肖 嵩,姜子濤,童清福,王宏新,李勃聰,陳 程,

(1. 武漢市天然氣有限公司，武漢 430030； 2. 中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249;3. 安科工程技術(shù)研究院(北京)有限公司，北京 100083)

至2018年武漢建成并投入運營的軌道交通線路有10條，總運營里程達(dá)288 km，同時作為遠(yuǎn)城區(qū)和中心城區(qū)重要的交通補(bǔ)充，建設(shè)了3條有軌電車，基本形成“主城聯(lián)網(wǎng)、新城通線”的軌道交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。運行軌道作為其牽引供電回路的一部分，有電流流過，而鐵軌與大地不能做到完全絕緣，因此部分電流會流入大地形成雜散電流，對埋地金屬管道造成動態(tài)干擾[1]。

國內(nèi)外關(guān)于埋地管道受雜散電流干擾方面的報道很多，CASAS等[2]介紹了管道系統(tǒng)與芝加哥交通管理局(CTA)鐵路系統(tǒng)的聯(lián)合測試案例，對一條輸水管道的管軌電位和管地電位進(jìn)行同步監(jiān)測，分析獲得受雜散電流干擾最大點的位置。近幾年，國內(nèi)相關(guān)單位圍繞地鐵雜散電流干擾開展了相關(guān)工作。孟思慶等[3]對深圳地鐵雜散電流干擾下的輸水管道進(jìn)行檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)雜散電流干擾程度與地鐵和管道的相對位置有一定的關(guān)系，不同材質(zhì)的管道抗干擾能力也不相同；王新華等[4]在實驗室搭建動態(tài)雜散電流加速腐蝕試驗平臺，研究了雜散電流的時變規(guī)律，管地電位變化特征，同時研究了土壤酸堿度、土壤電導(dǎo)率、雜散電流頻率、雜散電流密度對腐蝕速率的影響，并建立了腐蝕速率計算的數(shù)學(xué)模型；周宇等[5]對軌道交通動態(tài)雜散電流產(chǎn)生的機(jī)理和特點進(jìn)行了分析，針對雜散電流動態(tài)特性及現(xiàn)場測試的干擾因素，引入傅里葉分析對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果表明傅里葉分析對城市動態(tài)雜散電流干擾數(shù)據(jù)處理有效。

動態(tài)波動是地鐵雜散電流干擾的一個重要特征。動態(tài)腐蝕試驗結(jié)果顯示，動態(tài)干擾下腐蝕速率不再遵循法拉第定律，而是與動態(tài)干擾周期存在很大的相關(guān)性。美國標(biāo)準(zhǔn)委員會曾開展過一項研究工作，結(jié)果顯示動態(tài)腐蝕速率隨干擾周期的增大呈現(xiàn)增大的趨勢[6]。目前對于有軌電車雜散電流的動態(tài)特征研究較少，并且對于軌道交通特別是有軌電車雜散電流干擾造成的波動周期范圍并沒有系統(tǒng)的研究。故本工作對武漢軌道交通(特別是有軌電車)雜散電流干擾下燃?xì)夤艿拦艿仉娢徊▌忧闆r進(jìn)行了統(tǒng)計分析，總結(jié)不同干擾源雜散電流對燃?xì)夤艿拦艿仉娢桓蓴_的波動特征，同時利用傅里葉變換掌握動態(tài)干擾下燃?xì)夤艿拦艿仉娢坏牟▌又芷诜秶筒▌臃?，為進(jìn)一步評估動態(tài)干擾下管道的腐蝕規(guī)律提供參考。

1 測試方法

根據(jù)GB/T 21246-2007《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測量方法》規(guī)定的埋地管道管地電位測量方法，采用cortalk-uDL2 Data Logger電位數(shù)據(jù)記錄儀和飽和硫酸銅參比電極(以下電位都相對于參比電位)，對武漢不同區(qū)域的城市埋地燃?xì)夤艿赖墓艿仉娢?包括通電電位和斷電電位)和電流密度進(jìn)行24 h連續(xù)監(jiān)測：通電電位和電流密度每秒測1次；斷電電位測試以15 s為一個周期，每個周期內(nèi)通電12 s，斷電3 s，在斷電后300 ms內(nèi)測試斷電電位。

