蔣卡克

(上海天然氣管網(wǎng)有限公司，上海 201204)

為緩解日益嚴(yán)峻的城市交通壓力，地鐵建設(shè)在全國各大城市蓬勃發(fā)展。上海作為特大型城市，全國經(jīng)濟(jì)中心，地鐵線路已達(dá)16條，運(yùn)營里程共計(jì)705 km，已高居世界第一。同時(shí)，上海在役管道運(yùn)營里程達(dá)750 km，“南北貫通、東西互補(bǔ)、兩環(huán)相連”的環(huán)形能源網(wǎng)絡(luò)與錯(cuò)綜復(fù)雜的地鐵網(wǎng)絡(luò)交織在一起。近些年地鐵雜散電流對(duì)周圍埋地金屬管道的腐蝕干擾已成為管道安全的重大隱患之一。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，運(yùn)營地鐵與在役高壓管道的交叉和平行點(diǎn)達(dá)39處，新一輪地鐵建設(shè)后再增加16處，遠(yuǎn)景規(guī)劃建設(shè)還將增加9處。隨著地鐵高速建設(shè)，其雜散電流對(duì)周圍金屬管道的干擾范圍、程度將會(huì)進(jìn)一步加深，雜散電流安全隱患問題是交通和能源領(lǐng)域亟待解決的重要技術(shù)問題。

目前，管道方對(duì)于受地鐵雜散電流干擾的埋地管道的研究局限于管道側(cè)管地電位監(jiān)檢測、干擾強(qiáng)度和影響范圍分析以及被動(dòng)防護(hù)措施探索等[1-4]，地鐵方也只是單一地從雜散電流產(chǎn)生原因和防護(hù)方面開展研究[5-6]，而關(guān)于地鐵系統(tǒng)內(nèi)部檢修基地雜散電流對(duì)周邊埋地管道電位波動(dòng)影響的研究鮮見報(bào)道。由于管道與地鐵分屬不同行業(yè)，除上海外，國內(nèi)其他城市尚未在管道方和地鐵方之間建立有效的溝通協(xié)調(diào)機(jī)制，從管道側(cè)和地鐵側(cè)共同開展研究工作。本工作通過地鐵檢修基地內(nèi)部軌地電位、電流和管地電位等參數(shù)的同步檢測，建立軌道電位、流經(jīng)鐵軌的電流變化與管地電位波動(dòng)的直接聯(lián)系，分析雜散電流是如何通過基地對(duì)埋地管道產(chǎn)生干擾，并從源頭提出解決方案，可為地鐵雜散電流的泄漏控制和防護(hù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和借鑒。

1 研究對(duì)象及檢測參數(shù)

本工作以上海地鐵兩處檢修基地鄰近的高壓天然氣管道為研究對(duì)象，旨在探索地鐵檢修基地釋放的雜散電流對(duì)周邊埋地管道電位造成的波動(dòng)規(guī)律，分析了管地電位正向和負(fù)向波動(dòng)的主要原因。這兩處管道均鄰近檢修基地敷設(shè)而過，最近距離分別為120 m和500 m。檢修基地分為外部的正線區(qū)和內(nèi)部的咽喉區(qū)、檢修區(qū)。相鄰兩區(qū)之間均用絕緣墊片隔離，再由單向?qū)ㄑb置連接，以確保檢修基地內(nèi)側(cè)電流可以通過單向?qū)飨蛘€，而正線電流無法通過鐵軌流入檢修基地內(nèi)部，如圖1所示。

