地鐵運(yùn)行狀態(tài)變化下雜散電流對(duì)埋地管道干擾數(shù)值模擬

董亮，陳金澤，姚知林，石超杰

地鐵運(yùn)行狀態(tài)變化下雜散電流對(duì)埋地管道干擾數(shù)值模擬

董亮，陳金澤，姚知林，石超杰

（常州大學(xué) 石油工程學(xué)院，江蘇 常州 213164）

研究地鐵系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)多變性導(dǎo)致地鐵雜散電流對(duì)埋地管道的干擾規(guī)律。構(gòu)建具有多個(gè)牽引區(qū)間、排流網(wǎng)、地鐵站接地系統(tǒng)及停車場的地鐵系統(tǒng)，埋地管道及其陰極保護(hù)系統(tǒng)等模型，基于數(shù)值模擬方法，采用專業(yè)軟件計(jì)算地鐵機(jī)車數(shù)量、位置及牽引電流變化，地鐵排流網(wǎng)、站內(nèi)接地系統(tǒng)和停車場與線路軌道電導(dǎo)通狀況等地鐵運(yùn)行狀態(tài)變化下軌道對(duì)地電位分布，軌道和排流網(wǎng)泄漏雜散電流密度分布，接地系統(tǒng)和停車場雜散電流量、以及雜散電流干擾時(shí)的埋地管道電位分布，分析確定地鐵運(yùn)行狀態(tài)變化下雜散電流對(duì)埋地管道干擾規(guī)律。地鐵系統(tǒng)采用焊接而成的長走行軌回流時(shí)，任何牽引供電區(qū)間內(nèi)運(yùn)行的機(jī)車及電流變化，均會(huì)對(duì)靠近地鐵線路的埋地管道造成干擾，干擾有疊加效應(yīng)。干擾最大位置出現(xiàn)在埋地管道與軌道的交叉點(diǎn)或并行段，且并行間距越小，最大干擾水平越接近交叉點(diǎn)處的干擾水平。當(dāng)?shù)罔F排流網(wǎng)、站接地系統(tǒng)和停車場軌道不與線路軌道電連接時(shí)，能夠一定程度降低干擾水平，當(dāng)與軌道在局部電連接時(shí)，會(huì)使得鄰近埋地管道所受干擾程度劇增。地鐵運(yùn)行狀態(tài)變化致使埋地管道電位波動(dòng)，且波動(dòng)程度與機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)、接地系統(tǒng)或停車場軌道頻繁與線路軌道電連接狀態(tài)、排流網(wǎng)性能及工作狀態(tài)等地鐵運(yùn)行狀態(tài)息息相關(guān)，在干擾檢測和防護(hù)中應(yīng)關(guān)注地鐵運(yùn)行狀況變化。

地鐵系統(tǒng)；雜散電流；干擾規(guī)律；數(shù)值模擬；埋地管道；運(yùn)行狀態(tài)

地鐵軌道交通具有運(yùn)載量大、安全快捷、受氣候等因素影響小等優(yōu)點(diǎn)，是中大型城市主要的交通方式之一[1]。城市地鐵一般采用直流電力牽引的供電方式，采用接觸網(wǎng)或第三軌為正極，全線連通的走行軌（即鋼軌）兼作回流線回流至負(fù)極。鋼軌鋪設(shè)于道床之上，通過絕緣墊層與大地電氣隔離，但受油漬污染、滲水潮濕、輪軌磨損散落的鐵粉等因素影響，鋼軌的軌地絕緣性能降低，會(huì)向周圍土壤[2-3]和混凝土[4-5]等介質(zhì)泄漏一定的電流，稱為地鐵雜散電流或迷流[2-3]。部分雜散電流在鄰近埋地金屬管道等具有良好導(dǎo)電性的結(jié)構(gòu)上流入和流出，最終會(huì)回流至鋼軌。雜散電流在埋地金屬管道上的流入流出造成其保護(hù)電位發(fā)生波動(dòng)[6-7]，在雜散電流流出點(diǎn)發(fā)生金屬的陽極溶解反應(yīng)，從而構(gòu)成嚴(yán)重的電解腐蝕[8]，國內(nèi)[9-13]和國外[14-16]均有多例報(bào)道。

