軌道交通雜散電流對(duì)埋地金屬管線的影響及應(yīng)對(duì)措施

靳 凱

(上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院， 200235， 上海∥工程師)

由于城市地下空間限制，許多軌道交通在建設(shè)過程中，不可避免地要和一些天然氣管道、油氣管道等埋地金屬管線出現(xiàn)并行或交叉敷設(shè)的情況。在上述特殊區(qū)段全面考慮雜散電流腐蝕問題，設(shè)計(jì)合理的防護(hù)方案，對(duì)于埋地金屬管線的防護(hù)及地鐵本身來說，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 雜散電流腐蝕的標(biāo)準(zhǔn)

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》(以下簡(jiǎn)稱“GB 28026”)中提到，結(jié)構(gòu)鋼筋對(duì)地電位高峰小時(shí)正向偏移值小于200 mV時(shí)，非陰極防護(hù)區(qū)的結(jié)構(gòu)不需要采取特別的措施[1]。

2020年新發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——CJJ/T 49—2020《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(下簡(jiǎn)稱CJJ/T 49)對(duì)防護(hù)指標(biāo)進(jìn)行了細(xì)化，當(dāng)?shù)罔F沿線沒有陰極防護(hù)區(qū)時(shí)，要求同GB 28026，否則結(jié)構(gòu)鋼筋對(duì)地電位高峰小時(shí)正向偏移值應(yīng)≤100 mV[2]。

燃?xì)庑袠I(yè)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范一般利用管地電位正向偏移值>20 mV和土壤電位梯度2個(gè)指標(biāo)作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，CJJ 95—2013《城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦劁撡|(zhì)管道腐蝕控制技術(shù)規(guī)程》、GB 50991—2014《埋地鋼制管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡(jiǎn)稱“GB 50991”)、GB/T 21447—2018《鋼制管道外腐蝕控制規(guī)范》等規(guī)范均規(guī)定：當(dāng)管地電位正向偏移值>20 mV或土壤電位梯度>0.5 mV/m時(shí)，確認(rèn)存在直流干擾；當(dāng)管地電位正向偏移值>100 mV或土壤電位梯度>2.5 mV/m時(shí)，管道需及時(shí)采取防護(hù)措施[3-5]。

軌道交通雜散電流設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)鋼筋對(duì)地電位高峰小時(shí)正向偏移平均值≤0.1 V來考慮，既符合了地鐵方面的設(shè)計(jì)規(guī)范，又滿足了燃?xì)庑袠I(yè)的規(guī)范要求。

2 軌道交通雜散電流常規(guī)防護(hù)措施

一般情況下，軌道交通雜散電流腐蝕防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要圍繞“防” “排” “測(cè)”三方面進(jìn)行。在單邊供電條件下，雜散電流IS的計(jì)算公式為[6]：

Is=IRgL2/(8Rg/s)

(1)

式中：

Is——泄漏的雜散電流，A；

I——列車牽引平均電流，A;

Rg——走行軌縱向電阻，Ω/km;

Rg/s——走行軌對(duì)地過渡電阻，Ω/km;

L——牽引變電所和列車之間的距離，km。

從式(1)看出，Is∝L2，可以通過合理設(shè)置變電所間距減少雜散電流；Is∝Rg，可以通過選用無縫鋼軌、增加均回流點(diǎn)等措施保持回流通暢，減少雜散電流；Is∝1/Rg/s，可以通過設(shè)置絕緣墊、走行軌對(duì)地保持一定間隙、保持軌道清潔干燥等措施加強(qiáng)走行軌對(duì)地絕緣，CJJ/T 49也明確要求Rg/s不應(yīng)低于15 Ω·km[2]。

除了上述有關(guān)“防”的措施，一般還兼有“排”和“測(cè)”的措施。“排”，即在軌道正下方設(shè)置雜散電流收集網(wǎng)(即排流網(wǎng))，為雜散電流提供一條暢通的低電阻回路，將其引回變電所負(fù)極。排流網(wǎng)縱向鋼筋總截面應(yīng)滿足遠(yuǎn)期高峰時(shí)段排流網(wǎng)對(duì)地電位正向偏移平均值≤0.1 V的要求。

“測(cè)”，即在道床或結(jié)構(gòu)上設(shè)置測(cè)試端子和參比電極，來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)道床鋼筋或結(jié)構(gòu)鋼筋的極化電位，判斷其腐蝕情況。當(dāng)監(jiān)測(cè)到極化電位超標(biāo)時(shí)，投入排流裝置。

