吳廣春 ,李德明 ,張夢夢

(1.安科工程技術(shù)研究院(北京)有限公司,北京 102200;2.上海天然氣管網(wǎng)有限公司,上海 200123)

近年來,地鐵雜散電流干擾影響受到越來越多的關(guān)注,國內(nèi)外陸續(xù)報道了地鐵雜散電流干擾導(dǎo)致埋地管道和地鐵主體結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕的案例[1-9],安全風(fēng)險不容小覷。地鐵系統(tǒng)雜散電流干擾埋地管道的防護措施可歸納為3類:(1) 限制地鐵牽引電流泄漏的控源法,包括增加走行軌絕緣等級、減小牽引所之間的間距和降低鋼軌縱向電阻等[10-13],屬于主動防控法;(2) 排流法,GB 50991-2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中提出了直接排流法、極性排流法、強制排流法和接地排流法等4種排流保護法,其中,接地排流法具有可操作性強和協(xié)調(diào)難度低等優(yōu)點,是目前國內(nèi)管道企業(yè)較常用的方法[14-18],屬于被動防御法;(3) 輔助措施,如防腐蝕層修復(fù)、避開干擾源、絕緣隔離和加強雜散電流檢測等[19-20],其中,限制牽引電流泄漏是地鐵雜散電流干擾防護最重要和最關(guān)鍵的環(huán)節(jié),美國科羅拉多州區(qū)域公共交通管理局在輕軌設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,在正常運行條件下,應(yīng)限制或降低雜散電流源頭的泄漏水平,而不是緩解雜散電流對運輸系統(tǒng)設(shè)施和地下金屬構(gòu)筑物產(chǎn)生的有害影響。目前,常用的幾種雜散電流源頭控制措施主要有增加走行軌的絕緣等級、減小牽引所之間的間距和降低鋼軌縱向電阻。然而,這些措施無法阻止雜散電流的產(chǎn)生。國內(nèi)地鐵雜散電流防護系統(tǒng)采用CJJ/T 49-2020《地鐵雜散電流腐蝕防護技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中推薦的方案三,即絕緣+監(jiān)測+排流方案,走行軌兼做回流軌,要求走行軌與隧道主體結(jié)構(gòu)(或大地)之間的過渡電阻不低于15 Ω·km,目前,我國滿足此限值要求的地鐵線路數(shù)量有限。受積水、潮濕和導(dǎo)電沉積物等因素影響,隨著地鐵線路運行年限的延長,軌道對隧道主體結(jié)構(gòu)和對地的絕緣水平均不斷降低[21-22]。地鐵系統(tǒng)牽引所的分布受鋼軌對地電位、主體結(jié)構(gòu)極化電位和工程投資的影響,牽引所之間間距大、數(shù)量少,區(qū)間鋼軌對地電位和主體結(jié)構(gòu)極化電位會增大,而牽引所之間間距小、數(shù)量多則會提高工程投資成本[23]。國內(nèi)地鐵軌道均采用焊接軌,除了日常的軌道清潔,無其他可顯著降低其縱向電阻的防護措施。

本工作總結(jié)了6種地鐵線路設(shè)計和運營階段可采用的雜散電流防控技術(shù)及其研究進展和應(yīng)用現(xiàn)狀,并對地鐵雜散電流干擾防護的相關(guān)研究方向進行了展望,以期為國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)的研究提供參考和借鑒。

1 專用回流軌道牽引供電系統(tǒng)應(yīng)用

受施工、材料選擇及運維管理等因素影響,國內(nèi)地鐵走行軌與大地之間的過渡電阻難以達到標(biāo)準(zhǔn)要求,不可避免會產(chǎn)生雜散電流,專用回流軌道牽引供電系統(tǒng)很好地解決了此問題。專用回流軌道采用與接觸網(wǎng)相同的絕緣等級,絕緣電阻達到兆歐級別,從源頭上遏制了雜散電流的產(chǎn)生。