埋地管道受地鐵雜散電流干擾程度的影響因素眾多，包括管道側(cè)的因素（如管道規(guī)格、長度、埋深、數(shù)量、管道防腐層狀況和陰極保護(hù)狀況等）、地鐵側(cè)的因素（如牽引電流、軌道的縱向和過渡電阻等）以及二者之前的相對(duì)位置和土壤環(huán)境等因素。埋地管道上測得的管地電位波動(dòng)特征則主要與地鐵運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)，是由于地鐵牽引機(jī)車的運(yùn)行數(shù)量和位置等時(shí)刻發(fā)生變化，泄漏雜散電流量及分布發(fā)生變化，因而產(chǎn)生的是動(dòng)態(tài)的雜散電流，鄰近管道某點(diǎn)處雜散電流的流入流出特性是變化的。這種變化與機(jī)車的運(yùn)行狀況（如運(yùn)行位置和數(shù)量）、機(jī)車牽引電流變化、排流網(wǎng)和地鐵站接地系統(tǒng)的工作狀態(tài)及環(huán)境因素等息息相關(guān)，使得問題異常復(fù)雜[17-21]，給雜散電流影響規(guī)律的分析判斷和緩解措施的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。由于針對(duì)地鐵雜散電流的現(xiàn)場研究相對(duì)復(fù)雜，變動(dòng)參數(shù)不易，實(shí)施難度較大，而電路模型和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展為此研究提供了便利。目前關(guān)于地鐵雜散電流分布規(guī)律的電路模型計(jì)算和數(shù)值模擬研究較多[21-23]，重點(diǎn)關(guān)注了牽引電流、牽引間距、軌道縱向電阻和過渡電阻、雜散電流排流網(wǎng)等設(shè)計(jì)因素或參數(shù)對(duì)雜散電流分布的影響。計(jì)算或模擬中通常過于簡化問題模型，只考慮單個(gè)牽引區(qū)間、單列車的情況，且不考慮或簡化考慮埋地管道和排流網(wǎng)等，由此得到的規(guī)律對(duì)設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義，但難以指導(dǎo)發(fā)現(xiàn)或解決實(shí)際問題。

為弄清地鐵雜散電流的分布規(guī)律及其對(duì)鄰近埋地管道管地電位的影響，文中構(gòu)建了包括多個(gè)牽引區(qū)間、多個(gè)車站和1個(gè)停車場，并考慮在線路沿線鋪設(shè)排流網(wǎng)和在各站鋪設(shè)接地系統(tǒng)的地鐵系統(tǒng)模型，并加入埋地管道及其陰極保護(hù)系統(tǒng)。采用數(shù)值模擬技術(shù)研究機(jī)車運(yùn)行狀況、排流網(wǎng)和接地網(wǎng)工作狀況以及埋地管道和地鐵的相對(duì)位置關(guān)系對(duì)雜散電流干擾的影響規(guī)律，以期為地鐵和埋地管道的選址設(shè)計(jì)、雜散電流干擾的檢測及干擾防護(hù)重點(diǎn)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 地鐵雜散電流干擾數(shù)值模擬方法

1.1 地鐵雜散電流干擾模型

模型中設(shè)置的地鐵線路、車站及與埋地管道的位置關(guān)系如圖1所示。地鐵沿線由7個(gè)牽引變電所雙邊供電，即有6個(gè)牽引區(qū)間組成，其中4個(gè)為正線區(qū)間，范圍為0~14.4 km；1個(gè)為出入段線區(qū)間，范圍為14.4~15.6 km；1個(gè)為停車場區(qū)間，范圍為15.6~ 16.8 km。正線的每個(gè)牽引區(qū)間內(nèi)還有2個(gè)車站，模型中設(shè)定所有站的間距相同，均為1.2 km。埋地管道與軌道間設(shè)置3種位置關(guān)系，即交叉、并行、交叉且并行。交叉關(guān)系包括90°交叉（位置1）和45°交叉（位置2）2種，交叉點(diǎn)位于(7.2, 0) km處；并行關(guān)系位置在地鐵線路的5.2~9.2 km之間，并行間距為0、200、500 m（位置3、4和5），兩側(cè)管線45°遠(yuǎn)離；交叉且并行關(guān)系在位置6處，將后半段管道與軌道45°交叉，交叉點(diǎn)位于(9.4, 0) km處。

