獨立四軌回流系統(tǒng)對埋地管道直流干擾測試

張 坤，田 慶，張 豪，祖 健，李松原，劉 煒

0 引言

近年來，城市軌道交通發(fā)展迅速，線路與埋地金屬管道相鄰或交錯的情況時有發(fā)生，采用走行軌回流的直流牽引供電系統(tǒng)存在鋼軌電位與雜散電流問題，產生的雜散電流對埋地金屬管道的干擾腐蝕問題日益突出。目前的雜散電流腐蝕防護系統(tǒng)主要采用增加鋼軌對地過渡電阻、降低鋼軌本體電阻、提高接觸網電壓減小鋼軌回流大小等方法。上述方法可以起到一定的防護效果，通常成本太高或無法從根本上徹底解決問題。

文獻[1]以埋地燃氣管道受地鐵雜散電流干擾的實測結果為基礎，從干擾的程度和范圍進行考慮，分析了管道、地鐵的相對位置對雜散電流干擾的影響。文獻[2]結合地鐵附近航油輸送管道檢測結果，對不同防護措施效果展開了研究。文獻[3]利用函數擬合的方法得到高壓直流接地極雜散電流與管道金屬腐蝕量的關系。文獻[4]分析了高壓直流輸電系統(tǒng)對埋地金屬管道的干擾機理、危害以及相應的緩解措施，梳理了高壓直流輸電系統(tǒng)對埋地金屬管道干擾的測試方法，并討論了高壓直流輸電系統(tǒng)對埋地金屬管道干擾的計算方法。文獻[5]闡述通過在高壓直流接地極附近的多條埋地管道安裝電位監(jiān)測裝置，對管道電位進行長時間連續(xù)監(jiān)測，得出接地極與管道的垂直距離越短、靠近接地極端雜散電流流入流出的管段越短，其對遠離接地極端的管道的干擾程度越大、干擾范圍越廣的結論。文獻[6]以某直流接地極及其附近天然氣管道為例，基于測試結果，分析管道位置、接地極入地電流對管道受雜散電流干擾的影響。高壓直流輸電系統(tǒng)與直流牽引供電系統(tǒng)作為雜散電流的源頭，存在明顯的差異，但高壓直流輸電系統(tǒng)雜散電流對管道干擾的研究可以作為直流牽引供電系統(tǒng)雜散電流對管道干擾研究的參考。

鄭許線與多處燃氣管道交錯，為避免雜散電流對埋地金屬管道的干擾和腐蝕，該線采用獨立四軌回流系統(tǒng)[7-9]。為驗證采用獨立四軌回流系統(tǒng)的城市軌道交通系統(tǒng)對埋地燃氣管道的干擾情況，對鄭許線開通前后周邊燃氣管道測試點進行測試。

1 測試方法和測試儀器

雜散電流作用下的埋地金屬管道會受到電化學腐蝕，電化學腐蝕具有集中性的特點，而且腐蝕程度更為嚴重。雜散電流對埋地金屬管道的干擾如圖1 所示。

圖1 雜散電流對埋地金屬管道干擾示意圖

埋地金屬管道在雜散電流的作用下，可根據電流的流向分為陽極區(qū)和陰極區(qū)。其中，雜散電流流出管道的區(qū)域為陽極區(qū)，管道失去電子發(fā)生腐蝕；雜散電流流入管道的區(qū)域為陰極區(qū)，陰極區(qū)一般不會受到電化學腐蝕，但陰極區(qū)電位過負會導致金屬管道的析氫反應，進而造成防腐層剝落。

1.1 測試方法

雜散電流對埋地管道的腐蝕本質上是電化學腐蝕，可以通過地電位和土壤中電流的變化來確定。常用的試驗方法有：管地電位試驗、密距電位試驗、大地電位梯度試驗、管內電流試驗等。本次測試采用管地電位測試和管道附近大地電位梯度測試的方法。

