地鐵車輛段對埋地鋼質(zhì)管道的干擾及軌道對地過渡電阻的測試方法

吳廣春,王 燦,李 銘,姜乃良,馬雪莉,楊立君

(1. 安科工程技術(shù)研究院(北京)有限公司,北京 102200; 2. 國家管網(wǎng)集團(tuán)山東省分公司,濟(jì)南 250098;3. 山東省中遠(yuǎn)天然氣技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司,濟(jì)南 250098)

地鐵檢修車輛段(簡稱車輛段)和運(yùn)用停車場(簡稱停車場)由于軌道的絕緣等級相對較低(國內(nèi)多個車輛段測試結(jié)果為0.1～0.2 Ω),是地鐵系統(tǒng)雜散電流防控的薄弱點(diǎn)。國內(nèi)地鐵幾乎都存在車輛段和停車場區(qū)域雜散電流超標(biāo)的現(xiàn)象,場段內(nèi)設(shè)備燒損和掛地線打火等現(xiàn)象時有發(fā)生[1-5]。出入段單向?qū)ㄑb置是影響地鐵場段內(nèi)雜散電流分布的關(guān)鍵設(shè)備之一,傳統(tǒng)的單向?qū)ㄑb置的電流是單向?qū)ǖ?導(dǎo)致場段源源不斷地吸收來自正線牽引所的電流,即使是場段內(nèi)的牽引變電所斷電,流經(jīng)出入段單向?qū)ㄑb置的峰值電流也高達(dá)500～1 000 A,這會對附近的埋地金屬管道產(chǎn)生顯著的雜散電流干擾影響[6-7]。影響地鐵系統(tǒng)雜散電流的一個關(guān)鍵參數(shù)是軌道對地過渡電阻,目前,軌道對地過渡電阻的測試方法主要是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 62128.2:2013《Railway applications-Fixed installations-Electrical safety, earthing and the return circuit-Part 2: Provisions against the effects of stray currents caused by d.c. traction systems》和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》,采用電壓電流法測量軌道對地過渡電阻,測試時需要事先對軌道進(jìn)行分段電氣隔離,然而,在役軌道采用的是全線貫通的焊接鋼鋁復(fù)合軌,不具備電氣隔離的條件;雖然標(biāo)準(zhǔn)中也給出了一種無需分段隔離的測試方法,但測試結(jié)果只能反映測試點(diǎn)位置處的對地絕緣狀況,是一種單點(diǎn)測試方法,無法反映軌道整體的對地絕緣狀況,且測試計算過程復(fù)雜?？紤]到軌道對地過渡電阻與埋地管道防腐層絕緣電阻的測試方法本質(zhì)上是相同的(均屬于電壓電流法),故采用防腐蝕層絕緣電阻的測試方法測試軌道對地過渡電阻理論上是可行的,且防腐層絕緣電阻測試時無需對測試對象進(jìn)行絕緣分段,這為在役軌道的對地過渡電阻測試創(chuàng)造了可操作性的前提,實(shí)際操作中可將一個供電區(qū)間內(nèi)的軌道以均流線和回流電纜為界劃分為若干個區(qū)段,為區(qū)間內(nèi)在役軌道的對地絕緣水平測試評估創(chuàng)造了可能。筆者以國內(nèi)某地鐵車輛段及其臨近的埋地長輸管道為測試研究對象,開展車輛段內(nèi)出入段單向?qū)ㄑb置和庫內(nèi)軌電位限制裝置不同運(yùn)行工況下的地鐵和管道相關(guān)電參數(shù)的現(xiàn)場同步測試,通過對比分析明確了車輛段對埋地管道雜散電流干擾的影響;同時選取了某段在役地上軌道,探討了利用管道防腐蝕層絕緣電阻方法測試在役軌道對地過渡電阻的可行性,以期為國內(nèi)外同行提供參考和借鑒。

