吳廣春,王 燦,李 銘,姜乃良,馬雪莉,楊立君

(1. 安科工程技術(shù)研究院(北京)有限公司,北京 102200; 2. 國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)山東省分公司,濟(jì)南 250098;3. 山東省中遠(yuǎn)天然氣技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司,濟(jì)南 250098)

地鐵檢修車輛段(簡(jiǎn)稱車輛段)和運(yùn)用停車場(chǎng)(簡(jiǎn)稱停車場(chǎng))由于軌道的絕緣等級(jí)相對(duì)較低(國(guó)內(nèi)多個(gè)車輛段測(cè)試結(jié)果為0.1～0.2 Ω),是地鐵系統(tǒng)雜散電流防控的薄弱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)地鐵幾乎都存在車輛段和停車場(chǎng)區(qū)域雜散電流超標(biāo)的現(xiàn)象,場(chǎng)段內(nèi)設(shè)備燒損和掛地線打火等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[1-5]。出入段單向?qū)ㄑb置是影響地鐵場(chǎng)段內(nèi)雜散電流分布的關(guān)鍵設(shè)備之一,傳統(tǒng)的單向?qū)ㄑb置的電流是單向?qū)ǖ?導(dǎo)致場(chǎng)段源源不斷地吸收來自正線牽引所的電流,即使是場(chǎng)段內(nèi)的牽引變電所斷電,流經(jīng)出入段單向?qū)ㄑb置的峰值電流也高達(dá)500～1 000 A,這會(huì)對(duì)附近的埋地金屬管道產(chǎn)生顯著的雜散電流干擾影響[6-7]。影響地鐵系統(tǒng)雜散電流的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是軌道對(duì)地過渡電阻,目前,軌道對(duì)地過渡電阻的測(cè)試方法主要是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)雜散電流的防護(hù)措施》,采用電壓電流法測(cè)量軌道對(duì)地過渡電阻,測(cè)試時(shí)需要事先對(duì)軌道進(jìn)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(fù)合軌,不具備電氣隔離的條件;雖然標(biāo)準(zhǔn)中也給出了一種無需分段隔離的測(cè)試方法,但測(cè)試結(jié)果只能反映測(cè)試點(diǎn)位置處的對(duì)地絕緣狀況,是一種單點(diǎn)測(cè)試方法,無法反映軌道整體的對(duì)地絕緣狀況,且測(cè)試計(jì)算過程復(fù)雜?？紤]到軌道對(duì)地過渡電阻與埋地管道防腐層絕緣電阻的測(cè)試方法本質(zhì)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(cè)試方法測(cè)試軌道對(duì)地過渡電阻理論上是可行的,且防腐層絕緣電阻測(cè)試時(shí)無需對(duì)測(cè)試對(duì)象進(jìn)行絕緣分段,這為在役軌道的對(duì)地過渡電阻測(cè)試創(chuàng)造了可操作性的前提,實(shí)際操作中可將一個(gè)供電區(qū)間內(nèi)的軌道以均流線和回流電纜為界劃分為若干個(gè)區(qū)段,為區(qū)間內(nèi)在役軌道的對(duì)地絕緣水平測(cè)試評(píng)估創(chuàng)造了可能。筆者以國(guó)內(nèi)某地鐵車輛段及其臨近的埋地長(zhǎng)輸管道為測(cè)試研究對(duì)象,開展車輛段內(nèi)出入段單向?qū)ㄑb置和庫(kù)內(nèi)軌電位限制裝置不同運(yùn)行工況下的地鐵和管道相關(guān)電參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)同步測(cè)試,通過對(duì)比分析明確了車輛段對(duì)埋地管道雜散電流干擾的影響;同時(shí)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(cè)試在役軌道對(duì)地過渡電阻的可行性,以期為國(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

1.1.1 車輛段對(duì)管道的干擾

以某地鐵車輛段和某長(zhǎng)輸管道的1～6號(hào)測(cè)試樁為研究對(duì)象,管道與地鐵線路并行,離車輛段最近的管道監(jiān)測(cè)點(diǎn)為2號(hào)測(cè)試點(diǎn),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(hào)測(cè)試點(diǎn)之間,如下圖1所示;各監(jiān)測(cè)點(diǎn)與車輛段的方位和距離見表1。圖2為車輛段內(nèi)電氣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,分別在停車庫(kù)、靜調(diào)庫(kù)和出入段處設(shè)置了兩臺(tái)單向?qū)ㄑb置,布置于軌道的兩側(cè),各股軌道間通過均流線連接在一起,庫(kù)內(nèi)軌道流經(jīng)的電流經(jīng)庫(kù)前單導(dǎo)回流至變電所的負(fù)極,吸收的來自正線的雜散電流經(jīng)出入段單導(dǎo)流回正線,庫(kù)內(nèi)軌道經(jīng)軌電位限制裝置與接地網(wǎng)連接,軌電位限制裝置的保護(hù)閾值設(shè)置為60 V。