圖1 地鐵線路、車站及與埋地管道位置關(guān)系

將圖1中虛線部分細(xì)化，得到地鐵牽引電流、雜散電流排流網(wǎng)及接地系統(tǒng)，如圖2所示[20]。軌道下方設(shè)有雜散電流排流網(wǎng)，每個(gè)站內(nèi)各設(shè)單獨(dú)的接地系統(tǒng)，接地系統(tǒng)間通過電纜相連或未連接，二者通過鋼軌電位限制裝置在站內(nèi)的排流柜內(nèi)連接到每個(gè)站的軌道上。停車場內(nèi)軌道與線路軌道通過單向?qū)ㄑb置連接。嚴(yán)格意義上，地鐵沿線各處均存在差異，雜散電流理論計(jì)算難以實(shí)現(xiàn)。為簡化模型且同時(shí)避免給影響規(guī)律研究帶來明顯誤差，通?？勺饕韵录僭O(shè)[20-23]：走行軌、排流網(wǎng)和接地系統(tǒng)的縱向電阻、軌道和排流網(wǎng)對(duì)地的過渡電阻以及土壤電阻率是均勻分布的；各站接地系統(tǒng)的接地電阻是相同的；饋電線路的阻抗忽略不計(jì)。

圖2 地鐵牽引電流、排流及接地系統(tǒng)

1.2 數(shù)值模擬方法

1.2.1 埋地管道陰極保護(hù)系統(tǒng)

在均勻介質(zhì)中，當(dāng)陰極保護(hù)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，介質(zhì)中的電位分布滿足如式（1）所示的Laplace方程[20-21,24-25]。該方程可通過有限差分法、有限元法或邊界元法等數(shù)值計(jì)算方法求解，即通過構(gòu)建系統(tǒng)幾何模型、進(jìn)行網(wǎng)格劃分、設(shè)置邊界條件和計(jì)算求解等4個(gè)步驟完成。其中，邊界元法的幾何模型、離散和計(jì)算都只在結(jié)構(gòu)物/介質(zhì)邊界上，減少了未知數(shù)的個(gè)數(shù)，數(shù)據(jù)輸入容易。陰極保護(hù)所需的即是結(jié)構(gòu)物/介質(zhì)邊界上的電位和電流密度分布，因而該方法在陰極保護(hù)數(shù)值模擬中應(yīng)用最廣[20-21,25]。

在外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)中，所研究的區(qū)域由輔助陽極和被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)物的外表面、地表等絕緣表面組成。對(duì)于被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)物，其邊界條件為電流密度和極化電位的非線性函數(shù)，即極化曲線，可通過實(shí)驗(yàn)測得。對(duì)于輔助陽極，由于其表面活性較高，可采用恒電流密度作為邊界條件，即恒定的電流密度等于陽極輸出電流除以陽極表面積。特殊地，絕緣表面如大地表面，基本無電流的流入流出，采用恒電流密度為0作為邊界條件[20-21]。

1.2.2 地鐵雜散電流

由于地鐵列車為動(dòng)態(tài)運(yùn)行，模擬中考慮列車由多個(gè)連續(xù)的靜態(tài)構(gòu)成動(dòng)態(tài)。此時(shí)地鐵雜散電流的存在并不改變介質(zhì)中電位分布所滿足的方程，而是增加了鐵軌、排流網(wǎng)和接地系統(tǒng)的邊界條件及各個(gè)無電連接系統(tǒng)的電流自平衡條件。

以軌道為例，軌道縱向電阻和軌地過渡電阻g是確定鋼軌直流電特性的2個(gè)參數(shù)。在數(shù)值計(jì)算中，可將工字型的鋼軌等效成管狀的金屬結(jié)構(gòu)，即采用管單元[20-21]，保持相同的縱向電阻和過渡電阻。在數(shù)值模擬中，縱向電阻可以直接設(shè)置，而過渡電阻則需要采用給定涂層電阻的方式處理，涂層電阻與過渡電阻（減去管狀結(jié)構(gòu)接地電阻后）的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

式中：為等效的管狀金屬結(jié)構(gòu)的外徑。

此時(shí)軌道對(duì)地界面的邊界條件可表示為：

式中：r和r分別為鋼軌的泄漏電流密度和鋼軌的對(duì)地電位；0為鋼軌某點(diǎn)處與管道電位之差，由地鐵系統(tǒng)電流自平衡條件（見式（4））結(jié)合電位控制方程及邊界條件迭代求解得到：

