地鐵軌電位限制裝置對埋地管道雜散電流干擾的影響

吳廣春，譚瓊亮，李敏鋒，張夢夢，王修云，杜艷霞

(1.安科工程技術研究院(北京)有限公司，北京 102200；2.蘇州市軌道交通集團有限公司，蘇州 215000；3.北京科技大學，北京 100083)

近年來，國內外報道了多起由地鐵雜散電流干擾導致埋地管道和地鐵主體結構鋼筋發生腐蝕的現場案例[1-9]，地鐵雜散電流干擾帶來的安全風險不容小覷。軌電位限制裝置(OVPD)是影響地鐵系統雜散電流分布的關鍵裝置之一。由于OVPD兩端分別連接走行軌和接地網，一旦裝置合位，將會有大量的牽引電流入地形成雜散電流，從而對臨近的埋地金屬管道產生顯著的干擾影響[10-12]。目前，國內地鐵普遍存在OVPD頻繁動作和閉鎖的現象，如：廣州地鐵6條線路共計117臺OVPD中14臺(占12%)OVPD永久閉鎖，66臺(占比56.4%)設備頻繁動作[13]。上海、天津、無錫、西安、昆明、南京、廈門等城市地鐵線路也有相應的報導[14-16]。此外，部分城市地鐵線路存在OVPD連鎖動作或閉鎖的現象，如：北京地鐵大興線頻繁出現軌地電位II段保護同時動作的異?，F象[17]。由于地鐵和管道運營單位缺乏有效的聯動溝通機制，系統地測試研究OVPD對埋地管道受雜散電流干擾影響的案例較少，干擾影響范圍及規律缺乏參考與借鑒。本工作以國內某地鐵線路及其臨近的埋地長輸管道為測試研究對象，在OVPD處于不同運行工況下，開展了地鐵和管道相關電參數的現場同步測試，通過對比分析明確了OVPD對管道雜散電流干擾的影響規律，同時明確了不同工況下軌地電位(軌道對地電位)和軌地間流經電流的分布變化，為國內外同行提供參考和借鑒。

1 現場測試

1.1 測試位置

某地鐵線路與其臨近的埋地長輸管道交叉，如圖1所示。測試位置為該地鐵線路的A、B牽引站(OVPD所在位置)和埋地長輸管道1#至8#測試樁(長約40 km)。該管道與地鐵線路交叉于5#測試樁附近，與A站和B站的距離約0.3 km和2.7 km。各管道監測點與地鐵車站的方位和距離如表1所示。由表1可知，5#測試樁位于A站和B站之間，其余各管道監測點均位于A站和B站的同側。

圖1 管道各監測點與地鐵線路的相對位置

表1 管道各監測點與地鐵牽引站的方位和距離

1.2 測試工況與參數

OVPD的運行工況分為合位(工作狀態)和分位(非工作狀態)。測試過程中涉及4種OVPD運行工況：(1)A站和B站OVPD同時分位；(2)A站OVPD合位，B站OVPD分位；(3)A站OVPD分位，B站OVPD合位；(4)A站和B站OVPD同時合位。選取在相同發車頻率時間段內開展測試，每種工況的測試時間為2 h。

待測參數包括：管道的極化電位和流入/出電流密度(雜散電流在管道上流入和流出電流密度)、軌地電位和軌地間流經電流。

1.3 測試方法

1.3.1 管道極化電位和流入/出電流密度

采用試片斷電法測管道極化電位和流入/出電流密度。在管道測試樁處埋設1 cm2陰極保護檢查片(檢查片埋深與管道相同且與管道外壁水平間距300 mm)，檢查片通過測試樁與管道實施電連接。在試驗開始前，先關閉試驗管段上下游范圍內的恒電位儀、站內外聯保和沿線排流設施，待管道去極化24 h后，利用uDL-2型數據記錄儀測檢查片的通/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/次，測試時長為24 h，測試示意如圖2所示。

