的。