此次監(jiān)測獲得了漢陽有軌電車T1線、輕軌1號線、地鐵2號線、地鐵3號線、地鐵6號線、地鐵8號線和地鐵陽邏線共27組數(shù)據(jù)。其中，有軌電車T1線采用超級電容車，全線采用無接觸網(wǎng)供電方式，僅在車站設(shè)置充電設(shè)備，通過牽引降壓變電所，將10 kV交流電降壓整流變?yōu)? 500 V直流電，供給有軌電車；武漢地鐵交通線路中，1號線、2號線、3號線、4號線、8號線、陽邏線采用的是第三軌供電 (其中8號線和陽邏線第三軌電壓為1 500 V，其余為750 V)，6號線采用的是接觸網(wǎng)供電，電壓為1 500 V。在運行過程中，軌道交通會向周圍土壤環(huán)境中泄放雜散電流，對附近的埋地燃?xì)夤艿涝斐蓜討B(tài)直流干擾，導(dǎo)致管地電位的劇烈波動。

利用SAS公司的JMP軟件對燃?xì)夤艿赖墓艿仉娢徊▌宇l率、分布、波動幅值等動態(tài)特征進(jìn)行了分析，通過快速傅里葉變換(FFT)獲得不同軌道交通線路干擾下燃?xì)夤艿赖耐婋娢活l譜密度圖和通電電位波動幅度占比直方圖，并對不同軌道交通干擾下管地電位波動特征、通電電位進(jìn)行了對比分析，總結(jié)了不同軌道交通線路雜散電流干擾下武漢燃?xì)夤艿拦艿仉娢粍討B(tài)波動規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

城市軌道交通雜散電流干擾下燃?xì)夤艿赖墓艿仉娢怀尸F(xiàn)動態(tài)波動特征。對24 h監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，總結(jié)雜散電流干擾下管地電位的波動特征?；陔s散電流干擾程度，結(jié)合不同干擾因素如管道與地鐵相對位置、不同干擾源的影響等，對動態(tài)雜散電流干擾規(guī)律進(jìn)行了研究。由于現(xiàn)場條件復(fù)雜，在對比同類干擾因素時，應(yīng)盡量選擇受其他干擾因素影響較小的測試點以及數(shù)據(jù)。

2.1 干擾的特征分析

1#測試點與有軌電車車站平行間距為28 m，與地鐵3號線平行間距為1 km。由圖1可見，當(dāng)有軌電車與地鐵同時運行時(6∶00～20∶40)，其通、斷電電位及電流密度波動劇烈；當(dāng)只有地鐵運行時(20∶40～00∶00)，波動幅度減??；當(dāng)有軌電車與地鐵都停運時(00∶00～5∶00)通、斷電電位和電流密度均趨于平穩(wěn)。其夜間斷電電位在-0.88 V左右，電流密度趨近與0。監(jiān)測點的通、斷電電位均符合典型的軌道交通雜散電流干擾特征，即在軌道交通運行時間段，通、斷電電位均波動劇烈，當(dāng)軌道交通停運時，通、斷電電位均趨于穩(wěn)定。

(a) 管地電位 (b) 電流密度圖1 1#測試點24 h監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig. 1 Monitoring data of the test point No. 1 for 24 h: (a) pipe-to-soil potentials; (b) current densities

參考澳大利亞AS2832.1-2015標(biāo)準(zhǔn)(Cathodic Protection of Metals,Part1:Pipes and Cables)統(tǒng)計不同區(qū)間斷電電位和電流密度的相對占比和累積占比，以便于對地鐵雜散電流干擾下陰極保護(hù)管線進(jìn)行風(fēng)險評價。圖2為1#測試點斷電電位和電流密度的頻數(shù)分布。結(jié)果表明，斷電電位正于-0.85 V的時間占53.2%，電流密度正時為電流流入，負(fù)時為電流流出，其中電流流出的時間占48.9%。

由圖1和圖2結(jié)果可見，此段管道極化電位正于保護(hù)電位的時間比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電流流出的時間比例也較高，說明此段管道受到動態(tài)直流干擾嚴(yán)重。

(a) 斷電電位 (b) 電流密度圖2 1#測試點斷電電位和電流密度頻數(shù)分布Fig. 2 Frequency distribution of power-off potential and current density of the test post No. 1

2.2 干擾風(fēng)險評價

表1為武漢天然氣動態(tài)直流干擾風(fēng)險評估結(jié)果。現(xiàn)場27個點的測試數(shù)據(jù)參照澳大利亞AS2832.1-2015標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評估。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除7個點的動態(tài)直流干擾風(fēng)險較低外，其余20個點的干擾風(fēng)險均不同程度偏高。可以看出，在目前狀態(tài)下，大部分管道的直流干擾風(fēng)險較大，需要對管道采取動態(tài)直流干擾的防護(hù)措施。