圖2 管道極化電位和試片流入/出電流密度測試原理圖

1.3.2 軌地電位

采用uDL-1型數據記錄儀在A、B站OVPD的軌道側和接地側測試軌地電位。測試前將uDL-1型數據記錄儀的量程設置為高量程(+150 V/-150 V)，記錄儀紅色測試線連接至軌道端子母排，黑色測試線連接至接地網端子母排，采樣頻率為1 s/次，測試示意圖如圖3所示。

圖3 軌地電位測試示意

1.3.3 軌地間流經電流

采用uDL-1型數據記錄儀在A、B站OVPD內的分流器處測試軌地間流經電流。測試前將uDL-1型數據記錄儀的量程設置為低量程(+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連接端子處，采樣頻率為1 s/次，測試示意圖如圖4所示。

圖4 軌地間流經電流測試示意

2 結果與討論

2.1 軌地間流經電流分布

不同OVPD工況下軌地間流經電流參數如表2所示。其中，正向(入地)和負向(回流)電流10%峰值平均值是指將正向和負向電流分別按照絕對值遞減的順序進行排列，取排序前10%的數值計算平均值，其計算方法參照標準CJJ/T49-2020《地鐵雜散電流腐蝕防護技術標準》。當A站OVPD合位后，該處軌地間流經電流正/負向電流10%峰值平均值分別達到587.73 A和-584.63 A，電流極值更是高達1 115.83 A和-926.55 A，正向和負向電流值相當。當A站和B站的OVPD同時合位時，總的泄漏電流進一步增大，正/負向電流10%峰值平均值分別增大至954.12 A和-802.07 A，電流極值達到1 784.89 A和-1 323.35 A。

表2 不同OVPD工況下軌地間流經電流的參數

圖5為當A、B站OVPD單獨合位與同時合位時，各站軌地間流經電流分布變化趨勢。結果表明：相對于A、B站的OVPD單獨合位時，當A、B站的OVPD同時合位時，A站軌地間流經電流增大，但幅度不明顯，B站軌地間流經電流則明顯減小，部分電流經A站軌地電位裝置泄漏，這可能與B站的軌道絕緣水平和接地網電阻較A站相對較高有關(A站為地下隧道站，B站則為地面高架站)。

(a) B站

2.2 軌地電位變化分布

圖6和表3為A、B站OVPD均為分位和A站OVPD分位、B站OVPD合位兩種運行工況下，A站軌地電位的分布曲線和分布統計表。結果表明，A、B站OVPD均分位時，A站軌地電位分布區間為-35.42～49.05 V，正/負向電位10%峰值平均值分別為28.08 V和-24.30 V，平均值分別為11.05 V和-9.01 V；B站OVPD合位后，A站軌地電位分布區間為-26.43～38.31 V，正/負向電位10%峰值平均值分別為22.59 V和-18.62 V，平均值分別為7.43 V和-6.51 V，較OVPD分位時呈現下降的趨勢。

圖6 A站軌地電位曲線

表3 A站軌地電位分布

在一個供電區間內(A、B兩個牽引站之間區域)軌地電位的分布規律如圖7所示。在A、B站OVPD均分位情況下，列車啟動時，兩端牽引站處的軌地電位均最負，列車車頭(動態變化)處的軌地電位最正，列車制動時，情況則剛好相反；當一端OVPD合位時，合位處的軌地電位變為0，同時列車車頭處的軌電位幅值增大，另一端牽引站處的軌地電位也會隨之降低，但減小幅度有限；當兩端OVPD都合位時，合位處的軌地電位均變為0，列車車頭處的軌地電位幅值進一步增大，地鐵軌道泄漏的雜散電流也隨之增大[12,14]。雜散電流與OVPD的運作狀態和軌地電位直接相關：當OVPD合位時，軌道與接地網直接電連接，此時有大量的雜散電流泄漏；當OVPD分地位時，雜散電流與軌地電位成正比，軌地電位越大雜散電流越大。因此，一個供電區間內某一端OVPD合位時，另一端的軌地電位也會隨之降低，減小幅度有限，地鐵軌道沿線雜散電流分布呈現合位端急劇增大，中間車頭位置附近增大，另一端減小的整體變化趨勢；當兩端的OVPD同時合位時，沿線雜散電流則呈現兩端急劇增大，中間車頭位置附近顯著增大的變化規律。依據標準GB/T 28026.2-2018《軌道交通地面裝置電氣安全、接地和回流 第二部分：直流牽引供電系統雜散電流的防護措施》和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 systemsz的規定，運營期間A站正向軌地電位平均值大于標準規定值+5 V，雜散電流防護不滿足標準要求。

