獨(dú)立四軌回流系統(tǒng)對埋地管道直流干擾測試

張 坤，田 慶，張 豪，祖 健，李松原，劉 煒

0 引言

近年來，城市軌道交通發(fā)展迅速，線路與埋地金屬管道相鄰或交錯(cuò)的情況時(shí)有發(fā)生，采用走行軌回流的直流牽引供電系統(tǒng)存在鋼軌電位與雜散電流問題，產(chǎn)生的雜散電流對埋地金屬管道的干擾腐蝕問題日益突出。目前的雜散電流腐蝕防護(hù)系統(tǒng)主要采用增加鋼軌對地過渡電阻、降低鋼軌本體電阻、提高接觸網(wǎng)電壓減小鋼軌回流大小等方法。上述方法可以起到一定的防護(hù)效果，通常成本太高或無法從根本上徹底解決問題。

文獻(xiàn)[1]以埋地燃?xì)夤艿朗艿罔F雜散電流干擾的實(shí)測結(jié)果為基礎(chǔ)，從干擾的程度和范圍進(jìn)行考慮，分析了管道、地鐵的相對位置對雜散電流干擾的影響。文獻(xiàn)[2]結(jié)合地鐵附近航油輸送管道檢測結(jié)果，對不同防護(hù)措施效果展開了研究。文獻(xiàn)[3]利用函數(shù)擬合的方法得到高壓直流接地極雜散電流與管道金屬腐蝕量的關(guān)系。文獻(xiàn)[4]分析了高壓直流輸電系統(tǒng)對埋地金屬管道的干擾機(jī)理、危害以及相應(yīng)的緩解措施，梳理了高壓直流輸電系統(tǒng)對埋地金屬管道干擾的測試方法，并討論了高壓直流輸電系統(tǒng)對埋地金屬管道干擾的計(jì)算方法。文獻(xiàn)[5]闡述通過在高壓直流接地極附近的多條埋地管道安裝電位監(jiān)測裝置，對管道電位進(jìn)行長時(shí)間連續(xù)監(jiān)測，得出接地極與管道的垂直距離越短、靠近接地極端雜散電流流入流出的管段越短，其對遠(yuǎn)離接地極端的管道的干擾程度越大、干擾范圍越廣的結(jié)論。文獻(xiàn)[6]以某直流接地極及其附近天然氣管道為例，基于測試結(jié)果，分析管道位置、接地極入地電流對管道受雜散電流干擾的影響。高壓直流輸電系統(tǒng)與直流牽引供電系統(tǒng)作為雜散電流的源頭，存在明顯的差異，但高壓直流輸電系統(tǒng)雜散電流對管道干擾的研究可以作為直流牽引供電系統(tǒng)雜散電流對管道干擾研究的參考。

鄭許線與多處燃?xì)夤艿澜诲e(cuò)，為避免雜散電流對埋地金屬管道的干擾和腐蝕，該線采用獨(dú)立四軌回流系統(tǒng)[7-9]。為驗(yàn)證采用獨(dú)立四軌回流系統(tǒng)的城市軌道交通系統(tǒng)對埋地燃?xì)夤艿赖母蓴_情況，對鄭許線開通前后周邊燃?xì)夤艿罍y試點(diǎn)進(jìn)行測試。

1 測試方法和測試儀器

雜散電流作用下的埋地金屬管道會(huì)受到電化學(xué)腐蝕，電化學(xué)腐蝕具有集中性的特點(diǎn)，而且腐蝕程度更為嚴(yán)重。雜散電流對埋地金屬管道的干擾如圖1 所示。

圖1 雜散電流對埋地金屬管道干擾示意圖

埋地金屬管道在雜散電流的作用下，可根據(jù)電流的流向分為陽極區(qū)和陰極區(qū)。其中，雜散電流流出管道的區(qū)域?yàn)殛枠O區(qū)，管道失去電子發(fā)生腐蝕；雜散電流流入管道的區(qū)域?yàn)殛帢O區(qū)，陰極區(qū)一般不會(huì)受到電化學(xué)腐蝕，但陰極區(qū)電位過負(fù)會(huì)導(dǎo)致金屬管道的析氫反應(yīng)，進(jìn)而造成防腐層剝落。

1.1 測試方法

雜散電流對埋地管道的腐蝕本質(zhì)上是電化學(xué)腐蝕，可以通過地電位和土壤中電流的變化來確定。常用的試驗(yàn)方法有：管地電位試驗(yàn)、密距電位試驗(yàn)、大地電位梯度試驗(yàn)、管內(nèi)電流試驗(yàn)等。本次測試采用管地電位測試和管道附近大地電位梯度測試的方法。