1.1.1 管地電位測試

管地電位是指天然氣管道與參比電極之間的電位差。GB/T 21246—2020 給出測試方法和測試原理[10]，其中對測量儀表、參比電極、測量要求、電位極性均作出了明確規(guī)定。陰極防護管道測試原理如圖2 所示。本次測試中的管道施加了陰極保護，采用施加陰極防護管道管地電位測試方法。

圖2 陰極防護管道管地電位測量接線

1.1.2 大地電位梯度測試

土壤電位梯度是由流過土壤的電流形成的電位，采用雙參比電極法測試。在GB 50991—2014中對地電位梯度的檢測作了明確的規(guī)范[11]，檢測原理如圖3 所示。2 組參比電極等間距十字交叉分布，依據國標規(guī)定，2 只參比電極的間距不宜小于20 m。通過2 組參比電極電位合矢量，可以得到土壤電位梯度的大小和方向。水平與垂直方向的地電位梯度分別為該方向電位大小除以對應參比電極之間的距離。

圖3 十字交叉法測電位梯度原理

1.2 測試設備

軌道交通系統(tǒng)的雜散電流泄漏與機車的位置和加速度有關。雜散電流的動態(tài)變化對測試系統(tǒng)的頻率和精度提出了更高的要求。本文采用軌道回流系統(tǒng)參數智能測試裝置（PRRSP），實時顯示測試數據并自動存儲數據，數據采集頻率為2 Hz。該監(jiān)測系統(tǒng)由參比電極、測試模塊、PC 機和連接線組成，測試誤差為0.1%。

1.3 直流干擾的判定標準

GB 50991—2014《埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準》要求針對直流牽引系統(tǒng)為直流干擾源的調查測試應包括鐵軌附近地電位梯度，并通過地電位梯度判斷土壤中雜散電流強弱。地電位梯度與雜散電流強弱的關系如表1 所示。

表1 地電位梯度與雜散電流干擾強度的關系

GB/T 19258—2014《埋地鋼質管道腐蝕防護工程檢驗》中規(guī)定，如果管道已經施加陰極保護且無法關閉，或者發(fā)現有雜散電流源，但無法判定是直流或交流時，可測試管地電位波動值。干擾程度的評價見表2 所示。

表2 特殊情況下干擾程度的評價指標

2 測試結果

選取鄭許線附近的6 處燃氣管道測試樁進行連續(xù)24 h 管地電位和大地電位梯度的測試。土壤電位梯度測試的2 個參比電極間距為20 m。測試點分布見圖4，分布基本覆蓋鄭許線鄭州段全線。

圖4 測試點分布

2.1 鄭許線開通前測試

鄭許線開通之前，測試時間安排在鄭許線施工建設期間，此時線路上沒有列車運行，牽引變電所無負荷，回流軌無電流。同一測試點的管地電位和地電位梯度測試為同步測試。

2.1.1 管地電位測試

鄭許線與高速鐵路相鄰，周邊燃氣管道受交流雜散電流和直流雜散電流的共同影響，利用管地電位波動范圍對管道受雜散電流干擾程度進行判斷。開通前測試點埋地輸氣管道電位測試結果平均值、波動幅度、干擾程度如表3 所示。

表3 開通前管地電位測試結果

因這些測試點位的燃氣管道主要開啟了管道的陰極保護，且管道周邊有高鐵線路會產生交流雜散電流，管道受到直流雜散電流和交流雜散電流的共同干擾。由于管道受陰極保護程度較高，在24 h測試階段管道電位均為負，受腐蝕的可能性較小，腐蝕程度較低。

圖5 所示為開通前2號測試點的管地電位測試結果，在23：00—次日4：00 時段，交流雜散電流較小，管地電位的波動范圍較小，其余時間管地電位波動較大，這與鐵路運行和停運的時間特征相吻合。本次測試時間為鄭許線開通之前，管道所受雜散電流干擾與鄭許線無關。背景調查顯示，該測試點周邊存在多條高速鐵路和城際鐵路線路，推斷本次測試中管地電位受交流干擾影響。