圖1 檢修基地示意圖Fig. 1 Schematic diagram of subway maintenance base

試驗(yàn)監(jiān)測參數(shù)為管地電位、軌地電位和流經(jīng)軌道的電流，采用UDL-2數(shù)據(jù)記錄儀記錄電位數(shù)據(jù)，用SWAN電流環(huán)套住電流流經(jīng)的電纜采集電流數(shù)據(jù)，采用UDL-1數(shù)據(jù)記錄儀記錄電流數(shù)據(jù)。UDL-1和UDL-2同步記錄數(shù)據(jù)，采集周期為1 s，采集時(shí)長為24 h。監(jiān)測對(duì)象分別為離檢修基地最近點(diǎn)管道的管地電位，基地外側(cè)正線區(qū)近咽喉區(qū)(E點(diǎn))、咽喉區(qū)近正線區(qū)(D點(diǎn))、咽喉區(qū)近檢修區(qū)(C點(diǎn))、檢修區(qū)近咽喉區(qū)(B點(diǎn))的軌地電位，接地極即A點(diǎn)(大地流入接地極為正值)和咽喉區(qū)至正線區(qū)即D點(diǎn)(咽喉區(qū)指向正線為正值)、B點(diǎn)(檢修區(qū)指向單向?qū)檎?、C點(diǎn)(單向?qū)ㄖ赶蜓屎韰^(qū)為正值)、G點(diǎn)(單向?qū)ㄖ赶蜃冸娬緸檎?的電流：具體位置見圖1。

2 雜散電流干擾規(guī)律

2.1 正線E點(diǎn)軌地電位負(fù)向偏移引起的干擾

圖2～4為E點(diǎn)軌地電位負(fù)向偏移時(shí)，各點(diǎn)軌地電位,管地通電電位,咽喉區(qū)至正線區(qū)(D點(diǎn))及檢修基地站內(nèi)接地極(A點(diǎn))電流的同步監(jiān)測數(shù)據(jù)。當(dāng)圖2實(shí)線框內(nèi)正線E點(diǎn)軌地電位變負(fù)，由于正線區(qū)和咽喉區(qū)之間存在單向?qū)ㄑb置(導(dǎo)通電壓僅為0.7 V)，E點(diǎn)電位小于D點(diǎn)電位且電位差大于0.7 V，單向?qū)ㄑb置觸發(fā)導(dǎo)通，大量電流從咽喉區(qū)軌道流向正線區(qū)軌道(見圖3)，致使D點(diǎn)軌地電位也變負(fù)；由于D點(diǎn)和C點(diǎn)是電連通軌道，C點(diǎn)軌地電位也變負(fù)，但咽喉區(qū)軌地絕緣電阻相對(duì)較差，軌地電位衰減較大，故C點(diǎn)軌地電位并沒有比D點(diǎn)軌地電位更負(fù)(見圖2)。同理，咽喉區(qū)與檢修區(qū)之間單向?qū)ㄓ|發(fā)導(dǎo)通，B點(diǎn)軌地電位負(fù)向移動(dòng)(見圖2)。正線E點(diǎn)軌地電位變負(fù)，使得檢修基地的軌地電位變負(fù)，造成檢修基地的鐵軌大量吸收地鐵正向流出的電流，電流通過咽喉區(qū)至正線的單向?qū)ㄑb置流回正線的鐵軌，再流回正線檢修基地的負(fù)極，此時(shí)檢修基地附近管道為雜散電流流出點(diǎn)，管地電位正向偏移，且E點(diǎn)軌地電位越負(fù)，基地吸收電流越大，管地電位越正(見圖3和圖4)。

圖2 E點(diǎn)軌地電位負(fù)向偏移時(shí)軌地電位數(shù)據(jù)圖(2019-01-08)Fig. 2 Data graph of rail-to-soil potentials with negative shift of rail-to-soil potential at point E (2019-01-08)

圖3 E點(diǎn)軌地電位負(fù)向偏移對(duì)A和D點(diǎn)電流的影響(2019-01-08)Fig. 3 Effect of negative shift of rail-to-soil potential at point E on currents at points A and D (2019-01-08)

圖4 E點(diǎn)軌地電位負(fù)向偏移對(duì)管地電位的影響(2019-01-08)Fig. 4 Effect of negative shift of rail-to-soil potential at point E on pipe-to-soil potential (2019-01-08)