1.1.1 管地電位測試

管地電位是指天然氣管道與參比電極之間的電位差。GB/T 21246—2020 給出測試方法和測試原理[10]，其中對測量儀表、參比電極、測量要求、電位極性均作出了明確規(guī)定。陰極防護(hù)管道測試原理如圖2 所示。本次測試中的管道施加了陰極保護(hù)，采用施加陰極防護(hù)管道管地電位測試方法。

圖2 陰極防護(hù)管道管地電位測量接線

1.1.2 大地電位梯度測試

土壤電位梯度是由流過土壤的電流形成的電位，采用雙參比電極法測試。在GB 50991—2014中對地電位梯度的檢測作了明確的規(guī)范[11]，檢測原理如圖3 所示。2 組參比電極等間距十字交叉分布，依據(jù)國標(biāo)規(guī)定，2 只參比電極的間距不宜小于20 m。通過2 組參比電極電位合矢量，可以得到土壤電位梯度的大小和方向。水平與垂直方向的地電位梯度分別為該方向電位大小除以對應(yīng)參比電極之間的距離。

圖3 十字交叉法測電位梯度原理

1.2 測試設(shè)備

軌道交通系統(tǒng)的雜散電流泄漏與機(jī)車的位置和加速度有關(guān)。雜散電流的動(dòng)態(tài)變化對測試系統(tǒng)的頻率和精度提出了更高的要求。本文采用軌道回流系統(tǒng)參數(shù)智能測試裝置（PRRSP），實(shí)時(shí)顯示測試數(shù)據(jù)并自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集頻率為2 Hz。該監(jiān)測系統(tǒng)由參比電極、測試模塊、PC 機(jī)和連接線組成，測試誤差為0.1%。

1.3 直流干擾的判定標(biāo)準(zhǔn)

GB 50991—2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求針對直流牽引系統(tǒng)為直流干擾源的調(diào)查測試應(yīng)包括鐵軌附近地電位梯度，并通過地電位梯度判斷土壤中雜散電流強(qiáng)弱。地電位梯度與雜散電流強(qiáng)弱的關(guān)系如表1 所示。

表1 地電位梯度與雜散電流干擾強(qiáng)度的關(guān)系

GB/T 19258—2014《埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護(hù)工程檢驗(yàn)》中規(guī)定，如果管道已經(jīng)施加陰極保護(hù)且無法關(guān)閉，或者發(fā)現(xiàn)有雜散電流源，但無法判定是直流或交流時(shí)，可測試管地電位波動(dòng)值。干擾程度的評(píng)價(jià)見表2 所示。

表2 特殊情況下干擾程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)

2 測試結(jié)果

選取鄭許線附近的6 處燃?xì)夤艿罍y試樁進(jìn)行連續(xù)24 h 管地電位和大地電位梯度的測試。土壤電位梯度測試的2 個(gè)參比電極間距為20 m。測試點(diǎn)分布見圖4，分布基本覆蓋鄭許線鄭州段全線。

圖4 測試點(diǎn)分布

2.1 鄭許線開通前測試

鄭許線開通之前，測試時(shí)間安排在鄭許線施工建設(shè)期間，此時(shí)線路上沒有列車運(yùn)行，牽引變電所無負(fù)荷，回流軌無電流。同一測試點(diǎn)的管地電位和地電位梯度測試為同步測試。

2.1.1 管地電位測試

鄭許線與高速鐵路相鄰，周邊燃?xì)夤艿朗芙涣麟s散電流和直流雜散電流的共同影響，利用管地電位波動(dòng)范圍對管道受雜散電流干擾程度進(jìn)行判斷。開通前測試點(diǎn)埋地輸氣管道電位測試結(jié)果平均值、波動(dòng)幅度、干擾程度如表3 所示。

表3 開通前管地電位測試結(jié)果

因這些測試點(diǎn)位的燃?xì)夤艿乐饕_啟了管道的陰極保護(hù)，且管道周邊有高鐵線路會(huì)產(chǎn)生交流雜散電流，管道受到直流雜散電流和交流雜散電流的共同干擾。由于管道受陰極保護(hù)程度較高，在24 h測試階段管道電位均為負(fù)，受腐蝕的可能性較小，腐蝕程度較低。

圖5 所示為開通前2號(hào)測試點(diǎn)的管地電位測試結(jié)果，在23：00—次日4：00 時(shí)段，交流雜散電流較小，管地電位的波動(dòng)范圍較小，其余時(shí)間管地電位波動(dòng)較大，這與鐵路運(yùn)行和停運(yùn)的時(shí)間特征相吻合。本次測試時(shí)間為鄭許線開通之前，管道所受雜散電流干擾與鄭許線無關(guān)。背景調(diào)查顯示，該測試點(diǎn)周邊存在多條高速鐵路和城際鐵路線路，推斷本次測試中管地電位受交流干擾影響。