式中：r為鋼軌的對(duì)地邊界。該條件表明，地鐵泄漏電流最終全部會(huì)回流至鋼軌中。

對(duì)于排流網(wǎng)和接地系統(tǒng)，采用與軌道相同的方法即用涂層電阻來等效過渡電阻。當(dāng)排流網(wǎng)和接地系統(tǒng)在不與軌道電連接時(shí)，也存在如式（4）所示的電流自平衡條件；當(dāng)排流網(wǎng)或接地系統(tǒng)與鋼軌電連接時(shí)，其對(duì)地邊界與鋼軌的對(duì)地邊界共同組成統(tǒng)一的電流自平衡條件。該方法的可行性已得到驗(yàn)證[21]，文中結(jié)合該方法設(shè)置合理的參數(shù)，采用BEASY CP軟件[20-21,25]開展數(shù)值模擬。

2 影響因素及模擬參數(shù)設(shè)置

2.1 地鐵系統(tǒng)

在文中的數(shù)值模擬中，地鐵系統(tǒng)的基本參數(shù)見表1。其中，模型中與鋼軌、排流網(wǎng)等效的管狀金屬結(jié)構(gòu)直徑為0.05 m，該幾何結(jié)構(gòu)接地電阻為0.09 Ω·km，則過渡電阻3、1、0.1 Ω·km等效的涂層電阻分別為456.9、142.9、1.57 Ω·m2。

2.2 埋地管道及陰極保護(hù)系統(tǒng)

選取的埋地管道規(guī)格為508 mm×8.0 mm，長為40 km，埋深為2 m。管材電阻率取0.135 Ω·mm2/m，計(jì)算得到縱向電阻為1.074×10?5Ω/m。埋地管道由涂層和外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)聯(lián)合保護(hù)，在室內(nèi)通過動(dòng)電位掃描法測試獲取裸露管材在土壤中的極化曲線，掃描速率為0.5 mV/s。計(jì)算時(shí)選取其中50組數(shù)據(jù)[25]，參照BS/ISO 15589-1—2015[26]，將電位保持不變，對(duì)應(yīng)的電流密度乘以涂層破損率得到涂層管在土壤中的邊界條件（如圖3所示）。由此計(jì)算得到的管道電位為管道對(duì)地通電電位，是相對(duì)于銅/飽和硫酸銅參比電極（簡稱CSE，以下電位均相對(duì)于該參比電極）的電位，涂層管的最小陰極保護(hù)電流密度為0.01 mA/m2。埋地管道由一套埋深為80~100 m的深井陽極提供外加電流保護(hù)，深井陽極距管道水平距離為300 m，輸出電流為2 A。

表1 模擬中地鐵系統(tǒng)的基本參數(shù)

Tab.1 Basic parameters of metro system in numerical simulation

圖3 涂層管在土壤中的極化邊界條件

2.3 土壤環(huán)境

文中設(shè)置的土壤為單層土壤。由于我國有地鐵的城市主要分布在華中、華東、東北和南方等區(qū)域，這些區(qū)域土壤電阻率大多低于100 Ω·m[27]。計(jì)算時(shí)，土壤電阻率選取中間值，為50 Ω·m。

3 結(jié)果與討論

3.1 地鐵系統(tǒng)未運(yùn)行時(shí)的埋地管道電位分布

當(dāng)?shù)罔F系統(tǒng)未運(yùn)行（即無地鐵雜散電流）時(shí)，有外加電流陰極保護(hù)的埋地管道的保護(hù)電位分布如圖4所示。埋地管道保護(hù)電位處于?900~?1150 mV，以此電位分布作為雜散電流干擾研究的基準(zhǔn)線。

圖4 無地鐵雜散電流時(shí)被保護(hù)埋地管道的保護(hù)電位分布

3.2 機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)的影響

設(shè)定埋地管道與地鐵線路90°交叉，交叉點(diǎn)位于地鐵線路的7.2 km處，未考慮排流網(wǎng)和接地系統(tǒng)作用。分別考慮只有1列機(jī)車在不同位置運(yùn)行和多列機(jī)車同時(shí)運(yùn)行時(shí)的情形。

3.2.1 單列機(jī)車運(yùn)行位置及電流變化

機(jī)車在站與站之間運(yùn)行時(shí)，經(jīng)歷牽引加速、惰性運(yùn)行和制動(dòng)減速等3個(gè)階段[17]。在牽引加速階段，機(jī)車電流從0逐漸增大，后降低至0，從而進(jìn)入惰性運(yùn)行階段；在惰性運(yùn)行階段，機(jī)車電流保持為0；在制動(dòng)減速階段，機(jī)車電流從0開始反向（變?yōu)榻o原正極饋入電流），反向增大后，降低到0。當(dāng)電流為1760 A的機(jī)車運(yùn)行至正線的4個(gè)牽引區(qū)間的中點(diǎn)（即1.8、5.4、9.0、12.6 km處）時(shí)，埋地管道的電位分布變化如圖5所示，軌道對(duì)地電位分布和泄漏電流密度分布如圖6所示，其中在1.8 km處同時(shí)考慮機(jī)車電流反向的制動(dòng)減速情形。

