軌道交通OVPD對(duì)埋地管道雜散電流干擾影響

上海天然氣管網(wǎng)有限公司 李德明

為緩解日趨嚴(yán)重的城市交通壓力，城市軌道交通得到了快速發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)城市軌道交通多采用直流750 V/1 500 V供電方式，利用接觸網(wǎng)或第三軌作為正極，走行軌兼作回流軌實(shí)現(xiàn)直流供電，運(yùn)行中牽引電流數(shù)值達(dá)數(shù)千安。鋼軌鋪設(shè)于道床上，利用絕緣墊與大地電氣絕緣。因鋼軌與大地間無(wú)法完全絕緣，鋼軌存在縱向電阻，回流鋼軌會(huì)向大地泄露一定電流，形成雜散電流，在鋼軌與地間產(chǎn)生電位差。雜散電流對(duì)臨近金屬構(gòu)筑物存在干擾腐蝕的影響，并且過(guò)高的軌地電壓可能造成人員人身安全傷害。為此，鋼軌沿線設(shè)置有雜散電流收集網(wǎng)，在各車站和停車場(chǎng)內(nèi)設(shè)置有鋼軌電壓限制裝置/過(guò)電壓保護(hù)器OVPD(Over-voltage protection device)。

1 國(guó)內(nèi)地鐵OVPD運(yùn)行狀況統(tǒng)計(jì)

在實(shí)際運(yùn)行中，國(guó)內(nèi)多個(gè)城市出現(xiàn)軌道交通OVPD頻繁接地，甚至閉鎖運(yùn)行，極大的雜散電流對(duì)臨近金屬管道帶來(lái)了嚴(yán)重的干擾腐蝕影響。成都1號(hào)線錦城廣場(chǎng)站OVPD在2011年1月至2012年1月14日期間動(dòng)作29次[1]；北京大興線自開(kāi)通試運(yùn)營(yíng)起屢次出現(xiàn)OVPDⅡ段保護(hù)多站同時(shí)動(dòng)作的異?，F(xiàn)象[2]；廣州、上海、天津、無(wú)錫、西安、昆明、南京、廈門(mén)等地區(qū)關(guān)于OVPD頻繁動(dòng)作和閉鎖都有報(bào)告。表1就廣州6條地鐵線路共計(jì)117座OVPD設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)14座(占12.0%)OVPD永久閉鎖，66座(占 56.4%)OVPD頻繁動(dòng)作[3]。北京大興線沿線共計(jì) 11個(gè)站點(diǎn)設(shè)置有 OVPD，在對(duì)OVPD為期5天運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)OVPD動(dòng)作頻繁：4月24日大興線出現(xiàn)5次OVPD動(dòng)作；4月23日沿線OVPD共計(jì)26次動(dòng)作；OVPD動(dòng)作連鎖效應(yīng)明顯，4月14日高米店北站、4月15日義和莊站 OVPD動(dòng)作后沿線 11個(gè)站點(diǎn)中 10個(gè)站點(diǎn)OVPD接連動(dòng)作，如表2所示。

表1 廣州6條地鐵線路OVPD運(yùn)行狀況統(tǒng)計(jì)

表2 北京大興線OVPD連鎖動(dòng)作

管道受軌道交通雜散電流干擾時(shí)，管道方僅知道管道受到了雜散電流干擾，但不知道具體的干擾源。因軌道交通狀況的差異，管道受軌道交通干擾的情況也存在差異，給管道防腐管理、干擾緩解設(shè)計(jì)等工作帶來(lái)了挑戰(zhàn)。本文就管道受OVPD雜散電流干擾的實(shí)例進(jìn)行討論，得出OVPD為軌道交通雜散電流重要干擾源，為解決軌道交通雜散電流防護(hù)問(wèn)題提出新思路。

2 軌道交通OVPD工作原理

直流牽引系統(tǒng)中，由于操作電流和短路電流的存在，可能會(huì)引起回流軌與大地間產(chǎn)生超過(guò)安全許可的接觸電壓。為減輕鋼軌電位升高對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)安全及乘客人身安全所造成的威脅，在回流軌與大地間接入鋼軌電壓限制裝置OVPD。一般OVPD多設(shè)置于車庫(kù)、站臺(tái)等人員較多的線路位置，由專業(yè)人員進(jìn)行維護(hù)。