圖5 開通前2 號(hào)測試點(diǎn)管地電位測試結(jié)果

2.1.2 大地電位梯度測試

在測試過程中，將北方向和東方向視為正方向，南方向和西方向視為負(fù)方向，分別計(jì)算南北方向和東西方向的大地電位大小的平均值，最后對4 個(gè)象限的地電位進(jìn)行合成后得到和矢量坐標(biāo)。東西與南北方向的地電位梯度分別為該方向電位大小除以對應(yīng)參比電極之間的距離。表4 所示為開通前大地電位梯度的測試結(jié)果。

表4 開通前地電位梯度測試結(jié)果 mV/m

地電位梯度測試結(jié)果為直流雜散電流造成的直流干擾。開通前大地電位梯度的強(qiáng)度除測試點(diǎn)6之外均為一般，測試點(diǎn)6 距離鄭許線相對較遠(yuǎn)，約為2 km，因此地電位梯度強(qiáng)度較弱。圖6 所示為2號(hào)測試點(diǎn)的地電位梯度波形。

圖6 開通前2 號(hào)測試點(diǎn)地電位壓降

2.2 鄭許線開通后測試

鄭許線開通后，在相同測試點(diǎn)進(jìn)行第2 次管地電位和大地電位梯度的同步測試。此時(shí)，線路上有列車運(yùn)行，牽引變電所帶負(fù)荷運(yùn)行，回流軌有電流通過。

2.2.1 管地電位測試

開通后管地電位的平均值和波動(dòng)幅度的測試結(jié)果如表5 所示。并參照表2 的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)對管地電位的受干擾程度進(jìn)行評(píng)判。

表5 開通后管地電位測試結(jié)果

開通后管地電位測試結(jié)果表5 和圖7 顯示管地電位存在日間波動(dòng)較大，夜間波動(dòng)較小的情況。開通后和開通前管地電位測試結(jié)果相差較大，推測產(chǎn)生較大差別的原因可能是管道陰極保護(hù)存在一定的波動(dòng)，鄭許線周邊的高速鐵路、城際鐵路等鐵路網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生交流干擾，對周邊的管地電位產(chǎn)生影響，管道陰極保護(hù)的運(yùn)行效果受到影響。且開通前測試時(shí)鄭州正值夏季高溫干旱，土壤電阻率較高。開通后測試時(shí)鄭州雨水較為充沛，土壤電阻率較低導(dǎo)致。

圖7 開通后2 號(hào)測試點(diǎn)管地電位

2.2.2 大地電位梯度測試

將北方向和東方向視為正方向，南方向和西方向視為負(fù)方向，分別計(jì)算各象限地電位梯度的平均值，東西與南北方向的地電位梯度分別為該方向電位大小除以對應(yīng)參比電極之間的距離。對照表6 分析地電位梯度強(qiáng)度。

表6 開通前地電位梯度測試結(jié)果 mV/m

對比鄭許線開通前后2 次測試結(jié)果顯示，測試點(diǎn)1 的地電位梯度減小了31.11%，測試點(diǎn)2 的地電位梯度增加了18.49%，測試點(diǎn)3 的地電位梯度減小了77.33%，測試點(diǎn)4 的地電位梯度減小了70.55%，測試點(diǎn)5 的地電位梯度減小了26.76%，測試點(diǎn)6 的地電位梯度增加了46.15%，地電位梯度的強(qiáng)度出現(xiàn)增加或減少，開通后未出現(xiàn)明顯增加趨勢。由于鄭許線采用獨(dú)立四軌回流系統(tǒng)，回流軌對地過渡電阻較高，直流雜散電流泄漏較小，所以前后2 次的測試結(jié)果影響不大。圖8 所示為2 號(hào)測試點(diǎn)的地電位波形。

圖8 開通后2 號(hào)測試點(diǎn)地電位壓降

3 結(jié)語

本文對鄭許線地鐵周邊6 個(gè)燃?xì)夤艿罍y試樁進(jìn)行了管地電位和大地電位梯度的測試實(shí)驗(yàn)，研究了鄭許線雜散電流對附近埋地輸氣管道的干擾。

對比鄭許線開通運(yùn)行前后2 次測試結(jié)果顯示，地電位梯度的強(qiáng)度出現(xiàn)增加或減少，開通后未出現(xiàn)明顯增加趨勢。但對管地電位的測量研究表明，管地電位受直流雜散電流和交流雜散電流共同作用，導(dǎo)致鄭許線管地電位開通前后2 次實(shí)驗(yàn)結(jié)果差別較大。

通過對地電位梯度的分析，綜合本次實(shí)驗(yàn)的前后2 次測試結(jié)果，鄭許線采用獨(dú)立四軌回流系統(tǒng)，開通前后對燃?xì)夤艿赖闹绷鞲蓴_基本無影響。