由圖5(a)可見，當(dāng)D點(diǎn)電流為0 A時(shí)，A點(diǎn)電流為-110 A(接地極持續(xù)往大地釋放電流)，B點(diǎn)的電流為300 A，C點(diǎn)的電流幾乎為0，這表明此時(shí)沒有正線電流流入檢修基地內(nèi)部，接地極釋放的電流是基地內(nèi)變電站供電產(chǎn)生，且對(duì)附近的管道影響不大。當(dāng)正線區(qū)E點(diǎn)軌地電位變負(fù)時(shí)，A點(diǎn)升高至0 A，B點(diǎn)電流升高至370 A，C點(diǎn)電流升高至10 A，這說明接地極A點(diǎn)未吸收電流，管道電位變正與接地極無關(guān)。根據(jù)圖5(b)圖所示，當(dāng)D點(diǎn)電流為0 A時(shí)，B、C、G點(diǎn)和D點(diǎn)均無電流，當(dāng)正線區(qū)E點(diǎn)軌地電位變負(fù)時(shí)，D點(diǎn)電流升至680 A，A點(diǎn)電流升至160 A，大地電流通過接地極流入軌道，B點(diǎn)電流升至170 A，C點(diǎn)電流升至50 A，G點(diǎn)電流升至120 A，表明接地極有電流流入，其中50 A通過C點(diǎn)流向正線，其余的120 A電流流向基地變電站。

(a) 2019-01-07

(b) 2019-05-07圖5 E點(diǎn)軌地電位負(fù)向偏移對(duì)電流的影響Fig. 5 Effect of negative shift of rail-to-soil potential at point E on currents

通過上述兩個(gè)案例分析可知，當(dāng)正線軌地電位變負(fù)時(shí)，會(huì)改變基地變電站的供電大小和電流流向，只有少部分雜散電流通過接地極流入，大部分仍可能通過咽喉區(qū)軌道流入，最終流向正線區(qū)。

2.2 正線E點(diǎn)軌地電位正向偏移引起的干擾

圖6～8為E點(diǎn)軌地電位正向偏移時(shí)，各點(diǎn)軌地電位、管地通電電位和電流的同步監(jiān)測數(shù)據(jù)。在機(jī)車進(jìn)出檢修基地時(shí)，圖6中實(shí)線框內(nèi)正線E點(diǎn)軌地電位變正，D點(diǎn)軌地電位同時(shí)變正，D點(diǎn)軌地電位隨著E點(diǎn)軌地電位變化而變化且幅值幾乎相等。由于D點(diǎn)和C點(diǎn)是電連通軌道的，故C點(diǎn)軌地電位也變正，但咽喉區(qū)鐵軌絕緣性能差，因此軌地電位衰減較大，C點(diǎn)軌地電位正向偏移值小于D點(diǎn)軌地電位的正向偏移值。在圖7實(shí)線框中，D點(diǎn)電流為0 A，由于機(jī)車進(jìn)出基地時(shí)需跨越咽喉區(qū)和正線區(qū)之間絕緣墊片兩側(cè)，導(dǎo)致正線和基地內(nèi)部通過機(jī)車完全電導(dǎo)通，此時(shí)正線電位較基地電位高，大量電流從正線通過機(jī)車流入基地，再通過咽喉區(qū)的鐵軌流入大地，造成檢修基地附近管道的管地電位變負(fù)(見圖8)。從24 h數(shù)據(jù)分析，早晨列車駛出基地和夜晚列車駛回基地的時(shí)段，該現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)。機(jī)車未進(jìn)出基地時(shí)，基地內(nèi)部與正線隔離，當(dāng)正線E點(diǎn)軌地電位變正時(shí)，基地內(nèi)軌地電位無變化，附近管道的管地電位穩(wěn)定，無雜散電流干擾。

圖6 E點(diǎn)軌地電位正向偏移時(shí)軌地電位數(shù)據(jù)圖(2019-01-08)Fig. 6 Data graph of rail-to-soil potentials with positive shift of rail-to-soil potential at point E (2019-01-08)

圖7 E點(diǎn)軌地電位負(fù)向偏移對(duì)A和D點(diǎn)電流的影響(2019-01-08)Fig. 7 Effect of positive shift of rail-to-soil potential at point E on currents at points A and D (2019-01-08)

圖8 E點(diǎn)軌地電位正向偏移對(duì)管地電位的影響(2019-01-08)Fig. 8 Effect of positive shift of rail-to-soil potential at point E on pipe-to-soil potential (2019-01-08)