圖5 單列機(jī)車運(yùn)行時(shí)埋地管道的電位分布

圖6 單列機(jī)車運(yùn)行時(shí)軌道對(duì)地電位和泄漏電流密度分布

由圖5可見，機(jī)車運(yùn)行至1.8、5.4、9.0、12.6 km處和1.8 km處電流反向?qū)?yīng)的電位偏移最大位置均在交叉點(diǎn)，偏移量分別為133、50、48、127、?124 mV，管道電位變化超過20 mV的區(qū)域均分布在交叉點(diǎn)附近約2.7 km的區(qū)域內(nèi)。這表明，機(jī)車處于不同牽引供電區(qū)間、運(yùn)行電流變化均對(duì)管道產(chǎn)生了影響，交叉點(diǎn)處管道所受的影響最大。

由圖6可見，機(jī)車在某一牽引區(qū)間內(nèi)運(yùn)行時(shí)，由于軌道為焊接軌，其他供電區(qū)間的軌道也成為雜散電流的流入流出路徑，從而對(duì)附近埋地管道產(chǎn)生雜散電流干擾。在交叉點(diǎn)處，雜散電流回流路徑最短，成為埋地管道上所受干擾最大的點(diǎn)。管道附近鋼軌雜散電流的流入（電流密度為正值）或流出（電流密度為負(fù)值）決定了管道電位的負(fù)向或正向偏移。

3.2.2 多列機(jī)車運(yùn)行位置及牽引電流變化時(shí)

設(shè)定軌道上分別有2列機(jī)車運(yùn)行在1.8、5.4 km處，3列機(jī)車運(yùn)行在1.8、5.4、9.0 km處，4列機(jī)車運(yùn)行在1.8、5.4、9.0、12.6 km處，2列機(jī)車運(yùn)行在1.8、5.4 km處（5.5 km處電流反向）以及2列機(jī)車運(yùn)行在1.8、5.4 km處（兩處電流均反向）等5種情形。計(jì)算得到埋地管道的電位分布變化如圖7所示，軌道對(duì)地電位和泄漏電流密度分布如圖8所示。

圖7 多列機(jī)車運(yùn)行時(shí)埋地管道的電位分布

圖8 多列機(jī)車運(yùn)行時(shí)軌道對(duì)地電位和泄漏電流密度分布

由圖7可見，上述5種情形對(duì)應(yīng)的電位偏移最大位置也均在交叉點(diǎn)，偏移量分別為193、182、296、96、?155 mV，約等于單列機(jī)車運(yùn)行時(shí)電位偏移之和，即地鐵雜散電流干擾有疊加效應(yīng)，某一處管道所受干擾是所有區(qū)間在運(yùn)行機(jī)車共同作用的結(jié)果。在上述5種情形下管道電位變化超過20 mV的區(qū)域分別分布在交叉點(diǎn)附近約0.8、3.3、1.1、5.0、0.9 km的區(qū)域內(nèi)。這表明，當(dāng)引起電位偏移方向一致的機(jī)車同時(shí)運(yùn)行時(shí)，管道附近軌道的雜散電流會(huì)增強(qiáng)（如圖8所示）。由此引起的管道干擾更加集中，而引起電位偏移方向不一致的機(jī)車同時(shí)運(yùn)行時(shí)，管道附近軌道的雜散電流會(huì)減弱，干擾強(qiáng)度會(huì)降低，但干擾影響范圍增大。

3.2.3 管道與地鐵線路相對(duì)位置變化時(shí)

當(dāng)電流為1760 A的機(jī)車運(yùn)行至1.8 km處，管道與地鐵線路相對(duì)位置變化時(shí)，埋地管道的電位分布變化如圖9所示。由圖9可見，埋地管道與軌道90°和45°交叉時(shí)所受干擾水平差距小于1 mV。與線路軌道并行段內(nèi)，管道所受干擾均較大，且并行間距越小，埋地管道所受的干擾越大，交叉點(diǎn)處干擾水平最大。在并行段，埋地管道所受的干擾水平與交叉時(shí)電位衰減至并行間距時(shí)的干擾水平差距小于10 mV，因而可利用交叉時(shí)的電位衰減預(yù)測并行時(shí)的干擾大小。由于并行間距越遠(yuǎn)，干擾水平也越小，因此可合理選擇間距來降低干擾水平。