1 現(xiàn)場測試

1.1 測試位置

1.1.1 車輛段對管道的干擾

以某地鐵車輛段和某長輸管道的1～6號測試樁為研究對象,管道與地鐵線路并行,離車輛段最近的管道監(jiān)測點(diǎn)為2號測試點(diǎn),距離為2.61 km,管道與地鐵正線段的最近距離為2.3 km,位于2～3號測試點(diǎn)之間,如下圖1所示;各監(jiān)測點(diǎn)與車輛段的方位和距離見表1。圖2為車輛段內(nèi)電氣結(jié)構(gòu)簡圖,分別在停車庫、靜調(diào)庫和出入段處設(shè)置了兩臺單向?qū)ㄑb置,布置于軌道的兩側(cè),各股軌道間通過均流線連接在一起,庫內(nèi)軌道流經(jīng)的電流經(jīng)庫前單導(dǎo)回流至變電所的負(fù)極,吸收的來自正線的雜散電流經(jīng)出入段單導(dǎo)流回正線,庫內(nèi)軌道經(jīng)軌電位限制裝置與接地網(wǎng)連接,軌電位限制裝置的保護(hù)閾值設(shè)置為60 V。

圖1 管道各監(jiān)測點(diǎn)與地鐵線路的相對位置Fig. 1 The relative positions of each monitoring point of the pipeline and the subway line

表1 管道各監(jiān)測點(diǎn)與地鐵車輛段的方位和距離Tab. 1 The orientation and distance between each monitoring point of the pipeline and the subway depot

1.1.2 軌道對地過渡電阻

選取某試運(yùn)行軌道的某地上車站站臺區(qū)域?yàn)闇y試對象,如圖3所示,上下行軌道出站臺區(qū)域后,左側(cè)分岔成四股軌道至停車場,右側(cè)至地下隧道段,各股軌道之間通過均流電纜連接,選取兩處均流電纜間無支路的軌道作為測試目標(biāo),即圖中ab段軌道,長度為143 m。軌道道床為砟石道床。

圖2 車輛段內(nèi)電氣結(jié)構(gòu)簡圖Fig. 2 Electrical structure diagram inside the depot

圖3 軌道對地過渡電阻測試位置示意Fig. 3 Schematic of testing location of rail transition resistance to ground

1.2 測試工況與參數(shù)

地鐵車輛段對埋地管道干擾影響涉及4種運(yùn)行工況:(1) 出入段單導(dǎo)正常運(yùn)行和庫內(nèi)OVPD分閘;(2) 出入段單導(dǎo)正常運(yùn)行和庫內(nèi)OVPD合閘;(3) 出入段單導(dǎo)拆除和庫內(nèi)OVPD分閘;(4) 出入段單導(dǎo)拆除和庫內(nèi)OVPD合閘。測試時間段選為相同發(fā)車頻率時間段,測試期間車輛段混合變電所處于斷電狀態(tài),即車輛段自身的牽引供電系統(tǒng)不工作,每種工況的測試時間為2 h。

測試參數(shù)包括:管道極化電位、試片流入/出電流密度、軌道對地電位、單導(dǎo)流經(jīng)電流、庫內(nèi)OVPD流經(jīng)電流和軌道對地過渡電阻。

1.3 測試方法

1.3.1 管道極化電位和試片流入/出電流密度

采用試片斷電法進(jìn)行測試,在試驗(yàn)開始前,先關(guān)閉試驗(yàn)管段上下游范圍內(nèi)的恒電位儀、站內(nèi)外聯(lián)保和沿線排流設(shè)施,待管道去極化24 h后,在管道測試樁處埋設(shè)1 cm2陰極保護(hù)檢查片,檢查片埋深與管道同深,與管道外壁水平間距300 mm,通過測試樁與管道實(shí)施電連接,待試片極化24 h后,利用uDL2 Micro Data Logger數(shù)據(jù)記錄儀測試試片的通/斷電電位和電流密度,通斷周期為12 s/3 s,采樣頻率為1 s,測試時長為24 h,測試示意圖如下圖4所示。

