地鐵檢修基地雜散電流對高壓天然氣管道的干擾及治理措施

蔣卡克

(上海天然氣管網有限公司，上海 201204)

為緩解日益嚴峻的城市交通壓力，地鐵建設在全國各大城市蓬勃發(fā)展。上海作為特大型城市，全國經濟中心，地鐵線路已達16條，運營里程共計705 km，已高居世界第一。同時，上海在役管道運營里程達750 km，“南北貫通、東西互補、兩環(huán)相連”的環(huán)形能源網絡與錯綜復雜的地鐵網絡交織在一起。近些年地鐵雜散電流對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。經統(tǒng)計，運營地鐵與在役高壓管道的交叉和平行點達39處，新一輪地鐵建設后再增加16處，遠景規(guī)劃建設還將增加9處。隨著地鐵高速建設，其雜散電流對周圍金屬管道的干擾范圍、程度將會進一步加深，雜散電流安全隱患問題是交通和能源領域亟待解決的重要技術問題。

目前，管道方對于受地鐵雜散電流干擾的埋地管道的研究局限于管道側管地電位監(jiān)檢測、干擾強度和影響范圍分析以及被動防護措施探索等[1-4]，地鐵方也只是單一地從雜散電流產生原因和防護方面開展研究[5-6]，而關于地鐵系統(tǒng)內部檢修基地雜散電流對周邊埋地管道電位波動影響的研究鮮見報道。由于管道與地鐵分屬不同行業(yè)，除上海外，國內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)調機制，從管道側和地鐵側共同開展研究工作。本工作通過地鐵檢修基地內部軌地電位、電流和管地電位等參數(shù)的同步檢測，建立軌道電位、流經鐵軌的電流變化與管地電位波動的直接聯(lián)系，分析雜散電流是如何通過基地對埋地管道產生干擾，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設計提供指導和借鑒。

1 研究對象及檢測參數(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象，旨在探索地鐵檢修基地釋放的雜散電流對周邊埋地管道電位造成的波動規(guī)律，分析了管地電位正向和負向波動的主要原因。這兩處管道均鄰近檢修基地敷設而過，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，再由單向導通裝置連接，以確保檢修基地內側電流可以通過單向導通流向正線，而正線電流無法通過鐵軌流入檢修基地內部，如圖1所示。

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

試驗監(jiān)測參數(shù)為管地電位、軌地電位和流經軌道的電流，采用UDL-2數(shù)據記錄儀記錄電位數(shù)據，用SWAN電流環(huán)套住電流流經的電纜采集電流數(shù)據，采用UDL-1數(shù)據記錄儀記錄電流數(shù)據。UDL-1和UDL-2同步記錄數(shù)據，采集周期為1 s，采集時長為24 h。監(jiān)測對象分別為離檢修基地最近點管道的管地電位，基地外側正線區(qū)近咽喉區(qū)(E點)、咽喉區(qū)近正線區(qū)(D點)、咽喉區(qū)近檢修區(qū)(C點)、檢修區(qū)近咽喉區(qū)(B點)的軌地電位，接地極即A點(大地流入接地極為正值)和咽喉區(qū)至正線區(qū)即D點(咽喉區(qū)指向正線為正值)、B點(檢修區(qū)指向單向導通為正值)、C點(單向導通指向咽喉區(qū)為正值)、G點(單向導通指向變電站為正值)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點軌地電位負向偏移引起的干擾

圖2～4為E點軌地電位負向偏移時，各點軌地電位,管地通電電位,咽喉區(qū)至正線區(qū)(D點)及檢修基地站內接地極(A點)電流的同步監(jiān)測數(shù)據。當圖2實線框內正線E點軌地電位變負，由于正線區(qū)和咽喉區(qū)之間存在單向導通裝置(導通電壓僅為0.7 V)，E點電位小于D點電位且電位差大于0.7 V，單向導通裝置觸發(fā)導通，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點軌地電位也變負；由于D點和C點是電連通軌道，C點軌地電位也變負，但咽喉區(qū)軌地絕緣電阻相對較差，軌地電位衰減較大，故C點軌地電位并沒有比D點軌地電位更負(見圖2)。同理，咽喉區(qū)與檢修區(qū)之間單向導通觸發(fā)導通，B點軌地電位負向移動(見圖2)。正線E點軌地電位變負，使得檢修基地的軌地電位變負，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)至正線的單向導通裝置流回正線的鐵軌，再流回正線檢修基地的負極，此時檢修基地附近管道為雜散電流流出點，管地電位正向偏移，且E點軌地電位越負，基地吸收電流越大，管地電位越正(見圖3和圖4)。