圖9 單列機(jī)車運(yùn)行至1.8 km處時(shí)埋地管道的電位分布

3.3 地鐵排流網(wǎng)工作狀況的影響

在地鐵高峰運(yùn)行期間，通常監(jiān)測到地鐵構(gòu)筑物電位正向偏移電位平均值超過0.5 V時(shí)，地鐵排流網(wǎng)才與軌道導(dǎo)通而利用排流網(wǎng)回流，從而減少流入流出地鐵系統(tǒng)的雜散電流量。當(dāng)單列機(jī)車運(yùn)行至1.8 km處，在無排流網(wǎng)、有排流網(wǎng)但不與軌道電連接、有排流網(wǎng)且在7.2 km處與軌道電連接以及有排流網(wǎng)與軌道在0、3.6 km處電連接時(shí)，埋地管道的電位分布如圖10a所示；當(dāng)有4列機(jī)車分別運(yùn)行至1.8、5.4、9.0、12.6 km處，在無排流網(wǎng)、有排流網(wǎng)但不與軌道電連接、有排流網(wǎng)在牽引變電站與軌道電連接時(shí)埋地管道的電位分布如圖10b所示。對(duì)應(yīng)的軌道和排流網(wǎng)泄漏電流密度分別如圖11a、b所示。

圖10 單列和多列機(jī)車運(yùn)行時(shí)排流網(wǎng)在不同工作狀況下埋地管道的電位分布

圖11 單列和多列機(jī)車運(yùn)行時(shí)排流網(wǎng)在不同工作狀況下軌道和排流網(wǎng)泄漏電流密度分布

由圖10a可見，當(dāng)排流網(wǎng)在0、3.6 km處電連接（即在有機(jī)車運(yùn)行區(qū)間內(nèi)與牽引變電站電連接）時(shí)，埋地管道所受干擾最小。此時(shí)排流網(wǎng)收集雜散電流的效果最好，地鐵各處對(duì)外泄漏的電流密度均較小，如圖11a所示。若排流網(wǎng)在軌道與埋地管道的交叉點(diǎn)7.2 km處與軌道電連接時(shí)，連接點(diǎn)附近的雜散電流量反而增大，造成埋地管道所受干擾增大。當(dāng)排流網(wǎng)與軌道未電連接時(shí)，地鐵各處對(duì)外泄漏的電流密度均減小，越靠近機(jī)車運(yùn)行位置，其減小程度越明顯，如圖11b所示。由此對(duì)埋地管道所受干擾也有減小的作用。

考慮到排流網(wǎng)的上述影響規(guī)律，在多列機(jī)車運(yùn)行時(shí)，為了降低地鐵各處泄漏的雜散電流，雜散電流排流網(wǎng)應(yīng)不與軌道相連或者在每個(gè)牽引變電站與軌道相連。由圖10b可見，當(dāng)排流網(wǎng)對(duì)地過渡電阻為0.1 Ω·km時(shí)，在排流網(wǎng)不與軌道連接或者在每個(gè)牽引變電站與軌道相連下，埋地管道干擾均減小。其中排流網(wǎng)不與軌道連接產(chǎn)生的效果更佳，對(duì)外泄漏的雜散電流量也最小，如圖11b所示。這是因?yàn)榕帕骶W(wǎng)不與軌道連接時(shí)，軌道泄漏的雜散電流量由27.70 A增加28.30 A；當(dāng)排流網(wǎng)與軌道相連時(shí)，雜散電流泄漏量增加到96.22 A，從而導(dǎo)致整體效果變差。

3.4 地鐵站接地系統(tǒng)工作狀況的影響

當(dāng)單列機(jī)車運(yùn)行至1.8 km處，在計(jì)算模型中分別考慮無接地系統(tǒng)、各站接地系統(tǒng)相互未電連接且不與軌道連接、各站接地系統(tǒng)相互未電連接而7.2 km處站接地與軌道連接、相鄰接地系統(tǒng)通過電阻為0.2 Ω電纜連接但不與軌道連接以及相鄰接地系統(tǒng)通過電阻為0.2 Ω電纜連接但在7.2 km處與軌道電連接，共5種情形。由此計(jì)算獲得的埋地管道的電位分布如圖12所示，軌道對(duì)地電位和泄漏電流密度分布如圖13所示、各站接地系統(tǒng)泄漏雜散電流量如圖14所示。

