埋地金屬管線的雜散電流防護(hù)方案

摘要：采用接觸網(wǎng)供電、走行軌回流方式的地鐵線路，走行軌無法與道床完全絕緣，導(dǎo)致回流電流通過走行軌泄漏至大地，形成雜散電流。當(dāng)雜散電流泄漏量超標(biāo)，會對城市軌道交通系統(tǒng)內(nèi)外的金屬管線產(chǎn)生一定的危害和影響，嚴(yán)重情況下，埋地金屬管線腐蝕穿孔，造成漏水或煤氣、燃?xì)庑孤?。因此，需要加強對雜散電流的防護(hù)與監(jiān)測。現(xiàn)結(jié)合工程實際，在地鐵常規(guī)雜散電流防護(hù)方案基礎(chǔ)上，提出了兩種雜散電流加強防護(hù)設(shè)計方案，通過詳細(xì)的分析對比，提出了最優(yōu)防護(hù)方案，為設(shè)計、建設(shè)部門的地鐵線路內(nèi)外部埋地金屬管線的雜散電流防護(hù)提供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵;雜散電流;埋地金屬管線;防護(hù)方案

0 引言

目前，城市地鐵供電系統(tǒng)基本采用接觸網(wǎng)（軌）供電、走行軌回流方式。地鐵運營初期，走行軌與道床之間的絕緣程度較高，即走行軌對地的過渡電阻值較大，由走行軌泄漏到周圍土壤介質(zhì)中的雜散電流也較少。但是隨著地鐵運營年限的增長，鋼軌的軌地絕緣性能降低，由走行軌泄漏到周圍土壤介質(zhì)中的雜散電流會明顯增大。近年來，北京、廣州、深圳、上海等多個城市的燃?xì)夤芫W(wǎng)以及環(huán)城長輸油氣管道，頻繁出現(xiàn)由軌道交通雜散電流干擾引起的管道腐蝕與防護(hù)問題，引起了管道企業(yè)的廣泛關(guān)注。

本文針對利用走行軌回流方式的地鐵線路，在地鐵常規(guī)雜散電流防護(hù)設(shè)計方案基礎(chǔ)上，提出了最優(yōu)雜散電流加強防護(hù)方案，以最大程度地減少地鐵雜散電流對埋地金屬管線的影響。

1 地鐵正線雜散電流常規(guī)防護(hù)方案

1.1? ? 防護(hù)方案

（1）正線牽引變電所均勻布置，平均間距2.65 km，距離不遠(yuǎn)，可有效減小雜散電流值。

（2）牽引網(wǎng)采用雙邊供電方式，較單邊供電方式，可有效減小雜散電流值，雜散電流值僅為單邊供電的1/4。

（3）走行軌下設(shè)置絕緣墊;道床面至走行軌底面的間隙大于30 mm，走行軌對地保持一定間隙;道床兩側(cè)設(shè)置排水溝，保證排水通暢，保持道床混凝土干燥;盡量增加道床混凝土厚度;采用以上措施，加強走行軌對地絕緣，減小走行軌對地過渡電阻值，同時加強軌道運營維護(hù)，可有效減少雜散電流的泄漏。

（4）走行軌選用60 kg鋼軌，全線盡量采用長鋼軌，鋼軌接頭處設(shè)置連接電纜，同時正線上、下行走行軌間設(shè)置均流電纜，牽引變電所至上、下行走行軌間設(shè)置回流電纜，車輛基地內(nèi)設(shè)置多處回流點，使?fàn)恳娏骶徒亓?，保證牽引回流通路通暢，有效減少雜散電流的泄漏。

（5）負(fù)回流電纜采用截面為150 mm2的直流銅芯電纜，與走行軌連接后引至回流電纜轉(zhuǎn)換箱，然后用截面為400 mm2的直流銅芯電纜引至牽引變電所負(fù)母線，回流電纜數(shù)量應(yīng)根據(jù)牽引供電計算結(jié)果確定，且應(yīng)保證當(dāng)其中一根電纜出現(xiàn)故障時，其余電纜也能滿足導(dǎo)電截面的要求。

（6）在車站兩端和區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道處設(shè)置上、下行均流電纜，在設(shè)置牽引變電所的車站一端，不再設(shè)置均流電纜。均流電纜采用2×1×150 mm2的直流銅芯電纜。

1.2? ? 排流方案

區(qū)間及區(qū)間兩側(cè)車站整體道床中，設(shè)置雜散電流排流鋼筋網(wǎng)、整體道床結(jié)構(gòu)伸縮縫連接端子和電氣連接電纜，區(qū)間兩側(cè)牽引變電所附近整體道床上設(shè)置排流端子，同時在變電所內(nèi)設(shè)置排流柜。

1.3? ? 監(jiān)測方案

區(qū)間及區(qū)間兩側(cè)車站整體道床中，設(shè)置雜散電流監(jiān)測鋼筋網(wǎng)、整體道床鋼筋電位測量端子、參比電極和智能傳感器，變電所內(nèi)設(shè)置雜散電流監(jiān)測裝置，智能分析趨勢并存儲相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 埋地金屬管線的雜散電流加強防護(hù)方案

2.1? ? 鋼軌并聯(lián)電纜防護(hù)方案

在區(qū)間（CK18+911～CK19+101）左、右線鋼軌最外側(cè)并聯(lián)直流銅芯電纜（5×1×150 mm2），減少雜散電流的泄漏。鋼軌并聯(lián)電纜防護(hù)方案如圖1所示。