圖1 管道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)與地鐵線路的相對(duì)位置Fig. 1 The relative positions of each monitoring point of the pipeline and the subway line

表1 管道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(duì)地過渡電阻

選取某試運(yùn)行軌道的某地上車站站臺(tái)區(qū)域?yàn)闇y(cè)試對(duì)象,如圖3所示,上下行軌道出站臺(tái)區(qū)域后,左側(cè)分岔成四股軌道至停車場(chǎng),右側(cè)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(cè)試目標(biāo),即圖中ab段軌道,長(zhǎng)度為143 m。軌道道床為砟石道床。

圖2 車輛段內(nèi)電氣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig. 2 Electrical structure diagram inside the depot

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

1.2 測(cè)試工況與參數(shù)

地鐵車輛段對(duì)埋地管道干擾影響涉及4種運(yùn)行工況:(1) 出入段單導(dǎo)正常運(yùn)行和庫(kù)內(nèi)OVPD分閘;(2) 出入段單導(dǎo)正常運(yùn)行和庫(kù)內(nèi)OVPD合閘;(3) 出入段單導(dǎo)拆除和庫(kù)內(nèi)OVPD分閘;(4) 出入段單導(dǎo)拆除和庫(kù)內(nèi)OVPD合閘。測(cè)試時(shí)間段選為相同發(fā)車頻率時(shí)間段,測(cè)試期間車輛段混合變電所處于斷電狀態(tài),即車輛段自身的牽引供電系統(tǒng)不工作,每種工況的測(cè)試時(shí)間為2 h。

測(cè)試參數(shù)包括:管道極化電位、試片流入/出電流密度、軌道對(duì)地電位、單導(dǎo)流經(jīng)電流、庫(kù)內(nèi)OVPD流經(jīng)電流和軌道對(duì)地過渡電阻。

1.3 測(cè)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(jìn)行測(cè)試,在試驗(yàn)開始前,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,在管道測(cè)試樁處埋設(shè)1 cm2陰極保護(hù)檢查片,檢查片埋深與管道同深,與管道外壁水平間距300 mm,通過測(cè)試樁與管道實(shí)施電連接,待試片極化24 h后,利用uDL2 Micro Data Logger數(shù)據(jù)記錄儀測(cè)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(cè)試時(shí)長(zhǎng)為24 h,測(cè)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(cè)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(cè)量庫(kù)內(nèi)軌道、庫(kù)外軌道和正線軌道的軌地電位,且?guī)靸?nèi)軌道和庫(kù)外軌道的軌地電位測(cè)試原理如圖5所示。正線軌道軌地電位在出入段單導(dǎo)的“正線軌道”母排端子處測(cè)試。采用uDL1 Micro Data Logger型數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),測(cè)試前將uDL1 Micro Data Logger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(cè)試原理圖Fig. 5 Principle diagram of rail potential to ground monitoring test

1.3.3 軌地間流經(jīng)電流

采用uDL1 Micro Data Logger型數(shù)據(jù)記錄儀在軌電位限制裝置內(nèi)的分流器處進(jìn)行測(cè)試, 測(cè)試前將uDL1 Micro Data Logger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。

1.3.4 單向?qū)ㄑb置流經(jīng)電流

單導(dǎo)內(nèi)部設(shè)置有6個(gè)子路分流器和1個(gè)總線路分流器,采用uDL1 Micro Data Logger型數(shù)據(jù)記錄儀在總分流器處進(jìn)行測(cè)試, 測(cè)試前將uDL1 Micro Data Logger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庫(kù)內(nèi)軌道連接端子處,黑色測(cè)試線連接至正線軌道連接端子處,采樣頻率為1 s/次,測(cè)試示意圖如下圖6所示。

圖6 單導(dǎo)流經(jīng)電流測(cè)試原理圖Fig. 6 Principle diagram of current test flowed through single-phase conduction device