專用回流軌道牽引供電系統(tǒng)有兩種,即網(wǎng)軌混合牽引供電系統(tǒng)和四軌牽引供電系統(tǒng)[23-24]。網(wǎng)軌混合牽引供電系統(tǒng)采用DC 1 500 V(電壓為1 500 V的直流電)接觸網(wǎng)授電和DC 1 500 V 接觸軌回流供電的方式,專用軌架設(shè)在走行軌遠(yuǎn)離疏散平臺的一側(cè),與現(xiàn)有供電方式完全一致,車輛加設(shè)集電靴和切換電路即可,改造成本低,建設(shè)及運營經(jīng)驗成熟,電氣安全等級高,設(shè)置電氣分段后便于短路故障排查。四軌牽引供電系統(tǒng)采用授電軌和回流軌協(xié)同供電的方式,授電軌連接牽引所的正極軌,回流軌與牽引所的負(fù)極柜相連,形成一個完整的供電回路,該方案國內(nèi)無先例,改造成本高,雨雪天氣易短路。網(wǎng)軌混合牽引供電系統(tǒng)在現(xiàn)有技術(shù)裝備水平、建設(shè)和運營經(jīng)驗以及電氣安全性等方面均優(yōu)于四軌牽引供電系統(tǒng),更符合國內(nèi)城市軌道交通的基本情況。目前,我國已建成第一條采用網(wǎng)軌混合牽引供電系統(tǒng)的地鐵線路——寧波地鐵4號線(見圖1),采用四軌牽引供電系統(tǒng)的地鐵線路以倫敦地鐵Northern line和馬來西亞地鐵KelanaJaya為代表(見圖2),國內(nèi)暫無案例。寧波地鐵4號線運營后,回流軌與結(jié)構(gòu)鋼筋(或大地)之間的過渡電阻大于5 500 Ω,沿線地電位梯度小于0.5 mV/m,沿線車站結(jié)構(gòu)鋼筋的對地電位正向偏移量平均值小于0.1 V,雜散電流得到了很好地控制。

圖1 寧波地鐵4號線專用軌道回流牽引供電系統(tǒng)Fig.1 Dedicated return rail traction power supply system of Ningbo metro line 4#

圖2 四軌牽引供電系統(tǒng)Fig.2 Four-track traction power supply system:(a) London underground Northern line;(b) Malaysia KelanaJaya

2 專用回流軌道電氣分段

設(shè)置回流軌電氣分段有利于快速排查回流軌道對地絕緣故障,從而抑制雜散電流的產(chǎn)生,其原理與管道加設(shè)絕緣接頭分段類似,CJJ/T 49-2020標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,走行軌在穿越水域的隧道、潮濕地段及高架橋等重點防護區(qū)域時應(yīng)設(shè)置絕緣節(jié)和隔離開關(guān)。走行軌兼做回流軌時,采用全線貫通的焊接鋼鋁復(fù)合軌,不具備設(shè)置回流軌電氣分段的條件。

對于專用回流軌道,可在接觸網(wǎng)上網(wǎng)和回流軌回流點設(shè)置雙極隔離開關(guān),實現(xiàn)與接觸網(wǎng)的同時分段和接通,寧波地鐵4號線未設(shè)置回流軌電氣分段,在建的鄭州地鐵17號線正線段設(shè)置了雙極隔離開關(guān),實現(xiàn)了回流軌的電氣分段[25]。

3 智能單向?qū)ㄑb置的應(yīng)用

地鐵車輛段和停車場軌道的絕緣等級均相對較低,這是地鐵系統(tǒng)雜散電流防控的薄弱點,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[26-27]。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置具有電流單向?qū)ㄌ匦?這使場段至出入段之間的軌道始終保持電氣連通,導(dǎo)致場段不斷吸收來自正線牽引所的電流,場段內(nèi)的牽引變電所斷電時,流經(jīng)出入段單向?qū)ㄑb置的電流峰值可高達500～1 000 A,且只有出入段線的軌地電位為負(fù)值時,才會有電流流過單向?qū)ㄑb置,出入段線的軌地電位越負(fù),單向?qū)ㄑb置中流過的電流就越大[28],產(chǎn)生的雜散電流對附近埋地金屬管道的影響越顯著。新型智能單向?qū)ㄑb置通過內(nèi)部電氣結(jié)構(gòu)改造,無車輛時處于雙向截斷狀態(tài),有車輛通過出入段軌道絕緣節(jié)時處于電氣導(dǎo)通狀態(tài),這有效控制了地鐵場段的雜散電流水平。俞益[29]采用新型智能單向?qū)ㄑb置對寧波地鐵1號線天童莊車輛段進行了改造,改造前車輛段的土壤地電位梯度極值為7.01 mV/m,改造后其地電位梯度極值降低至2.04 mV/m。蔡彬彬等[30]通過對南京地鐵二號線馬群車輛段出入段的單向?qū)ㄑb置進行改造,將傳統(tǒng)單向?qū)ㄑb置的正向二極管優(yōu)化為雙向均設(shè)置晶閘管,同時,在單向?qū)ㄑb置兩側(cè)安裝傳感器,保證車輛通過時,晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài),改造后,附近燃?xì)夤艿罉O化電位正向偏移量平均值從273.8 mV 降至71.3 mV,有效減小了地鐵雜散電流對燃?xì)夤艿离娢坏挠绊?。黃山山等[31]對國內(nèi)某地鐵車輛段進行測試時發(fā)現(xiàn),庫內(nèi)鋼軌對地電位限制裝置動作頻繁,日均約100次,通過以下措施對原出入段單向?qū)ㄑb置進行優(yōu)化設(shè)計:(1) 取消出入段單向?qū)ㄑb置的二級管;(2) 在原有可控單向晶閘管基礎(chǔ)上,增加一個反向晶閘管,或采用絕緣節(jié),并在其兩側(cè)加設(shè)接觸器,以實現(xiàn)列車經(jīng)過或壓差超限時觸發(fā)閉合導(dǎo)通信號的作用,避免絕緣節(jié)打火;(3) 在原有單向?qū)ㄑb置隔離開關(guān)基礎(chǔ)上,增加可遠(yuǎn)控隔離開關(guān)功能,以保障在正線支援車輛段供電工況時,電氣液壓調(diào)速器能遠(yuǎn)程控制負(fù)極隔離開關(guān)的合上。這些優(yōu)化設(shè)計有效解決了車輛段鋼軌對地電位限制裝置動作頻繁的問題。目前,寧波地鐵、南京地鐵和廣州地鐵的大部分運營線路均替換成新型智能單向?qū)ㄑb置,無錫地鐵3號線和杭州地鐵機場快線等新建線路也都采用了新型智能單導(dǎo)的設(shè)計方案。