圖4 管道極化電位和試片流入/出電流密度測試原理Fig. 4 Schematic diagram of principle of pipeline polarization potential and test piece inflow/outflow current density testing

1.3.2 軌地電位

分別測量庫內(nèi)軌道、庫外軌道和正線軌道的軌地電位,且?guī)靸?nèi)軌道和庫外軌道的軌地電位測試原理如圖5所示。正線軌道軌地電位在出入段單導(dǎo)的“正線軌道”母排端子處測試。采用uDL1 Micro Data Logger型數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測,測試前將uDL1 Micro Data Logger型數(shù)據(jù)記錄儀的量程設(shè)置為高量程(+150 V/-150 V),記錄儀紅色測試線連接至軌道端子母排,黑色測試線連接至便攜式硫酸銅參比電極(CSE),采樣頻率為1 s。

圖5 軌地電位測試原理圖Fig. 5 Principle diagram of rail potential to ground monitoring test

1.3.3 軌地間流經(jīng)電流

采用uDL1 Micro Data Logger型數(shù)據(jù)記錄儀在軌電位限制裝置內(nèi)的分流器處進(jìn)行測試, 測試前將uDL1 Micro Data Logger型數(shù)據(jù)記錄儀的量程設(shè)置為低量程(+150 mV/-150 mV),記錄儀紅色測試線連接至分流器的軌道連接端子處,黑色測試線連接至接地網(wǎng)連接端子處,采樣頻率為1 s。

1.3.4 單向?qū)ㄑb置流經(jīng)電流

單導(dǎo)內(nèi)部設(shè)置有6個子路分流器和1個總線路分流器,采用uDL1 Micro Data Logger型數(shù)據(jù)記錄儀在總分流器處進(jìn)行測試, 測試前將uDL1 Micro Data Logger型數(shù)據(jù)記錄儀的量程設(shè)置為低量程(+150 mV/-150 mV),記錄儀紅色測試線連接至分流器的庫內(nèi)軌道連接端子處,黑色測試線連接至正線軌道連接端子處,采樣頻率為1 s/次,測試示意圖如下圖6所示。

圖6 單導(dǎo)流經(jīng)電流測試原理圖Fig. 6 Principle diagram of current test flowed through single-phase conduction device

1.3.5 軌道對地過渡電阻

(1) 按照圖7所示布置測試設(shè)備,測試點(diǎn)a距離通電點(diǎn)應(yīng)不小于50 m,參比電極距離測量點(diǎn)應(yīng)不小于30 m;在軌道一端通過穩(wěn)壓直流電源施加電流,在電流回路中安裝同步斷路器,通/斷周期設(shè)置為:通電12 s,斷電3 s。

圖7 軌道對地過渡電阻測試原理圖Fig. 7 Principle diagram of rail transition resistance to ground testing

(2) 測量ab段的長度,確保測量段內(nèi)無其他電流支路。

(3) 測量軌道上各測量點(diǎn)的通斷電電位,按式(1)計算電位變化量。

ΔVa=Va·on-Va·off

(1)

式中:ΔVa為a測量點(diǎn)的通/斷電位差(V);ΔVa·on為a測量點(diǎn)的通電電位(V);ΔVa·off為a測量點(diǎn)的斷電電位(V)。

兩個測量點(diǎn)的電位差比可按式(2)計算,比值應(yīng)為0.625～1.6,不滿足要求時應(yīng)在兩點(diǎn)之間再增加一處或多處測量點(diǎn)。

(2)

式中:K為第1測量段的電位差比率;ΔVa為a測量點(diǎn)的通/斷電位差(V);ΔVb為b測量點(diǎn)的通/斷電位差(V)。

(4) 利用電流環(huán)法測量各測量點(diǎn)處通電狀態(tài)和斷電狀態(tài)下的流經(jīng)電流,其通/斷狀態(tài)下的電流量應(yīng)有明顯的變化,測量點(diǎn)的軌道內(nèi)電流按式(3)計算。