1.3.5 軌道對(duì)地過渡電阻

(1) 按照?qǐng)D7所示布置測(cè)試設(shè)備,測(cè)試點(diǎn)a距離通電點(diǎn)應(yīng)不小于50 m,參比電極距離測(cè)量點(diǎn)應(yīng)不小于30 m;在軌道一端通過穩(wěn)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(shè)置為:通電12 s,斷電3 s。

圖7 軌道對(duì)地過渡電阻測(cè)試原理圖Fig. 7 Principle diagram of rail transition resistance to ground testing

(2) 測(cè)量ab段的長(zhǎng)度,確保測(cè)量段內(nèi)無其他電流支路。

(3) 測(cè)量軌道上各測(cè)量點(diǎn)的通斷電電位,按式(1)計(jì)算電位變化量。

ΔVa=Va·on-Va·off

(1)

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

兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)的電位差比可按式(2)計(jì)算,比值應(yīng)為0.625～1.6,不滿足要求時(shí)應(yīng)在兩點(diǎn)之間再增加一處或多處測(cè)量點(diǎn)。

(2)

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

(4) 利用電流環(huán)法測(cè)量各測(cè)量點(diǎn)處通電狀態(tài)和斷電狀態(tài)下的流經(jīng)電流,其通/斷狀態(tài)下的電流量應(yīng)有明顯的變化,測(cè)量點(diǎn)的軌道內(nèi)電流按式(3)計(jì)算。

ΔIa=Ia·on-Ia·off

(3)

式中:ΔIa為a測(cè)量點(diǎn)的電流(A);ΔIa·on為a測(cè)量點(diǎn)的通電狀態(tài)下的電流(A);ΔIa·off為a測(cè)量點(diǎn)的斷電狀態(tài)下的電流(A)。

(5) 各測(cè)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(jì)算。

(4)

ΔI1=ΔIa-ΔIb

(5)

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

(6)測(cè)量段軌道的電阻按式(6)計(jì)算。

(6)

(7) 測(cè)量段軌道的對(duì)地過渡電阻按式(7)計(jì)算。

(7)

式中:ωr-c為測(cè)量段軌道的對(duì)地過渡電阻(Ω·km);R1為測(cè)量段軌道的電阻(Ω);L為測(cè)試段長(zhǎng)度(m)。

2 結(jié)果與討論

2.1 軌電位變化分布

由圖8可知:庫(kù)內(nèi)和庫(kù)外軌電位曲線基本重合,庫(kù)內(nèi)軌道正向軌電位稍正于庫(kù)外軌電位,原因在于單向?qū)ㄑb置晶閘管的正向?qū)ㄗ杩?均小于正線軌電位且與正線軌電位呈現(xiàn)反向?qū)ΨQ的關(guān)系。

圖8 正常運(yùn)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(dǎo)正常運(yùn)行和庫(kù)內(nèi)OVPD分閘工況下,正線、庫(kù)外和庫(kù)內(nèi)軌道的軌電位正向平均值均大于標(biāo)準(zhǔn)要求值5 V;出入段單導(dǎo)拆除和庫(kù)內(nèi)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(shí),合閘庫(kù)內(nèi)軌電位限制裝置,軌電位進(jìn)一步減小;在前序工況的基礎(chǔ)上重新投用單導(dǎo)后,由于雜散電流量增加,軌電位有所抬升。

(a) 庫(kù)內(nèi)軌道 (b) 庫(kù)外軌道 (c) 正線軌道圖9 4種運(yùn)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(dǎo)和庫(kù)內(nèi)軌電位限制裝置流經(jīng)電流的變化情況