需要注意的是,僅僅優(yōu)化出入段單向?qū)ㄑb置并不能完全解決車輛段雜散電流超標(biāo)的問題,車輛段雜散電流分布除了受出入段單向?qū)ㄑb置結(jié)構(gòu)影響外,還受車輛段軌道接地方式影響。廖鈞等[32]對停車場和車輛段的雜散電流進行檢測后發(fā)現(xiàn),部分采用獨立接地方式的軌道,其車輛段的雜散電流峰值約為230.7 A,軌道與地網(wǎng)直接電連接的停車場的雜散電流峰值達610.2 A,車輛段全部軌道均采用獨立接地后,其雜散電流進一步減小。廖鈞等[32]在對國內(nèi)某地鐵車輛段進行測試后發(fā)現(xiàn):(1) 出入段單向?qū)ㄑb置雙向截斷,保持庫內(nèi)軌道與地網(wǎng)直接連接,可使庫內(nèi)外單向?qū)ㄑb置中流過的電流10%峰值依舊高達150 A;(2) 只有當(dāng)出入段單向?qū)ㄑb置雙向截斷和庫內(nèi)鋼軌對地電位限制裝置處于分閘狀態(tài)時,場段的雜散電流才接近0。目前,國內(nèi)部分城市地鐵場段的軌道依舊采用直接接地的方式,如上海地鐵、廣州地鐵和南京地鐵。

4 雜散電流動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化

目前,主要通過監(jiān)測結(jié)構(gòu)鋼筋極化電位的正向偏移量來反映城市軌道交通雜散電流的泄漏程度,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中也給出了可接受的正向偏移量指標(biāo)。英國BS EN 50162:2014《直流系統(tǒng)中雜散電流引起腐蝕的防護》、GB/T 28026.2-2018,IEC 62128-2:2013和BS/EN 50122.2:2011標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,混凝土鋼筋極化電位的最大正向偏移量為200 mV(含歐姆降)。CJJ/T 49-2020《地鐵雜散電流腐蝕防護技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定,結(jié)構(gòu)鋼筋對地電位高峰小時正向偏移平均值應(yīng)取0.1 V(或1 h內(nèi)10%峰值的正向偏移平均值應(yīng)取0.5 V),生產(chǎn)運行中常以正向偏移量平均值200 mV 作為監(jiān)測閾值。但是,現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)存在一定的局限性:(1) 監(jiān)測參數(shù)單一,主要以結(jié)構(gòu)電位為主,部分城市地鐵系統(tǒng)會加測鋼軌對地電位,如蘇州地鐵和無錫地鐵,而核心參數(shù)如泄漏電流和軌道對地和對結(jié)構(gòu)過渡電阻均無法監(jiān)測;(2) 單點測試,僅反映參比電極附近的雜散電流分布,無法有效監(jiān)控整個區(qū)間的雜散電流分布,且設(shè)置參比電極受環(huán)境影響較大[33]。針對以上局限性,國內(nèi)廠家和相關(guān)學(xué)者對其進行了優(yōu)化設(shè)計[33],以回流電纜和均流線為界,將一個供電區(qū)間劃分為若干個監(jiān)測區(qū)段,在分界點設(shè)置智能傳感器,每個傳感器與軌道之間設(shè)置8個連接點,包括6路輸入信號、1個主體結(jié)構(gòu)鋼筋和1個參比電極的連接點,兩個傳感器之間構(gòu)成一個監(jiān)測區(qū)段,如圖3所示。利用兩個傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)計算區(qū)段內(nèi)的平均泄漏電流,進而得到區(qū)段軌道的平均對地過渡電阻,測試原理如圖4所示,分別按式(1)～(3)計算泄漏電流和軌道平均對地過渡電阻。優(yōu)化后的系統(tǒng)可用于監(jiān)測每個區(qū)間的結(jié)構(gòu)極化電位、軌電位、泄漏電流和軌道對地、對結(jié)構(gòu)過渡電阻,監(jiān)測效果和監(jiān)測能力均有提高,有助于地鐵雜散電流的源頭防控。目前,該監(jiān)控系統(tǒng)已在上海和寧波等地鐵線路上進行試點應(yīng)用。