由圖12可見，當(dāng)接地系統(tǒng)相互間采用電阻為0.2 Ω電纜連接，且7.2 km處站接地與軌道相連時(shí)，埋地管道受干擾的最正電位由?796 mV增加到612 mV；當(dāng)接地系統(tǒng)相互不連接，但7.2 km處站接地與軌道相連時(shí)，埋地管道受干擾的最正電位由－796 mV增加到1693 mV。由圖13可見，在7.2 km處站接地與軌道連接時(shí)，軌道對(duì)地電壓接近自然電位，泄漏電流密度降低接近0。由圖14可見，兩種情況下對(duì)應(yīng)的7.2 km處站接地系統(tǒng)泄漏電流增加到約4 A和5.5 A，從而造成干擾的增大。當(dāng)模型中增加接地系統(tǒng)但相互不連接或由0.2 Ω電纜連接時(shí)，只要不與軌道連接，埋地管道所受干擾均有減小，最大的電位變化分別為4 mV和34 mV。

圖12 單列機(jī)車運(yùn)行至1.8 km處在不同接地狀況下埋地管道的電位分布

圖13 單列機(jī)車運(yùn)行至1.8 km處在不同接地狀況下軌道對(duì)地電位和泄漏電流密度分布

由圖13可以看出，接地系統(tǒng)不與軌道連接時(shí)，對(duì)軌道對(duì)地電位和泄漏電流密度影響較小。由圖14可以看出，接地系統(tǒng)相互連接時(shí)，會(huì)吸收部分雜散電流，該電流總是與軌道泄漏雜散電流方向相反，因而對(duì)外泄漏的雜散電流密度降低，從而減小了干擾。

圖14 單列機(jī)車運(yùn)行至1.8 km處在不同接地狀況下各站接地系統(tǒng)電流

3.5 地鐵停車場工作狀態(tài)的影響

當(dāng)單列機(jī)車運(yùn)行至1.8 km處，在計(jì)算模型中分別考慮了線路軌道與停車場軌道未電連接和電連接兩種情況。此時(shí)處于7.2、15.6 km處埋地管道的電位分布如圖15所示，軌道對(duì)地電位和泄漏電流密度分布如圖16所示。

圖15 單列機(jī)車運(yùn)行至1.8 km處在不同接地狀況下埋地管道的電位分布

由圖15可見，當(dāng)線路軌道與停車場軌道由未電連接變?yōu)殡娺B接時(shí)，7.2 km處埋地管道所受干擾水平降低，而15.6 km處埋地管道所受干擾水平增加。由圖16可見，當(dāng)線路軌道與停車場軌道由未電連接變?yōu)殡娺B接時(shí)，軌道對(duì)地電位整體正移，無機(jī)車運(yùn)行區(qū)間軌道泄漏的雜散電流降低，靠近停車場處線路軌道泄漏的雜散電流降低量達(dá)到最大，此時(shí)停車場泄漏的雜散電流為1.32 A。由此造成遠(yuǎn)離停車場無機(jī)車運(yùn)行區(qū)間的干擾減小，而靠近停車場處埋地管道干擾增大。這表明停車場內(nèi)軌道集中會(huì)造成雜散電流的集中，從而增大附近埋地管道的干擾水平。

圖16 單列機(jī)車運(yùn)行至1.8 km處在不同接地狀況下軌道對(duì)地電位和泄漏電流密度分布

4 結(jié)論

1）由于地鐵軌道為焊接軌，當(dāng)?shù)罔F采用走行軌回流時(shí)，任何牽引供電區(qū)間內(nèi)運(yùn)行的機(jī)車及電流變化均會(huì)對(duì)靠近地鐵線路的埋地管道造成干擾影響。當(dāng)?shù)罔F排流網(wǎng)、站接地系統(tǒng)和停車場軌道不與線路軌道電連接時(shí)，與軌道交叉的埋地管道在交叉點(diǎn)處干擾最大，與軌道并行的埋地管道在并行段干擾較高，且并行間距越小，干擾越大。

2）當(dāng)?shù)罔F排流網(wǎng)不與線路軌道電連接時(shí)，能夠降低對(duì)外系統(tǒng)的雜散電流干擾，且排流網(wǎng)對(duì)地過渡電阻越小，緩解效果越好。當(dāng)?shù)罔F排流網(wǎng)與機(jī)車運(yùn)行的牽引變電站的軌道電連接時(shí)，能夠整體降低對(duì)外系統(tǒng)雜散電流的干擾水平。當(dāng)連接點(diǎn)不在機(jī)車運(yùn)行的牽引變電站附近，而是在管道與軌道交叉點(diǎn)時(shí)，反而會(huì)增大埋地管道所受的干擾水平。因此，排流網(wǎng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，應(yīng)全部連接牽引變電站處軌道或者均不連接，后者由于不會(huì)明顯增加泄漏的雜散電流量，因而排流效果優(yōu)于前者。