圖9為E點(diǎn)軌地電位正向偏移對(duì)電流的影響。致使附近管地電位變負(fù)。根據(jù)圖9所示，在圖中實(shí)線框內(nèi)，E點(diǎn)和D點(diǎn)軌地電位均變正，此時(shí)機(jī)車進(jìn)出基地跨越咽喉區(qū)和正線區(qū)之間絕緣墊片兩側(cè)，咽喉區(qū)至正線區(qū)單向?qū)ㄑb置被機(jī)車短路，正線大量電流通過機(jī)車流入基地內(nèi)部。圖9(a)中接地極A點(diǎn)電流從穩(wěn)態(tài)時(shí)100 A降低至0 A，無電流通過接地極流入大地；在圖9(b,c)中接地極A點(diǎn)電流都變?yōu)樨?fù)值，電流從軌道通過接地極流入大地；咽喉區(qū)C點(diǎn)電位高于檢修區(qū)B點(diǎn)電位，B點(diǎn)電流均降低至0 A，C點(diǎn)電流有正有負(fù)，G點(diǎn)電流甚至出現(xiàn)逆流現(xiàn)象，如圖9(c)所示。上述B、C、G和A點(diǎn)電流波動(dòng)均是由于基地內(nèi)外導(dǎo)通，正線雜散電流進(jìn)入基地內(nèi)部所致，電流大小和方向的無規(guī)律變化與基地內(nèi)部機(jī)車運(yùn)行位置、供電大小、檢修區(qū)內(nèi)列車數(shù)量、停車道等因素相關(guān)。

(a) 2019-01-11

(b) 2019-05-08

(c) 2019-05-07圖9 E點(diǎn)軌地電位正向偏移對(duì)電流的影響Fig. 9 Effect of positive shift of rail-to-soil potential at point E on current

圖10(a)中通過接地極A點(diǎn)流入大地的雜散電流比圖10(b)中的更小，但管地電位負(fù)向偏移程度更大，即管道受干擾反而更大。同時(shí)，在圖9(a)中，沒有電流通過接地極流入大地，但是電位仍然負(fù)向波動(dòng)。這說明通過接地極流入大地的電流主要為基地內(nèi)部變電站電流并非正線進(jìn)入基地的雜散電流。

2.3 基地變電站供應(yīng)電流對(duì)管地電位的影響

圖11為白天地鐵運(yùn)行時(shí)各點(diǎn)軌地電位、電流和管地電位的數(shù)據(jù)圖。當(dāng)正線E點(diǎn)軌地電位正向波動(dòng)時(shí)，B、C、D點(diǎn)軌地電位均不變，咽喉區(qū)至正線區(qū)D點(diǎn)電流為0 A，接地極A點(diǎn)電流為-100 A，如圖11(a)所示，電流從軌道流向大地。根據(jù)2.2節(jié)分析可知，接地極電流為基地內(nèi)變電站電流，在-100 A電流入地的情況下，附近管地電位只稍稍負(fù)向偏移，幾乎無影響，如圖11(b)所示。

(a) 2019-05-08 (b) 2019-05-07圖10 E點(diǎn)軌地電位正向偏移時(shí)不同時(shí)間的管地電位和接地電流Fig. 10 Pipe-to-soil potentials and grounding currents at different times with positive shift of rail-to-soil potential at point E

(a) 軌地電位與電流 (b) 管地電位與電流圖11 地鐵運(yùn)行時(shí)軌地電位、電流與管地電位數(shù)據(jù)Fig. 11 Data of rail-to-soil potentials, electric currents and pipe-to-soil potentials during subway operation：(a) rail-to-soil potentials vs electric currents; (b) pipe-to-soil potentials vs electric currents

圖12為夜間地鐵停運(yùn)時(shí)各點(diǎn)軌地電位、電流和管地電位的數(shù)據(jù)圖。當(dāng)正線E點(diǎn)軌地電位不變，由于基地內(nèi)變電站供電，接地極電流正向升高至80 A，如圖12(a)所示，電流從大地流向軌道，接地極吸收電流，但是附近管道的管地電位反從-1.27 V正向偏移至-1.18 V，波動(dòng)幅度較小。由此可知，當(dāng)接地極流入流出的電流為基地內(nèi)變電站供電電流時(shí)，其電流對(duì)周邊埋地管道的干擾影響較小。