3 特殊區(qū)段的雜散電流防護(hù)措施

3.1 與埋地金屬管線的間距要求

管線與干擾源的間距是決定干擾程度的重要因素，埋地金屬管線應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離直流牽引系統(tǒng)的軌道交通線路。GB 50991建議管線與直流牽引系統(tǒng)宜保持間距，但并沒有具體要求[4]；GB 28026中進(jìn)行了明確，規(guī)定走行軌與埋地金屬管線在土壤中距離應(yīng)大于1.0 m[1]；GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》要求稍高，穿越軌道的燃?xì)夤艿理敳烤嘬壍儡壍撞恍∮?.2 m[7]。新建管線可按上述要求執(zhí)行，既有管線則可通過管線遷改來實(shí)現(xiàn)。

3.2 加強(qiáng)走行軌絕緣

軌道交通走行軌系統(tǒng)主要由鋼筋混凝土道床、鋼筋混凝土軌枕、橡膠絕緣墊和鋼軌構(gòu)成，其中，橡膠絕緣墊電阻值一般為1.0×108Ω。但是，混凝土在干燥和潮濕的條件下電阻率相差非常大，混凝土軌枕很容易在潮濕條件下變?yōu)閷?dǎo)電介質(zhì)，導(dǎo)致雜散電流泄漏，從而影響埋地金屬管線。

在有埋地金屬管線的特殊區(qū)段，除常規(guī)措施外，還可以采用納米涂層涂覆鋼軌、絕緣復(fù)合軌枕代替普通軌枕等措施來加強(qiáng)絕緣。其中，納米涂層是利用納米級(jí)顆粒對(duì)鋼軌側(cè)面及底部的鐵基表面進(jìn)行緊密包覆，其絕緣電阻值可達(dá)到1.24×109Ω[8]，甚至可以用于環(huán)境更為惡劣的有軌電車項(xiàng)目。絕緣復(fù)合軌枕則可以采用發(fā)泡聚氨酯樹脂材質(zhì)，該材質(zhì)具有優(yōu)異的絕緣性和耐久性，絕緣電阻值可達(dá)到1.0×1010Ω[9]，目前在北京、上海、成都、常州等地的軌道交通項(xiàng)目中均有應(yīng)用。

3.3 走行軌并接電纜

從式(1)可以看出，通過減小走行軌縱向電阻Rg，也可以達(dá)到減小雜散電流的目的。因此，也可在特殊區(qū)段兩端各延伸一定長(zhǎng)度內(nèi)的走行軌并接一段電纜，采用打孔脹釘螺栓方式與鋼軌進(jìn)行連接，以降低走行軌縱向電阻。

3.4 增大排流網(wǎng)截面

排流網(wǎng)縱向電壓U的計(jì)算公式[6]：

(2)

式中：

U——排流網(wǎng)允許的電壓降，V；

Rs——排流網(wǎng)單位長(zhǎng)度電阻，Ω/km，Rs=ρ·L/S，S為排流網(wǎng)縱向鋼筋總截面，mm2。

從式(2)可以看出，S越大，Rs越小，則U越小，即可以通過增大排流網(wǎng)縱向鋼筋總截面將縱向電壓降控制在較小范圍，減小雜散電流的泄漏水平。

在特殊區(qū)段增大排流網(wǎng)截面的方法有很多，可以通過在該區(qū)段內(nèi)增加排流網(wǎng)鋼筋數(shù)量、預(yù)埋紫銅排、兩端各延伸一定長(zhǎng)度內(nèi)的排流網(wǎng)并接排流電纜來實(shí)現(xiàn)。

3.5 主動(dòng)型防護(hù)措施

除上述措施外，還可以采用陽極保護(hù)法、陰極保護(hù)法、犧牲陽極法、排流保護(hù)法等措施進(jìn)行防護(hù)。

陽極保護(hù)法防護(hù)效果較好，是通過將管線電位提高到鈍化電位來進(jìn)行防護(hù)，但是由于地下管線情況復(fù)雜，實(shí)際操作起來較為困難。陰極保護(hù)法防護(hù)效果也很好，但是需要設(shè)置專門的直流電源，通過供出反方向電流來抵消雜散電流，造價(jià)相對(duì)較高。