單導(dǎo)(庫(kù)前單導(dǎo)和出入段單導(dǎo))和庫(kù)內(nèi)軌電位限制裝置流經(jīng)的電流采用GPS同步測(cè)試,同步時(shí)間誤差小于0.1 s,表2和表3為四種工況下,單向?qū)ㄑb置和庫(kù)內(nèi)軌電位限制裝置流經(jīng)電流統(tǒng)計(jì)結(jié)果,表2數(shù)據(jù)按照遞增或遞減的原則進(jìn)行排序,取排序前10%的數(shù)據(jù)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?qū)ㄑb置流經(jīng)的電流極值可達(dá)247.16 A,庫(kù)前單導(dǎo)流經(jīng)的電流平均值約為出入段單導(dǎo)的1.36倍,當(dāng)庫(kù)內(nèi)軌電位限制裝置合閘時(shí),庫(kù)前單導(dǎo)流經(jīng)的電流平均值約為出入段單導(dǎo)的2.08倍;這說明雜散電流主要被庫(kù)內(nèi)軌所吸收,經(jīng)庫(kù)內(nèi)外單導(dǎo)和出入段單導(dǎo)回流至正線,但單導(dǎo)并非雜散電流的唯一通道;由于車輛段內(nèi)的軌道對(duì)地絕緣水平較差,一部分電流經(jīng)庫(kù)外軌道→土壤→正線軌道的路徑返回正線;(2) 當(dāng)出入段單導(dǎo)被拆除而庫(kù)內(nèi)軌電位限制裝置合閘時(shí),仍然有極值可達(dá)308.81 A的電流流經(jīng)庫(kù)前單導(dǎo);只有當(dāng)出入段單導(dǎo)雙向截?cái)嗲規(guī)靸?nèi)軌電位限制裝置分閘時(shí),車輛段內(nèi)的雜散電流量才會(huì)顯著減小至0附近;車輛段內(nèi)雜散電流量主要受出入段單導(dǎo)和庫(kù)內(nèi)軌電位限制裝置的影響,單純將傳統(tǒng)單導(dǎo)換成智能單導(dǎo)(具備僅列車通過絕緣節(jié)時(shí)導(dǎo)通平時(shí)雙向截?cái)嗵匦缘男滦蛦蜗驅(qū)ㄑb置)并不能完全解決車輛段的雜散電流問題。

表2 單向?qū)ㄑb置流經(jīng)電流分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab. 2 Current through single-phase conduction device

2.3 管道電位和電流參數(shù)變化分布

由圖10可見:沿線各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處雜散電流均以流入占主導(dǎo),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(yùn)行工況下無明顯差異,說明本案例中出入段單導(dǎo)和庫(kù)內(nèi)軌電位限制裝置對(duì)埋地管道的干擾影響范圍小于2.6 km。

表3 庫(kù)內(nèi)軌電位限制裝置流經(jīng)電流分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab. 3 Current through OVPD inside the parking garage

圖10 四種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(duì)地過渡電阻

由表4可見:一行軌道的平均對(duì)地過渡電阻分別為0.44 Ω·km和0.50 Ω·km,未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求(標(biāo)準(zhǔn)要求值為15 Ω·km);考慮到該測(cè)試軌道段緊鄰地鐵停車場(chǎng)且采用與停車場(chǎng)軌道相同的砟石道床(砟石道床軌道的對(duì)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(cè)試結(jié)果與其他學(xué)者的測(cè)試結(jié)果相近(國(guó)內(nèi)多個(gè)車輛段測(cè)試結(jié)果為0.1～0.2 Ω)[2-4],結(jié)合以上特征可認(rèn)為本測(cè)試方法有效可行,可用于在役軌道的對(duì)地過渡電阻測(cè)試。

3 結(jié)論與建議

(1) 具備雙向截?cái)嗵匦缘闹悄軉螌?dǎo)可有效降低車輛段內(nèi)的雜散電流水平,雙向截?cái)嗪?正線、庫(kù)外和庫(kù)內(nèi)軌道的軌電位正向平均值均減小至5 V以下。

(2) 車輛段內(nèi)的雜散電流水平受單導(dǎo)特性和庫(kù)內(nèi)軌道接地方式影響,僅將出入段單導(dǎo)從傳統(tǒng)的單向?qū)ㄐ娃D(zhuǎn)變成智能的雙向截?cái)嘈筒⒉荒芡耆鉀Q車輛段的雜散電流問題,只有當(dāng)出入段單導(dǎo)雙向截?cái)嗲規(guī)靸?nèi)OVPD分閘時(shí),雜散電流幅值才接近于0。

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

(3) 本案例中車輛段內(nèi)單導(dǎo)和庫(kù)內(nèi)接地對(duì)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(cè)試方法與IEC 62128.2:2013和GB/T 28026.2-2018推薦的軌道對(duì)地過渡電阻測(cè)試方法本質(zhì)上是相同的,均屬于電壓電流測(cè)試法;利用埋地管道防腐層絕緣電阻的測(cè)試方法測(cè)試在役軌道對(duì)地過渡電阻經(jīng)驗(yàn)證是可行的。