圖5 開通前2 號測試點管地電位測試結果

2.1.2 大地電位梯度測試

在測試過程中，將北方向和東方向視為正方向，南方向和西方向視為負方向，分別計算南北方向和東西方向的大地電位大小的平均值，最后對4 個象限的地電位進行合成后得到和矢量坐標。東西與南北方向的地電位梯度分別為該方向電位大小除以對應參比電極之間的距離。表4 所示為開通前大地電位梯度的測試結果。

表4 開通前地電位梯度測試結果 mV/m

地電位梯度測試結果為直流雜散電流造成的直流干擾。開通前大地電位梯度的強度除測試點6之外均為一般，測試點6 距離鄭許線相對較遠，約為2 km，因此地電位梯度強度較弱。圖6 所示為2號測試點的地電位梯度波形。

圖6 開通前2 號測試點地電位壓降

2.2 鄭許線開通后測試

鄭許線開通后，在相同測試點進行第2 次管地電位和大地電位梯度的同步測試。此時，線路上有列車運行，牽引變電所帶負荷運行，回流軌有電流通過。

2.2.1 管地電位測試

開通后管地電位的平均值和波動幅度的測試結果如表5 所示。并參照表2 的評判標準對管地電位的受干擾程度進行評判。

表5 開通后管地電位測試結果

開通后管地電位測試結果表5 和圖7 顯示管地電位存在日間波動較大，夜間波動較小的情況。開通后和開通前管地電位測試結果相差較大，推測產生較大差別的原因可能是管道陰極保護存在一定的波動，鄭許線周邊的高速鐵路、城際鐵路等鐵路網會產生交流干擾，對周邊的管地電位產生影響，管道陰極保護的運行效果受到影響。且開通前測試時鄭州正值夏季高溫干旱，土壤電阻率較高。開通后測試時鄭州雨水較為充沛，土壤電阻率較低導致。

圖7 開通后2 號測試點管地電位

2.2.2 大地電位梯度測試

將北方向和東方向視為正方向，南方向和西方向視為負方向，分別計算各象限地電位梯度的平均值，東西與南北方向的地電位梯度分別為該方向電位大小除以對應參比電極之間的距離。對照表6 分析地電位梯度強度。

表6 開通前地電位梯度測試結果 mV/m

對比鄭許線開通前后2 次測試結果顯示，測試點1 的地電位梯度減小了31.11%，測試點2 的地電位梯度增加了18.49%，測試點3 的地電位梯度減小了77.33%，測試點4 的地電位梯度減小了70.55%，測試點5 的地電位梯度減小了26.76%，測試點6 的地電位梯度增加了46.15%，地電位梯度的強度出現增加或減少，開通后未出現明顯增加趨勢。由于鄭許線采用獨立四軌回流系統(tǒng)，回流軌對地過渡電阻較高，直流雜散電流泄漏較小，所以前后2 次的測試結果影響不大。圖8 所示為2 號測試點的地電位波形。

圖8 開通后2 號測試點地電位壓降

3 結語

本文對鄭許線地鐵周邊6 個燃氣管道測試樁進行了管地電位和大地電位梯度的測試實驗，研究了鄭許線雜散電流對附近埋地輸氣管道的干擾。

對比鄭許線開通運行前后2 次測試結果顯示，地電位梯度的強度出現增加或減少，開通后未出現明顯增加趨勢。但對管地電位的測量研究表明，管地電位受直流雜散電流和交流雜散電流共同作用，導致鄭許線管地電位開通前后2 次實驗結果差別較大。

通過對地電位梯度的分析，綜合本次實驗的前后2 次測試結果，鄭許線采用獨立四軌回流系統(tǒng)，開通前后對燃氣管道的直流干擾基本無影響。