軌道交通線路中一般可采用犧牲陽極法和極性排流法，分別用于地下區(qū)段和地面區(qū)段的埋地金屬管線防護(hù)。

3.5.1 地下區(qū)段埋地金屬管線防護(hù)

軌道交通地下線路中埋地金屬管線的防護(hù)可以采用犧牲陽極法。該方法較為簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，主要是利用鋅、鎂等活潑金屬作為陽極，通過測(cè)試裝置或直接與金屬管線相連，使金屬管線變?yōu)殛帢O，從而達(dá)到管線防護(hù)的目的。陽極的選型和布置應(yīng)符合GB/T 21448—2017《埋地鋼制管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中“犧牲陽極系統(tǒng)”的相關(guān)規(guī)定[10]。

3.5.2 地面區(qū)段埋地金屬管線防護(hù)

車場(chǎng)等地面區(qū)段由于道床型式制約及容易受到自然環(huán)境影響，雜散電流泄漏量往往更大，周圍埋地金屬管線的腐蝕也較為嚴(yán)重，可選用防護(hù)效果更好的極性排流法。極性排流法是將金屬管線直接與變電所負(fù)極柜相連，使泄漏到金屬管線的雜散電流再流回變電所負(fù)極。圖1為一種軌道交通沿線金屬管線的雜散電流防護(hù)裝置[11]。

圖1 一種軌道交通沿線金屬管線的雜散電流防護(hù)裝置

圖1中：“1”為負(fù)荷開關(guān)，主要用于通斷回路，并具有簡(jiǎn)單的滅弧功能；“2”為可自動(dòng)調(diào)節(jié)大小的限流電阻，避免過度排流；“3”為熔斷器，用于保護(hù)回路；“4”和“5”分別為分流器和表計(jì)，用于測(cè)量排流值；“6”為二極管，用于保證雜散電流單方向流動(dòng)。

負(fù)荷開關(guān)、熔斷器、二極管、分流器和表計(jì)等可根據(jù)排流電流值的1.5～2.0倍進(jìn)行選型。排流電流值I的計(jì)算公式[4]為：

I=VPR/(R1+R2+RPG+RRG)

(3)

式中：

VPR——未排流時(shí)的管軌電壓，V，可按GB 50991附錄A.4管軌電壓測(cè)試的方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)；

R1——排流電纜內(nèi)阻，可初步選定電纜型號(hào)，計(jì)算出排流電流值I后，再校驗(yàn)電纜的載流量，如不滿足要求，可放大一檔繼續(xù)校驗(yàn)；

R2——排流器內(nèi)阻，即圖2防護(hù)裝置內(nèi)部的電阻值(除限流電阻外)；

排流可以降低雜散電流對(duì)埋地金屬管線的腐蝕，將管線的極化電位限制在0.5 V的標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。但是，過度排流也容易引起鋼軌電位上升及雜散電流泄漏量變大，反而危害到周圍其他管線或鋼筋。因此設(shè)計(jì)時(shí)還需結(jié)合最大保護(hù)和最小干擾的原則，統(tǒng)籌考慮周圍管線情況，設(shè)置一個(gè)限定排流量ID，使管線的極化電位保持在0.5 V附近，既保證管線處于鈍化狀態(tài)，又避免過度排流帶來其他危害。上述要求可以通過在防護(hù)裝置內(nèi)部串聯(lián)一個(gè)連續(xù)可變并能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)大小的限流電阻RCL來實(shí)現(xiàn)，其大小可按如下公式[4]計(jì)算：

RCL=(I/ID-1)VPR/I

(4)

3.5.3 主動(dòng)型防護(hù)措施效果評(píng)價(jià)

犧牲陽極法或極性排流法主要是通過減小管地電位正向偏移幅值，或縮短其正向偏移持續(xù)時(shí)間來減小對(duì)埋地金屬管線的干擾。采用防護(hù)措施后，管地電位應(yīng)達(dá)到或接近未受干擾前的狀態(tài)或滿足GB 50991中有關(guān)電位正向偏移平均值ηV(%)的規(guī)定。

4 結(jié)語

在一些埋地天然氣管線、油氣管道等與軌道交通并行或交叉敷設(shè)的特殊區(qū)段，雜散電流的防護(hù)措施尤為重要，除一些常規(guī)的防護(hù)措施以外，本文提出了幾種加強(qiáng)防護(hù)措施。合理地選取防護(hù)方案，不僅可以減少對(duì)埋地管線的危害，對(duì)軌道交通自身來說，也起到了一定保護(hù)作用。