(a) 列車啟動

2.3 管道電位和電流參數變化分布

當OVPD處于4種不同工況下，管道沿線各監測點處雜散電流流入/流出時間比的變化趨勢如圖8所示。由圖8可知：地鐵正常運行(A、B站OVPD均分位)時，管道沿線各監測點處雜散電流流入和流出時間分布較均勻，雜散電流流入時間占比略占優；A站OVPD合位后，雜散電流流入/流出時間分布無明顯變化；而B站OVPD合位后，雜散電流流入時間占比則顯著增大，且增大幅度隨監測點與OVPD距離的增大而增大，在7#測試樁處達到最大，雜散電流流入時間約為流出時間的14.3倍；兩個站OVPD同時合位時，雜散電流流入/流出時間分布則近似呈現各站OVPD單獨合位影響的平均規律。由于測試時目標管段上下游的恒電位儀均處于關閉狀態，可排除陰極保護電流對電流流入的貢獻；部分試片布置在遠離干擾源側管道，部分試片則布置在臨近側，試片布置位置對雜散電流流入流出分布的影響有待進一步的測試研究。

圖8 不同OVPD工況下管線沿線各監測點處雜散電流流入時間/流出時間比分布

將不同OVPD工況下管道沿線各監測點處管道電位與管道平穩電位即無干擾時電位的差值(電位偏移量ΔE)、電流密度(J)等參數與正常運行工況下(A、B站OVPD均分位)相應的電位偏移量和電流密度等參數進行比較，其參數比值的分布曲線如圖9所示。結果表明：OVPD合位后，對其約9 km范圍內的管道影響較大，對其13 km外管道影響影響較小，管道離OVPD的距離越遠，其受干擾程度越小。當管道軌道交叉點臨近的OVPD合位時(如A站)，影響范圍內的管道電位正/負向偏移量和流入/流出電流密度均呈現增大的趨勢，雜散電流流入/流出時間分布無明顯變化，這主要是因為A站OVPD合位后，牽引入地的電流增大，A站附近的陰極電場和陽極電場的場強均增大所致。遠處OVPD合位時(如B站)，管道雜散電流流出時間比例減小明顯，且在影響范圍內減小幅度隨OVPD與管道測試點距離的增大而增大，約4 km外管道電位整體負向偏移，正向偏移和流出電流密度被抑制。這可能是因為B站OVPD合位后，B站附近的陰極電場和陽極電場場強均增大，而由于雜散電流回流，A站附近增大的主要是陰極電場，此時管道受兩個位置電場的疊加影響，故離車站較近監測點處的管道電位正/負向波動幅度均增大，而遠處的管道主要起到匯流回流的作用，電位整體負移。由圖10可見，A站OVPD合位、B站OVPD分位時，5#和7#測試樁處的電位正負向波動幅度均呈現增大的趨勢，其中5#測試樁處波動幅度最大。A站OVPD分位、B站OVPD合位時，電位波形呈現整體負移的趨勢，7#處最為明顯。A站和B站OVPD同時合位后，影響效果較平均，即約5 km范圍內管道電位正/負向偏移量、總偏移量、流入/流出電流密度10%峰值平均值均呈現增大的趨勢，5 km外，電位正向偏移量和流出電流密度被抑制。