OVPD通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋼軌電位，并遵循圖1的基本邏輯關(guān)系進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作。其中，三段電壓保護(hù)U>>>、二段電壓保護(hù) U>>主要會(huì)發(fā)生框架泄漏故障、供電故障等，相對(duì)發(fā)生幾率較小、處置工作迅速；一段電壓保護(hù) U>發(fā)生故障頻率較二段、三段電壓保護(hù)高，并且處置時(shí)效低，甚至存在OVPD長(zhǎng)期閉鎖運(yùn)行。OVPD長(zhǎng)時(shí)間接地和閉鎖運(yùn)行使得軌道交通雜散電流劇增，管道受干擾電流影響嚴(yán)重。

圖1 OVPD工作邏輯示意

2 軌道交通OVPD雜散電流對(duì)管道干擾影響

以某軌道交通的某管道為例，該管道直徑為813 mm、防腐層為3PE管道與軌道交通存在交叉位置關(guān)系，交叉位置軌道交通設(shè)有站臺(tái)，站臺(tái)設(shè)有OVPD，站臺(tái)距最近管道 A0+0.000 km處距離約100 m，管道與軌道交通相對(duì)位置見(jiàn)圖2，具體信息見(jiàn)表3?，F(xiàn)場(chǎng)觀察到OVPD接地動(dòng)作時(shí)最大電流能達(dá)到400 A，對(duì)臨近管道產(chǎn)生了嚴(yán)重的雜散電流干擾。

圖2 管道與地鐵干擾源相對(duì)位置示意

表3 管道與地鐵干擾源OVPD相對(duì)位置信息

在某次饋電排流試驗(yàn)中(饋電點(diǎn)距軌道交通與管道交叉測(cè)試點(diǎn)的管里程長(zhǎng)約6.3 km，恒流10 A饋電)，對(duì)交叉點(diǎn)測(cè)試樁A0+0.000 km進(jìn)行了長(zhǎng)期電位監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，管道受軌道交通雜散電流干擾，且當(dāng) OVPD動(dòng)作接地時(shí)管道受軌道交通雜散電流干擾強(qiáng)度增強(qiáng)，如圖3所示。

圖3 管道A0+000 km測(cè)試樁通斷電電位

對(duì)測(cè)試點(diǎn)同一時(shí)刻管道電位對(duì)齊(約18:20～8:00，13h40min)作圖，如圖4所示。受遠(yuǎn)端饋電試驗(yàn)影響，測(cè)試點(diǎn)陰極保護(hù)水平提升，表現(xiàn)為夜間相對(duì)穩(wěn)態(tài)下管道管地電位變負(fù)，斷電由–982 mV負(fù)移為–1 013 mV，負(fù)向偏移31 mV，遠(yuǎn)端饋電排流對(duì)本測(cè)試點(diǎn)管道陰極保護(hù)水平提升，但對(duì)干擾緩解效果有限。

圖4 OVPD閉鎖前后管道A0+000 km測(cè)試樁陰極保護(hù)狀況(左側(cè)閉鎖前，右側(cè)閉鎖后)

采用標(biāo)準(zhǔn)AS 2832.1—2015《Cathodic protection of metals-Pipes and Cables》中對(duì)軌道交通雜散干擾下陰極保護(hù)有效性評(píng)價(jià)時(shí)，其推薦監(jiān)測(cè)時(shí)間為24 h且不宜小于12 h。通常情況下，為消除不同時(shí)間段因軌道交通停運(yùn)、高峰運(yùn)行等干擾程度變化引起的評(píng)定參數(shù)結(jié)果的差異，多采用24 h監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估。在本例中主要考慮OVPD對(duì)管道雜散干擾的影響，監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)小于 24 h，但可借鑒 AS 2832.1—2015《Cathodic protection of metals-Pipes and Cables》中判定辦法就 OVPD閉鎖前后干擾情況進(jìn)行分析對(duì)比。具體分析數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表4。對(duì)比結(jié)果表明，OVPD閉鎖導(dǎo)通后管道受軌道交通雜散干擾影響增大1倍之多，管道極化電位正于陰保電位準(zhǔn)則100 mV的占比甚至為OVPD閉鎖前的6.3倍。由此可以看出OVPD對(duì)管道軌道交通雜散干擾影響大。