2.3 波動周期規(guī)律分析

由圖3可知，武漢有軌電車T1線進(jìn)出站時，附近管道管地電位呈間歇式周期波動規(guī)律。其中，管地電位發(fā)生明顯波動的時間在70～80 s，而電位穩(wěn)定時間約60 s，整個間歇期為130～140 s，與有軌電車運行周期基本一致，管地電位波動主要發(fā)生在有軌電車進(jìn)站充放電階段，當(dāng)有軌電車出站運行時電位趨于穩(wěn)定；而輕軌和地鐵并沒有引起明顯的波動間歇期。

表1 武漢天然氣管道動態(tài)直流干擾風(fēng)險評估結(jié)果Tab. 1 Risk assessment results of dynamic DC interference in Wuhan natural gas pipelines

表1(續(xù))

(a) 有軌電車T1(b) 輕軌1號線(c) 地鐵2號線

(d) 地鐵6號線(e) 地鐵8號線(f) 地鐵3號線(g) 地鐵陽邏線圖3 不同軌道交通雜散電流干擾下管道的通電電位展開Fig. 3 Development view of switch-on potentials of pipeline under interference of stray current from different railways: (a) tram; (b) light rail line 1; (c) metro line 2; (d) metro line 6; (e) metro line 8; (f) metro line 3; (g) metro line Yangluo

武漢有軌電車為超級電容有軌電車，全線為無接觸網(wǎng)供電方式，僅在車站設(shè)置充電設(shè)備，以高能超級電容作為儲能元件，為牽引及輔助系統(tǒng)提供電力供應(yīng)，滿足無接觸網(wǎng)運營要求，制動的能量全部反饋到儲能設(shè)備[7]。當(dāng)列車進(jìn)站時，列車通過1 500 V架空充電網(wǎng)從牽引變電所取得直流電流，電流通過敷設(shè)在車站的鋼軌，再通過沿線敷設(shè)的直流電纜回流到牽引變電所，如圖4所示。車站兩端設(shè)置的絕緣節(jié)將回流電纜限制在車站的局部范圍內(nèi)，而且由于車站僅在停車充電時有回流電流短暫通過，其間歇周期與有軌電車的進(jìn)站?？繒r間和運行間隔有關(guān)。

圖4 有軌電車雜散電流干擾原理Fig. 4 Principle of stray current interference of tram

圖5為地鐵雜散電流干擾原理。由于不同列車加速/減速以及行進(jìn)位置具有隨機(jī)性，任意一點地鐵雜散電流的方向不斷正負(fù)波動。因此，在白天地鐵運行時間段，管地電位以夜間未受干擾時的電位為中心值正負(fù)波動。地鐵雜散電流引起的管地電位波動曲線由若干小的波峰組成，這可能與運行過程中地鐵加減速導(dǎo)致供電系統(tǒng)中電流大小變化最終引起雜散電流變化有關(guān)。

2.4 傅里葉變換及頻域分析

管地電位測試數(shù)據(jù)夾雜了現(xiàn)場眾多干擾信號，波動復(fù)雜，規(guī)律性不明顯，為了進(jìn)一步分析組成管地電位波動的若干小峰，通過傅里葉變換把這些電位的幅度按頻率(或周期)排列，得到埋地燃?xì)夤艿朗苘壍澜煌s散電流干擾的頻譜密度，將對雜散電流干擾的研究從時域發(fā)展到頻域，從而帶來更直觀的認(rèn)識。

圖5 地鐵雜散電流干擾原理Fig. 5 Principle of stray current interference of subway

研究表明，管道所受雜散電流干擾主要集中于1 Hz以內(nèi)(長周期)，高于1 Hz(短周期)交流信號對管道影響較小[5-6]。而本次檢測中，管地電位波動幅度主要集中于0.1 Hz以下，為便于分析，將頻率高于0.1 Hz的波動過濾掉。然后利用SAS公司的JMP軟件對這些電位數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，將通電電位波動幅度按頻率排列得到軌道交通雜散電流干擾下管道通電電位幅度的頻譜密度圖，如圖6所示。由圖6可見，在有軌電車T1干擾下，頻率為0.002～0.07 Hz時通電電位波動幅度較大，波動明顯；在輕軌1號線干擾下，頻率為0.006～0.05Hz時通電電位波動幅度較大；在地鐵2號線干擾下，頻率為0.002～0.08 Hz時通電電位波動幅度較大；在地鐵3號線干擾下，頻率為0.002～0.07Hz時通電電位波動幅度較大；在地鐵6號線干擾下，頻率為0.002～0.06 Hz時通電電位波動幅度較大；在地鐵8號線干擾下，頻率為0.002～0.045 Hz時通電電位波動幅度較大；在陽邏線干擾下，頻率為0.001～0.006 Hz時通電電位波動幅度較大。以上干擾頻率都很低，為典型的直流干擾。