圖3 優(yōu)化后的雜散電流動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)及其監(jiān)測區(qū)段1的布置示意Fig.3 Schematic diagram of the arrangement of optimized stray current dynamic monitoring system (a)and its monitoring section 1 (b)

圖4 軌道對地過渡電阻和泄漏電流測試原理示意Fig.4 Schematic diagram of test principle of rail-earth transition resistance and leakage current

式中:IA為A 點軌道流經(jīng)的電流,A;Uab為a,b點間的軌道縱向電壓降,V;Rab為a,b點間的軌道縱向電阻,Ω;I泄漏為A,C 點間軌道泄漏的雜散電流,A;IC為流經(jīng)C點軌道的電流,A;R為A,C點間軌道平均對地過渡電阻,Ω·km;UA,UC分別為A 點和C點的軌道對地電位,V;IA1,IA2分別為A 點左、右軌道流經(jīng)的電流,A;IC1,IC2分別為流經(jīng)C點左、右軌道的電流,A;L為A,C點間軌道的長度,m。

5 避免鋼軌電對地位限制裝置長時間和多臺裝置聯(lián)動閉鎖

國內(nèi)地鐵普遍存在鋼軌對地電位限制裝置(OVPD)頻繁動作和閉鎖的情況。本工作對廣州地鐵6條線路共計117臺OVPD 的運行情況進行了調(diào)研統(tǒng)計,如表1所示,14臺(占比12%)OVPD 永久閉鎖,66 臺(占比56.4%)OVPD 頻繁動作[34]。對于上海、天津、無錫、西安、昆明、南京和廈門等城市地鐵線路的OVPD,也有相關(guān)報道[35]。此外,部分城市地鐵線路存在OVPD 連鎖動作或閉鎖的情況,如北京地鐵大興線頻繁出現(xiàn)鋼軌對地電位Ⅱ段保護異常動作,其在2011年4月23日至4月27日的監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2,聯(lián)動效應(yīng)明顯,主要是設(shè)備開關(guān)動作時產(chǎn)生的操作過電壓導(dǎo)致的[36]。陳勇等[36]在對國內(nèi)某地鐵線路測試時發(fā)現(xiàn),OVPD 閉鎖后,入地電流峰值高達1 100 A,兩臺OVPD 同時閉鎖時,入地電流峰值增大至1800 A,這對其9km范圍內(nèi)的管道產(chǎn)生干擾,嚴(yán)重威脅管道的安全運行。地鐵運營單位可將OVPD 監(jiān)測信號接入數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(SCADA)系統(tǒng),以加強對其運行狀態(tài)的監(jiān)控,出現(xiàn)閉鎖后應(yīng)立即啟動響應(yīng),恢復(fù)其正常運行狀態(tài)。對于OVPD 間的連鎖動作效應(yīng),可通過對其內(nèi)部電路進行優(yōu)化,在分流器旁并聯(lián)設(shè)置毫伏電壓繼電器,繼電器接點串聯(lián)接入原接觸器分閘回路中,保證OVPD 分閘時的電流小于設(shè)定值,避免操作過電壓的產(chǎn)生[36]。目前,多個城市均采用此方案對OVPD 進行了改造,蘇州地鐵OVPD 設(shè)置I段電流保護動作定值為100 A,北京地鐵OVPD 設(shè)置閉鎖電流限值為200 A。管道運營單位在對干擾區(qū)管道進行日常巡護時,應(yīng)重點關(guān)注臨近地鐵線路的OVPD 運行狀況,提前對其干擾風(fēng)險進行預(yù)判和評估。