表4 管道A0+000 km測(cè)試樁電位數(shù)據(jù)分析

為減小軌道交通運(yùn)行中隨機(jī)性，取管道受干擾程度(正向、負(fù)向、流出、流入)最大的 10%的數(shù)據(jù)平均值作為干擾最為嚴(yán)重?cái)?shù)值，并與夜間相對(duì)穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，相關(guān)結(jié)果見(jiàn)表5。OVPD閉鎖后引入雜散電流為閉鎖前的2倍之多，管道干擾幅度、強(qiáng)度均增強(qiáng)，極大地降低了管道陰極保護(hù)水平，增大了緩解管道軌道交通雜散電流干擾的難度。可見(jiàn)，減少OVPD閉鎖次數(shù)、時(shí)間對(duì)控制軌道交通雜散電流影響意義重大，可見(jiàn)OVPD為軌道交通雜散電流重要干擾源。

表5 OVPD對(duì)地鐵雜散干擾強(qiáng)度影響（A0+0.000 km測(cè)試樁） V(CSE), A/m2

為考究沿線管道受該站臺(tái) OVPD干擾影響情況，對(duì)沿線管道追加了智能陰極保護(hù)樁以實(shí)時(shí)監(jiān)控管道電位情況。管道電位采集頻次為 10 min/個(gè)。A0+0.000 km測(cè)試樁電位顯示：2019/01/01至2020/01/15時(shí)間段，該站臺(tái)OVPD基本處于永久閉鎖狀態(tài)，如圖5所示；2020/01/03至2020/01/07時(shí)間段OVPD為未閉鎖(正常)狀態(tài)，如圖6所示。圖7～圖10為臨近站臺(tái)附近的4處管道測(cè)試樁于站臺(tái)OVPD閉鎖前后管道電位分布圖。

圖5 A0+0.000 km測(cè)試樁長(zhǎng)期電位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖6 A0+0.000 km測(cè)試樁OVPD接地前后管地電位變化

圖7 A0-1.833 km測(cè)試樁電位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(距OVPD接地系統(tǒng)約1.5 km)

圖8 A0-0.829 km測(cè)試樁電位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(距OVPD接地系統(tǒng)約0.67 km)

圖9 A0+0.000 km測(cè)試樁電位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(距OVPD接地系統(tǒng)約0.1 km)

圖10 A0+1.694 km測(cè)試樁電位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(距OVPD接地系統(tǒng)約1.5 km)

采用相同辦法，取管道受干擾程度(正向、負(fù)向、流出、流入)最大的10%的數(shù)據(jù)平均值作為干擾最為嚴(yán)重?cái)?shù)值，并與夜間相對(duì)穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)比獲得管道受干擾電位幅度。對(duì) A0-1.833 km、A0-0.829 km、A0+0.000 km、A0+1.694 km 4處測(cè)試樁受OVPD干擾前后電位變化(OVPD閉鎖時(shí)偏離穩(wěn)態(tài)數(shù)值減去OVPD未閉鎖時(shí)偏離穩(wěn)態(tài)數(shù)值)作圖，如圖 11、圖12所示。OVPD接地后，對(duì)周邊650 m處管道產(chǎn)生了較大影響，1.5 km范圍外的管道基本不受影響；距OVPD越近，管道受干擾越大。

圖11 管道受OVPD干擾隨管道里程衰減曲線

圖12 管道受OVPD干擾隨管道-OVPD間距衰減曲線

3 結(jié)語(yǔ)

燃?xì)夤艿朗苘壍澜煌ㄏ到y(tǒng)雜散電流干擾影響面臨較大的腐蝕安全風(fēng)險(xiǎn)，明晰軌道雜散電流干擾機(jī)理、源頭對(duì)保障管道陰極保護(hù)有效性，控制雜散電流、減小管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)意義重大。本文就軌道交通 OVPD動(dòng)作情況與管道受干擾情況進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析，得到以下結(jié)論：

(1)OVPD動(dòng)作接地使得管道雜散電流干擾增強(qiáng)，管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)增大；是軌道交通雜散電流重要干擾源。試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)到管道A0+000 km測(cè)試樁受站臺(tái)OVPD閉鎖影響，管道雜散電流、干擾強(qiáng)度增大1倍之多，管道正于陰極保護(hù)電位準(zhǔn)則100 mV的占比甚至為OVPD閉鎖前的6.3倍。

(2)長(zhǎng)期管道電位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，A0+000 km附近處站臺(tái)OVPD于2019年度基本處于永久閉鎖-接地狀態(tài)。

(3)站臺(tái)OVPD動(dòng)作接地時(shí)，對(duì)周邊650 m處管道產(chǎn)生了較大影響，1.5 km范圍外的管道受干擾影響較小。