ΔIa=Ia·on-Ia·off

(3)

式中:ΔIa為a測量點(diǎn)的電流(A);ΔIa·on為a測量點(diǎn)的通電狀態(tài)下的電流(A);ΔIa·off為a測量點(diǎn)的斷電狀態(tài)下的電流(A)。

(5) 各測量段的平均通/斷電位差ΔV1和電流漏失量ΔI1可分別按式(4)和(5)計算。

(4)

ΔI1=ΔIa-ΔIb

(5)

式中:ΔV1為測量段的平均通/斷電位差(V);ΔI1為測量段的電流漏失量(A)。

(6)測量段軌道的電阻按式(6)計算。

(6)

(7) 測量段軌道的對地過渡電阻按式(7)計算。

(7)

式中:ωr-c為測量段軌道的對地過渡電阻(Ω·km);R1為測量段軌道的電阻(Ω);L為測試段長度(m)。

2 結(jié)果與討論

2.1 軌電位變化分布

由圖8可知:庫內(nèi)和庫外軌電位曲線基本重合,庫內(nèi)軌道正向軌電位稍正于庫外軌電位,原因在于單向?qū)ㄑb置晶閘管的正向?qū)ㄗ杩?均小于正線軌電位且與正線軌電位呈現(xiàn)反向?qū)ΨQ的關(guān)系。

圖8 正常運(yùn)行工況下的軌電位Fig. 8 Diagram of rail-to-ground potential under normal operation condition

由圖9可見:出入段單導(dǎo)正常運(yùn)行和庫內(nèi)OVPD分閘工況下,正線、庫外和庫內(nèi)軌道的軌電位正向平均值均大于標(biāo)準(zhǔn)要求值5 V;出入段單導(dǎo)拆除和庫內(nèi)OVPD分閘工況下軌電位正向平均值均小于5 V,軌電位降低明顯;此時,合閘庫內(nèi)軌電位限制裝置,軌電位進(jìn)一步減小;在前序工況的基礎(chǔ)上重新投用單導(dǎo)后,由于雜散電流量增加,軌電位有所抬升。

(a) 庫內(nèi)軌道 (b) 庫外軌道 (c) 正線軌道圖9 4種運(yùn)行工況下軌電位分布圖Fig. 9 Diagram of rail-to-ground potential under four different operation conditions: (a) tracks inside the parking garage; (b) tracks outside the parking garage; (c) main track

2.2 單導(dǎo)和庫內(nèi)軌電位限制裝置流經(jīng)電流的變化情況

單導(dǎo)(庫前單導(dǎo)和出入段單導(dǎo))和庫內(nèi)軌電位限制裝置流經(jīng)的電流采用GPS同步測試,同步時間誤差小于0.1 s,表2和表3為四種工況下,單向?qū)ㄑb置和庫內(nèi)軌電位限制裝置流經(jīng)電流統(tǒng)計結(jié)果,表2數(shù)據(jù)按照遞增或遞減的原則進(jìn)行排序,取排序前10%的數(shù)據(jù)的平均值稱為“10%峰值平均值”?？梢钥闯?(1) 正常工況下,出入段單向?qū)ㄑb置流經(jīng)的電流極值可達(dá)247.16 A,庫前單導(dǎo)流經(jīng)的電流平均值約為出入段單導(dǎo)的1.36倍,當(dāng)庫內(nèi)軌電位限制裝置合閘時,庫前單導(dǎo)流經(jīng)的電流平均值約為出入段單導(dǎo)的2.08倍;這說明雜散電流主要被庫內(nèi)軌所吸收,經(jīng)庫內(nèi)外單導(dǎo)和出入段單導(dǎo)回流至正線,但單導(dǎo)并非雜散電流的唯一通道;由于車輛段內(nèi)的軌道對地絕緣水平較差,一部分電流經(jīng)庫外軌道→土壤→正線軌道的路徑返回正線;(2) 當(dāng)出入段單導(dǎo)被拆除而庫內(nèi)軌電位限制裝置合閘時,仍然有極值可達(dá)308.81 A的電流流經(jīng)庫前單導(dǎo);只有當(dāng)出入段單導(dǎo)雙向截斷且?guī)靸?nèi)軌電位限制裝置分閘時,車輛段內(nèi)的雜散電流量才會顯著減小至0附近;車輛段內(nèi)雜散電流量主要受出入段單導(dǎo)和庫內(nèi)軌電位限制裝置的影響,單純將傳統(tǒng)單導(dǎo)換成智能單導(dǎo)(具備僅列車通過絕緣節(jié)時導(dǎo)通平時雙向截斷特性的新型單向?qū)ㄑb置)并不能完全解決車輛段的雜散電流問題。