(a) A站OVPD合位，B站OVPD分位 (b) A站OVPD分位，B站OVPD合位 (c) A、B站OVPD合位

(a) 5#測試樁 (b) 7#測試樁

圖11為3種不同OVPD工況下，管道沿線各監測點電位正向偏移量比值和流出電流密度峰值比值分布。結果表明，A站OVPD合位對管道電位正向偏移量的影響大于B站OVPD合位。其原因在于A站OVPD合位后軌地間流經的電流較B站大。同時，目標站OVPD合位后，會分別在本站及其臨近兩個牽引站接地網處形成三個強的陰極電場。本站的陰極場由列車制動時和本站回流的牽引電流所致，臨近站的陰極場由目標站OVPD泄漏的電流回流所致。對管道電位正移的影響由以上三個陰極場疊加產生，A站OVPD合位后形成的三個陰極場距離管道的距離比B站OVPD合位后形成的三個陰極場近，因此A站的影響較B站大。流出電流密度峰值的變化規律與電位正向偏移類似，即A站OVPD合位后對流出電流密度峰值的影響大于B站；B站OVPD合位后，5～8#測試樁范圍內流出電流密度峰值較正常運行狀況小，這是因為經B站OVPD泄漏的電流經管道匯流流出牽引所，離A站越遠流出的概率越低，流出值也越小。A站和B站OVPD同時合位后，影響效果較平均。

(a) 電位正向偏移量比值 (b) 流出電流密度峰值比值

圖12為3種不同OVPD合位工況下，管道沿線各監測點電位負向偏移量比值和流入電流密度峰值比值分布。除5#測試樁外，B站OVPD合位對電位負向偏移量和流入電流密度峰值的影響大于A站OVPD合位。這主要是因為 B站OVPD合位后，管道各監測點處雜散電流流入的時間占比和電流密度幅值均較A站OVPD合位后大。而在5#測試樁處A站OVPD合位影響更大，這主要是因為5#測試樁離A站的距離遠小于離B站的距離。A站和B站同時合位后，位于A站和B站之間的5#測試樁處，影響呈疊加效應，位于A站和B站同一側的管道監測點處，影響呈平均效應。

圖12 不同OVPD工況下管道沿線各監測點電位負向偏移量比值和流入電流密度峰值比值分布

3 結論

(1)A站OVPD合位后，該處軌地間流經電流的正/負向電流10%峰值平均值分別高達587.73 A和-584.63 A。兩個站同時合位時，總電流的正/負向電流10%峰值平均值增大到954.12 A和-802.07 A。

(2)一個供電區間內某一端OVPD合位時，另一端的軌地電位也會隨之降低，但減小幅度有限，地鐵沿線雜散電流分布呈現合位端急劇增大，中間車頭位置附近增大，另一端減小的整體變化趨勢；當兩端的OVPD同時合位時，沿線雜散電流則呈現兩端急劇增大，中間車頭位置附近顯著增大的變化規律；正常運行情況下，A站正向軌地電位平均值超出標準要求。

(3)OVPD合位后，對其約9 km范圍內的管道影響較大，對其13 km外管道影響較小，管道離OVPD的距離越遠，其受干擾程度越小。軌道與管道交叉點臨近的OVPD合位時，影響范圍內的管道電位正/負向偏移量和流入/流出電流密度均呈現增大的趨勢，雜散電流流入流出時間分布無明顯變化；遠處OVPD合位時，管道雜散電流流出時間比例減小明顯，且減小幅度在影響范圍內隨OVPD與管道測試點距離的增大而增大，約4 km外管道電位整體負向偏移，正向偏移和流出電流密度被抑制。

(4)軌道與管道交叉點臨近的OVPD合位后，對管道電位正向偏移和流出電流密度峰值影響大于遠離交叉點的OVPD，對管道電位負向偏移和流入電流密度峰值的影響則相反，遠離交叉點的OVPD合位的影響大于臨近的OVPD。

(5)對于管道電位負向偏移量和流入電流密度峰值，兩個站的OVPD同時合位后，位于兩車站線路中間的管段呈現各站OVPD單獨合位時影響的疊加效果，位于兩車站同側的管段則呈現影響的平均效果；對于管道電位正向偏移量和流出電流密度峰值，兩個站的OVPD同時合位后，管線沿線各監測點均呈現平均的影響效果。