表1 廣州地鐵線路OVPD運行狀況統(tǒng)計Tab.1 Statistics of OVPD operating condition in Guangzhou metro

表2 北京地鐵大興線某站點連鎖動作OVPD數(shù)量統(tǒng)計Tab.2 Statistics of number of chain action OVPD at a certain site in Beijing metro Daxing line

6 謹(jǐn)慎投用地鐵排流柜和避免排流柜與鋼軌對地電位限制裝置連鎖動作

地鐵排流柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示,共設(shè)置5條支路,分別連接上下行道床收集網(wǎng)、上下行側(cè)壁結(jié)構(gòu)鋼筋和接地網(wǎng)。本工作對國內(nèi)某地鐵線路及其臨近的埋地長輸管道進行了同步測試,以某地鐵線路1號～3號牽引站和某長輸管道1號～5號測試樁為測試對象,管道與地鐵線路交叉,交叉點位置在3號測試樁附近,如圖6所示,管道各監(jiān)測點與地鐵牽引站的相對位置見表3,分別測試了排流柜8種運行工況對管道的干擾影響。由表4可見:排流柜道床支路投用時,流經(jīng)排流柜的電流峰值約為230 A,接地網(wǎng)支路投用時,電流峰值迅速升高至850 A,道床和地網(wǎng)支路同時投用時,電流進一步增大,其峰值高達970 A,在地網(wǎng)處形成一個極強的陰極場,這會影響其9 km 范圍內(nèi)的管段,對其3 km 范圍內(nèi)的管段影響較顯著;不同排流柜工況下產(chǎn)生的雜散電流從大到小依次為排流柜和軌電位限制裝置同時投入、多個排流柜同時投入、單個排流柜地網(wǎng)和道床收集網(wǎng)/側(cè)壁結(jié)構(gòu)鋼筋支路同時投入和單個排流柜地網(wǎng)支路投入,其中,排流柜和軌電位限制裝置同時投入時,正饋線→車輛→軌道→地網(wǎng)→排流柜→負(fù)饋線形成電通路,大量牽引電流入地形成雜散電流,如圖7所示;排流柜和OVPD 聯(lián)動效應(yīng)顯著,對某車站排流柜操作時OVPD 的聯(lián)動進行了統(tǒng)計,見表5,排流柜的投入導(dǎo)致OVPD 頻繁動作,發(fā)生閉鎖,應(yīng)重點關(guān)注。目前,關(guān)于排流柜對管道雜散電流干擾的影響研究不多,需要積累更多的數(shù)據(jù),才能對地鐵排流柜投用的影響進行綜合判斷。

表5 排流柜與OVPD聯(lián)動統(tǒng)計Tab.5 Statistics of chain motion of drainage tank and OVPD

圖7 排流柜和OVPD 合閘條件下電流流向示意Fig.7 Schematic diagram of current flow direction under the condition of drainage tank and OVPD switching on

表3 管道各監(jiān)測點與地鐵牽引站的方位關(guān)系和距離統(tǒng)計Tab.3 Statistics of orientation relationship and distance between pipeline monitoring points and metro traction station

表4 排流柜運行工況及研究目的Tab.4 Drainage cabinet operation conditions and research purposes

圖5 排流柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Schematic diagram of internal structure of drainage tank

圖6 管道各監(jiān)測點與地鐵牽引站的相對位置示意Fig.6 Schematic diagram of relative position between pipeline monitoring points and metro traction station

7 結(jié)論

(1) 專用回流軌道牽引供電系統(tǒng)的運營管理經(jīng)驗和應(yīng)用方案有待在實際運營和工程實踐中逐步優(yōu)化和完善。智能單向?qū)ㄑb置存在穩(wěn)定性和可靠性無法保證的問題,設(shè)備性能有待進一步的提升。新型雜散電流動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)目前處于試點應(yīng)用階段,其泄漏電流測試模塊的有效性和準(zhǔn)確性有待進一步驗證和完善。

(2) 需加強對地鐵沿線鋼軌對地電位限制裝置和排流柜運行裝置的監(jiān)控,特別是在臨近埋地管道的區(qū)域,其附近管段應(yīng)采取升級管理。

(3) 地鐵和管道運營單位應(yīng)建立長期的聯(lián)動機制,密切關(guān)注和掌握影響雜散電流分布的關(guān)鍵設(shè)備的運行狀態(tài)和雜散電流防護現(xiàn)狀及最新的研究進展。