3）若埋地管道靠近地鐵站，當(dāng)站接地系統(tǒng)由于人身安全等原因與軌道電連接時(shí)，會(huì)大幅度地增大埋地管道所受的干擾水平。當(dāng)停車場軌道與線路管道電連接時(shí)，會(huì)增大停車場附近埋地管道所受干擾水平。

4）埋地管道所受地鐵雜散電流干擾水平與地鐵系統(tǒng)運(yùn)行工況及其與地鐵系統(tǒng)的相對(duì)位置息息相關(guān)。在選址上，應(yīng)盡量避免二者相互靠近；在防護(hù)上，應(yīng)充分考慮地鐵系統(tǒng)的運(yùn)行工況，盡量避免多列機(jī)車運(yùn)行時(shí)牽引電流均正向或負(fù)向變化，避免地鐵站接地系統(tǒng)或停車場軌道頻繁與線路軌道電連接。建議排流網(wǎng)對(duì)地過渡電阻要盡可能地小，且不與軌道電導(dǎo)通，從源頭上降低埋地管道所受雜散電流干擾水平，降低后續(xù)干擾緩解難度。

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Numerical Simulation of Stray Current Interference Rules on Buried Pipeline from Metro System under Different Operative Modes

DONG Liang, CHEN Jin-ze, YAO Zhi-lin, SHI Chao-jie

(School of Petroleum Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, China)

Stray current interference on nearby buried pipeline from metro system under variable operating conditions is complicated, so that the interference rules are difficult to obtain through field tests. In this paper, a numerical simulation model including an entire metro system with multiple traction sections, drainage network, grounding systems in stations and a parking lot, the buried pipeline and its cathodic protection system are constructed. Based on the numerical simulation method and professional software, the potential distribution of rail to earth, the leakage stray current density distribution from rail and drainage network, the stray current flow of grounding systems and a parking lot, and the potential distribution of buried pipeline under stray current interference are calculated under different metro operating conditions such as changes of the number, location and traction current of metro locomotives, the electric connections of drainage network, grounding systems and rails in the parking lot with the main track. The interference rules of stray current on buried pipeline from metro system under different operating conditions are determined. The results show that stray current interference on nearby buried pipeline occurs and is superposed from multiple traction sections with running locomotives. The maximum interference occurs at the intersection or parallel section of the buried pipeline and the track, and the smaller the parallel distance is, the closer the maximum interference level is to the interference level at the intersection. When the drainage network, grounding system in stations and parking lot track are not electrically connected with the main track, the interference level can be reduced to a certain extent. However, when the drainage network, grounding system in stations or/and parking lot track is locally electrically connected with the track, the interference level on buried pipeline will increase dramatically. The potential fluctuation of buried pipeline is caused by the change of metro operating condition, and the fluctuation degree is closely related to the running state of locomotives, the electric connection state of rail with grounding system or parking lot, the performance of drainage network and its working state, etc. Therefore, attention should be paid to the change of metro operating condition in metro stray current interference detection and protection.

metro system, stray current, influence laws, numerical simulation, buried pipeline, operating condition

2020-10-11；

2020-11-14

DONG Liang (1983—), Male, Doctor, Senior engineer, Research focus: corrosion and protection.

董亮, 陳金澤, 姚知林, 等. 地鐵運(yùn)行狀態(tài)變化下雜散電流對(duì)埋地管道干擾數(shù)值模擬[J]. 裝備環(huán)境工程, 2021, 18(4): 033-042.

TG172.84

A

1672-9242(2021)04-0033-10

10.7643/ issn.1672-9242.2021.04.005

2020-10-11；

2020-11-14

國家自然科學(xué)基金（51401017）

Fund：Supported by National Natural Science Foundation of China (51401017)

董亮（1983—），男，博士，高級(jí)工程師, 主要研究方向?yàn)楦g與防護(hù)。

DONG Liang, CHEN Jin-ze, YAO Zhi-lin, et al. Numerical simulation of stray current interference rules on buried pipeline from metro system under different operative modes[J]. Equipment environmental engineering, 2021, 18(4): 033-042.