圖2 E點軌地電位負向偏移時軌地電位數(shù)據圖(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點軌地電位負向偏移對A和D點電流的影響(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點軌地電位負向偏移對管地電位的影響(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D點電流為0 A時，A點電流為-110 A(接地極持續(xù)往大地釋放電流)，B點的電流為300 A，C點的電流幾乎為0，這表明此時沒有正線電流流入檢修基地內部，接地極釋放的電流是基地內變電站供電產生，且對附近的管道影響不大。當正線區(qū)E點軌地電位變負時，A點升高至0 A，B點電流升高至370 A，C點電流升高至10 A，這說明接地極A點未吸收電流，管道電位變正與接地極無關。根據圖5(b)圖所示，當D點電流為0 A時，B、C、G點和D點均無電流，當正線區(qū)E點軌地電位變負時，D點電流升至680 A，A點電流升至160 A，大地電流通過接地極流入軌道，B點電流升至170 A，C點電流升至50 A，G點電流升至120 A，表明接地極有電流流入，其中50 A通過C點流向正線，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點軌地電位負向偏移對電流的影響Fig. 5 Effect of negative shift of rail-to-soil potential at point E on currents

通過上述兩個案例分析可知，當正線軌地電位變負時，會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點軌地電位正向偏移引起的干擾

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

圖6 E點軌地電位正向偏移時軌地電位數(shù)據圖(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點軌地電位負向偏移對A和D點電流的影響(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點軌地電位正向偏移對管地電位的影響(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點軌地電位正向偏移對電流的影響。致使附近管地電位變負。根據圖9所示，在圖中實線框內，E點和D點軌地電位均變正，此時機車進出基地跨越咽喉區(qū)和正線區(qū)之間絕緣墊片兩側，咽喉區(qū)至正線區(qū)單向導通裝置被機車短路，正線大量電流通過機車流入基地內部。圖9(a)中接地極A點電流從穩(wěn)態(tài)時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點電流都變?yōu)樨撝?，電流從軌道通過接地極流入大地；咽喉區(qū)C點電位高于檢修區(qū)B點電位，B點電流均降低至0 A，C點電流有正有負，G點電流甚至出現(xiàn)逆流現(xiàn)象，如圖9(c)所示。上述B、C、G和A點電流波動均是由于基地內外導通，正線雜散電流進入基地內部所致，電流大小和方向的無規(guī)律變化與基地內部機車運行位置、供電大小、檢修區(qū)內列車數(shù)量、停車道等因素相關。

(a) 2019-01-11

(b) 2019-05-08

(c) 2019-05-07圖9 E點軌地電位正向偏移對電流的影響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點流入大地的雜散電流比圖10(b)中的更小，但管地電位負向偏移程度更大，即管道受干擾反而更大。同時，在圖9(a)中，沒有電流通過接地極流入大地，但是電位仍然負向波動。這說明通過接地極流入大地的電流主要為基地內部變電站電流并非正線進入基地的雜散電流。

2.3 基地變電站供應電流對管地電位的影響

圖11為白天地鐵運行時各點軌地電位、電流和管地電位的數(shù)據圖。當正線E點軌地電位正向波動時，B、C、D點軌地電位均不變，咽喉區(qū)至正線區(qū)D點電流為0 A，接地極A點電流為-100 A，如圖11(a)所示，電流從軌道流向大地。根據2.2節(jié)分析可知，接地極電流為基地內變電站電流，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點軌地電位正向偏移時不同時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 地鐵運行時軌地電位、電流與管地電位數(shù)據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為夜間地鐵停運時各點軌地電位、電流和管地電位的數(shù)據圖。當正線E點軌地電位不變，由于基地內變電站供電，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，波動幅度較小。由此可知，當接地極流入流出的電流為基地內變電站供電電流時，其電流對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 地鐵停運時軌地電位、電流與管地電位數(shù)據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

根據以上分析可知，當正線軌地電位降低時，單向導通會使基地內部軌地電位降低，咽喉區(qū)軌道會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；當正線軌地電位升高時，若機車進出基地，大量正線雜散電流進入基地內部，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?；诖?，提出以下幾點建議：

(1) 在無機車進出檢修基地時，檢修基地的鐵軌和正向鐵軌需保持絕緣。

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

(3) 機車進出基地時，正線雜散電流會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應提高咽喉區(qū)軌道對地電阻，加強絕緣，減少電流流入大地。

3 結論

(1) 當正線軌地電位負向偏移時，咽喉區(qū)至正線區(qū)的單向導通裝置導通，基地處于電勢低洼點，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，通過單向導通裝置流回正線，此時管道管地電位正向偏移，雜散電流通過管道流出，使管道存在腐蝕風險，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) 當正線軌地電位正向偏移時，在機車進出基地時，正線區(qū)和咽喉區(qū)通過列車導通，大量雜散電流進入基地，并從基地咽喉區(qū)管道流入大地，此時管道的管地電位負向偏移；若無機車進出場站時，無電流進入基地，管道受到的干擾較小。

(3) 當正線軌地電位負向偏移，或軌地電位正向偏移且列車進出基地時，基地內變電站的供電大小和電流流向均會產生變化，與基地內部機車運行位置、供電大小、檢修區(qū)內列車數(shù)量、停車道等因素均相關。

(4) 當正線軌地電位正向偏移且無列車進出基地時，基地內部與正線間無電流流動，此時接地極的電流流動均是基地內變電站的供電電流，對周邊埋地管道影響較小。