(a) 有軌電車T1(b) 輕軌1號線(c) 地鐵2號線

(d) 地鐵3號線(e) 地鐵6號線(g) 地鐵8號線(g) 地鐵陽邏線圖6 不同軌道交通雜散電流干擾下管道通電電位波動幅度的頻譜密度Fig. 6 Frequency density of switch-on potential fluctuation amplitudes of pipeline under interference of stray current from different railways: (a) tram; (b) light rail line 1; (c) metro line 2; (d) metro line 6; (e) metro line 8; (f) metro line 3; (g) metro line Yangluo

對不同頻率區(qū)間管道通電電位的波動幅度進(jìn)行統(tǒng)計，得到不同頻率區(qū)間內(nèi)通電電位波動幅度相對占比(以下相對占比)，結(jié)果如圖7所示。由圖7可見，在不同軌道交通雜散電流干擾下，檢測到的相對占比均不一致。在有軌電車T1干擾下，相對占比主要分布在波動頻率為0.005～0.05 Hz時,以0.01～0.03 Hz為主(相對占比達(dá)44.93%)；在輕軌1號線干擾下，相對占比主要分布在波動頻率為0.005～0.04 Hz時，同樣以0.01～0.03 Hz為主(相對占比達(dá)到59.62%)；在地鐵2號線干擾下，相對占比主要分布在波動頻率為0.005～0.02 Hz時；在地鐵3號線干擾下，相對占比主要集中分布在波動頻率為0.005～0.05 Hz時，相對占比整體分布較為平均；在地鐵6號線和8號線干擾下，相對占比分布較為接近，集中在波動頻率0.01～0.02 Hz；由于陽邏線是高架線路，在其干擾下相對占比分布和在其他軌道交通干擾下有所不同，在波動頻率小于0.03 Hz范圍分布較為均勻。

(a) 有軌電車T1(b) 輕軌1號線(c) 地鐵2號線

為了更直觀地表示不同軌道交通雜散電流干擾下管道通電電位波動幅度的占比及整體的比例趨勢，取整體波動較為集中的0～0.05 Hz區(qū)間，將統(tǒng)計的受干擾測試點的波動幅度比例情況繪制成雷達(dá)圖，如圖8所示。雖然各線路波動頻率不盡相同，但是50%以上的波動其頻率為0.005～0.03 Hz，其中以0.01～0.02 Hz和0.02～0.03 Hz為主。

3 結(jié)論

(1)對武漢受軌道交通雜散電流干擾的管道進(jìn)行24 h監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)地鐵和有軌電車附近管道均受到雜散電流干擾，有軌電車和地鐵同時運行時段管地電位波動劇烈，有軌電車停運后管地電位波動減小，夜間地鐵停運階段管地電位恢復(fù)到較為平穩(wěn)狀態(tài)的特點。對27處管道測試點進(jìn)行24 h監(jiān)測，并參照澳大利亞AS2832.1-2015標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評估，結(jié)果表明有20處測試點處于高直流干擾風(fēng)險區(qū)，7處測試點處于低風(fēng)險區(qū)域。

(2) 有軌電車附近管地電位變化存在間歇式的周期波動規(guī)律。其中管地電位存在明顯波動的時間為70～80 s，而電位穩(wěn)定時間約60 s，一個間歇周期約130～140 s，與有軌電車運行周期基本一致，而輕軌和地鐵并沒有引起明顯的波動間歇期。

(3) 通過傅里葉變換對不同軌道交通周圍的埋地燃?xì)夤艿离娢徊▌舆M(jìn)行頻域分析，可知各線路波動頻率不盡相同，但是50%以上的波動發(fā)生在0.005～0.03 Hz(周期20～200 s)，且以0.01～0.02 Hz(周期50～100 s)和0.02～0.03 Hz(33～50 s)為主。