(a) 軌地電位與電流 (b) 管地電位與電流圖12 地鐵停運(yùn)時(shí)軌地電位、電流與管地電位數(shù)據(jù)Fig. 12 Data of rail-to-soil potentials, electric currents and pipe-to-soil potentials during stop of subway：(a) rail-to-soil potentials vs electric currents; (b) pipe-to-soil potentials vs electric currents

2.4 控制措施

根據(jù)以上分析可知，當(dāng)正線軌地電位降低時(shí)，單向?qū)〞?huì)使基地內(nèi)部軌地電位降低，咽喉區(qū)軌道會(huì)吸收大量正向的雜散電流，使得檢修基地附近管道的管地電位偏正；當(dāng)正線軌地電位升高時(shí)，若機(jī)車進(jìn)出基地，大量正線雜散電流進(jìn)入基地內(nèi)部，并從咽喉區(qū)流入大地，使得檢修基地附近管道的管地電位偏負(fù)?；诖?，提出以下幾點(diǎn)建議：

(1) 在無機(jī)車進(jìn)出檢修基地時(shí)，檢修基地的鐵軌和正向鐵軌需保持絕緣。

(2) 由于機(jī)車進(jìn)出檢修基地時(shí)，通過咽喉區(qū)和正線區(qū)之間單向?qū)ㄑb置的電流為0 A，咽喉區(qū)和正線區(qū)完全絕緣并不會(huì)影響機(jī)車供電，但考慮到機(jī)車輪子跨至絕緣節(jié)兩側(cè)時(shí)造成的打火問題，可將現(xiàn)有單向?qū)ㄑb置換成機(jī)車進(jìn)出基地時(shí)才導(dǎo)通的智能單向?qū)ㄑb置，這樣能大大減小管道管地電位的正向偏移[6-7]。

(3) 機(jī)車進(jìn)出基地時(shí)，正線雜散電流會(huì)涌入基地并通過咽喉區(qū)軌道流入大地，因此在新建地鐵檢修基地時(shí)應(yīng)提高咽喉區(qū)軌道對(duì)地電阻，加強(qiáng)絕緣，減少電流流入大地。

3 結(jié)論

(1) 當(dāng)正線軌地電位負(fù)向偏移時(shí)，咽喉區(qū)至正線區(qū)的單向?qū)ㄑb置導(dǎo)通，基地處于電勢低洼點(diǎn)，咽喉區(qū)軌道和檢修接地的接地極吸收地鐵正線流出的雜散電流，通過單向?qū)ㄑb置流回正線，此時(shí)管道管地電位正向偏移，雜散電流通過管道流出，使管道存在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，少部分雜散電流通過接地極流入，大部分通過咽喉區(qū)軌道流入。

(2) 當(dāng)正線軌地電位正向偏移時(shí)，在機(jī)車進(jìn)出基地時(shí)，正線區(qū)和咽喉區(qū)通過列車導(dǎo)通，大量雜散電流進(jìn)入基地，并從基地咽喉區(qū)管道流入大地，此時(shí)管道的管地電位負(fù)向偏移；若無機(jī)車進(jìn)出場站時(shí)，無電流進(jìn)入基地，管道受到的干擾較小。

(3) 當(dāng)正線軌地電位負(fù)向偏移，或軌地電位正向偏移且列車進(jìn)出基地時(shí)，基地內(nèi)變電站的供電大小和電流流向均會(huì)產(chǎn)生變化，與基地內(nèi)部機(jī)車運(yùn)行位置、供電大小、檢修區(qū)內(nèi)列車數(shù)量、停車道等因素均相關(guān)。

(4) 當(dāng)正線軌地電位正向偏移且無列車進(jìn)出基地時(shí)，基地內(nèi)部與正線間無電流流動(dòng)，此時(shí)接地極的電流流動(dòng)均是基地內(nèi)變電站的供電電流，對(duì)周邊埋地管道影響較小。