2.2? ? 單向?qū)ㄑb置及連接電纜防護(hù)方案

在區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道小里程方向90 m和大里程方向100 m處的左、右線鋼軌（CK18+911～CK19+101）上分別設(shè)置一對鋼軌絕緣節(jié)，并在鋼軌絕緣節(jié)兩側(cè)設(shè)置單向?qū)ㄑb置（安裝于區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)）及連接電纜（10×1×150 mm2），單向?qū)ㄑb置的導(dǎo)通方向為天然氣管道與隧道平行區(qū)域?qū)蚍瞧叫袇^(qū)域，并在左、右線鋼軌最外側(cè)采用連接電纜（5×1×150 mm2）將絕緣節(jié)兩端連接，保證回流通暢。單向?qū)ㄑb置及連接電纜防護(hù)方案如圖2所示。

3 雜散電流防護(hù)方案比較分析

3.1? ? 方案一：常規(guī)設(shè)計方案

地鐵行駛在天然氣管道與地鐵隧道平行及其他區(qū)域時，回流電流全程通過鋼軌回流至就近牽引變電所負(fù)極，由于安裝了走行軌絕緣，理論上無雜散電流，不會對埋地金屬管線產(chǎn)生影響。

隨著地鐵運營年限的增長，當(dāng)走行軌與道床之間絕緣變差，雜散電流不可避免地由走行軌泄漏至大地，有可能對埋地金屬管線產(chǎn)生影響。

3.2? ? 方案二：鋼軌并聯(lián)電纜防護(hù)方案

（1）埋地金屬管線和地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)平行區(qū)域：利用鋼軌和并聯(lián)電纜回流，一部分回流功能由并聯(lián)電纜代替，鋼軌中回流電流總量減少。正線鋼軌型號為60 kg/m，其電阻值約為0.037 Ω/km，5根150 mm2截面的直流1 500 V銅芯電纜的電阻值約為0.025 8 Ω/km。由于鋼軌和電纜為并聯(lián)關(guān)系，對于同一并聯(lián)區(qū)段，在電壓相等的情況下，鋼軌上和電纜上分別流過的電流大小與其電阻值成反比。經(jīng)估算，并聯(lián)5根150 mm2截面的電纜后，鋼軌的回流電流為未并聯(lián)電纜時的41.1%。理論上，雜散電流向地鐵外部的泄漏量也降低為原來的41.1%。理論上，雜散電流向地鐵外部的泄漏量降低41%。

（2）埋地金屬管線和地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)非平行區(qū)域：利用鋼軌回流，雜散電流可能會從埋地金屬管線向鋼軌流動，無法避免雜散電流對地下埋地金屬管線造成影響。

3.3? ? 方案三：單向?qū)ㄑb置及連接電纜防護(hù)方案

（1）埋地金屬管線和地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)平行區(qū)域：當(dāng)?shù)罔F車輛行駛在天然氣管道與地鐵隧道平行區(qū)域時，回流電流通過鋼軌、單向?qū)ㄑb置及10根截面為150 mm2的單芯直流銅芯電纜回流至變電所負(fù)極。此時，與天然氣管道平行區(qū)域的鋼軌電位為正，若有雜散電流，則由鋼軌流向下方埋地金屬管線，埋地金屬管線處于陰極保護(hù)狀態(tài)。

（2）埋地金屬管線和地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)非平行區(qū)域：當(dāng)?shù)罔F車輛行駛在埋地金屬管線與地鐵隧道平行區(qū)域外時，正常情況下，與埋地金屬管線平行的鋼軌電位可能為正，也可能為負(fù)，當(dāng)鋼軌電位為正時，分析原理同上;當(dāng)鋼軌電位為負(fù)時，雜散電流由埋地金屬管線向負(fù)電位的鋼軌流動，但是本方案與埋地金屬管線平行的鋼軌設(shè)置了鋼軌絕緣節(jié)以及10根截面為150 mm2的連接電纜，雜散電流無法從埋地金屬管線向鋼軌流動，從而避免埋地金屬管線產(chǎn)生陽極腐蝕，可最大程度地減小本工程雜散電流對埋地金屬管線的影響。

3.4? ? 方案比選分析

方案一的鋼軌全程參與牽引供電系統(tǒng)回流，當(dāng)走行軌與道床之間絕緣變差時，雜散電流不可避免地由鋼軌泄漏至大地，該方案雖然不增加投資，但有雜散電流泄漏的風(fēng)險。

方案二的鋼軌全程參與牽引供電系統(tǒng)回流，局部鋼軌并聯(lián)電纜，從理論上可以減少并列電纜區(qū)段的雜散電流向地鐵外部的泄漏量，但是無法完全消除雜散電流對地下埋地金屬管線的影響。

方案三的局部鋼軌的回流功能由并聯(lián)的電纜和單向?qū)ㄑb置代替，從理論上可以最大程度地減少與地鐵線路平行段的埋地金屬管線受地鐵牽引供電系統(tǒng)雜散電流的影響。

4 結(jié)語

綜上所述，為最大程度地減少雜散電流對地下埋地金屬管線的影響，推薦采用方案三，即采用單向?qū)ㄑb置及連接電纜防護(hù)方案，作為埋地金屬管線的雜散電流加強防護(hù)設(shè)計方案。同時，雜散電流具有不可預(yù)測性和不確定性，鑒于工程實際應(yīng)用情況，建議與地鐵隧道平行段的埋地金屬管線，應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，采取必要的陰極防護(hù)等主動性防護(hù)措施。

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收稿日期：2020-06-24

作者簡介：彭青（1987—），女，甘肅張掖人，工程師，主要從事軌道交通供配電系統(tǒng)工程設(shè)計、科研、管理工作。