表2 單向?qū)ㄑb置流經(jīng)電流分布統(tǒng)計結(jié)果Tab. 2 Current through single-phase conduction device

2.3 管道電位和電流參數(shù)變化分布

由圖10可見:沿線各監(jiān)測點(diǎn)處雜散電流均以流入占主導(dǎo),各種工況下,試片雜散電流流入和流出分布無明顯變化。

由圖11可見:三種工況下,管道電位偏移量和流入/流出雜散電流密度與正常運(yùn)行工況下無明顯差異,說明本案例中出入段單導(dǎo)和庫內(nèi)軌電位限制裝置對埋地管道的干擾影響范圍小于2.6 km。

表3 庫內(nèi)軌電位限制裝置流經(jīng)電流分布統(tǒng)計結(jié)果Tab. 3 Current through OVPD inside the parking garage

圖10 四種工況下管線沿線各監(jiān)測點(diǎn)處雜散電流流入時間/流出時間分布變化曲線Fig. 10 Distribution curve of the time ratio between stray current inflow and outflow in the pipeline monitoring points

2.4 軌道的對地過渡電阻

由表4可見:一行軌道的平均對地過渡電阻分別為0.44 Ω·km和0.50 Ω·km,未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求(標(biāo)準(zhǔn)要求值為15 Ω·km);考慮到該測試軌道段緊鄰地鐵停車場且采用與停車場軌道相同的砟石道床(砟石道床軌道的對地絕緣水平往往由于潮濕等因素的影響而小于混凝土整體道床),測試結(jié)果與其他學(xué)者的測試結(jié)果相近(國內(nèi)多個車輛段測試結(jié)果為0.1～0.2 Ω)[2-4],結(jié)合以上特征可認(rèn)為本測試方法有效可行,可用于在役軌道的對地過渡電阻測試。

3 結(jié)論與建議

(1) 具備雙向截斷特性的智能單導(dǎo)可有效降低車輛段內(nèi)的雜散電流水平,雙向截斷后,正線、庫外和庫內(nèi)軌道的軌電位正向平均值均減小至5 V以下。

(2) 車輛段內(nèi)的雜散電流水平受單導(dǎo)特性和庫內(nèi)軌道接地方式影響,僅將出入段單導(dǎo)從傳統(tǒng)的單向?qū)ㄐ娃D(zhuǎn)變成智能的雙向截斷型并不能完全解決車輛段的雜散電流問題,只有當(dāng)出入段單導(dǎo)雙向截斷且?guī)靸?nèi)OVPD分閘時,雜散電流幅值才接近于0。

表4 軌道對地過渡電阻Tab. 4 Rail transition resistance to ground testing

(3) 本案例中車輛段內(nèi)單導(dǎo)和庫內(nèi)接地對埋地管道的雜散電流干擾影響范圍小于2.6 km。

(4) 埋地管道防腐層絕緣電阻的測試方法與IEC 62128.2:2013和GB/T 28026.2-2018推薦的軌道對地過渡電阻測試方法本質(zhì)上是相同的,均屬于電壓電流測試法;利用埋地管道防腐層絕緣電阻的測試方法測試在役軌道對地過渡電阻經(jīng)驗(yàn)證是可行的。