轨道交通检修基地杂散电流测试分析
陈志光, 吴聪, 秦朝葵
同济大学 机械与能源工程学院,上海 201804

第一作者:陈志光(1983—),男,河北石家庄人,副教授,博士,博士生导师.研究方向为埋地燃气管道安全输送技术、天然气高效应用.email:chenzhiguang@tongji.edu.cn.

摘要

随着城市轨道交通系统的迅速发展,其产生的杂散电流问题日趋严重.检修基地作为车辆停放检查、维修的特殊场所,内部电气设施复杂、轨道多地面敷设,对杂散电流防护相对较差,应被重点关注.以上海市某轨道交通检修基地及其附近燃气管道为研究对象,进行了详细的轨地电位、土壤电位梯度以及管地电位等参数测量,对所测数据之间的关联性进行了分析,确定了该基地附近杂散电流的流动路径.结果表明:正线列车运行时,基地地面轨道与过渡段正线轨道绝缘节前后电位差异明显,电流由正线轨道侧流出,从基地地面轨道侧流入.检修基地成为杂散电流“汇流点”,附近燃气管道受到严重干扰,需加强防护.

关键词: 轨道交通; 检修基地; 杂散电流; 轨地电位; 电位梯度
中图分类号:U279.3 文献标志码:A 文章编号:1673-0291(2020)03-0037-06
Test and analysis of stray current in rail transit maintenance base
CHEN Zhiguang, WU Cong, QIN Chaokui
School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China
Abstract

With the rapid development of urban rail transit systems, stray current interference,generated from the operation of rail transit, has become increasingly serious. As a special place for train parking, inspection, and maintenance, the complex internal electrical facilities and the ground laying of tracks in the maintenance base make it easier to generate the stray current, which should be focused on. In this paper, a rail transit maintenance base in Shanghai and its nearby gas pipelines are taken as the research object.Detailed parameters such as rail-to-ground potential, soil potential gradient and pipe-to-ground potential are measured, and the correlation between the measured data is analyzed.Finally, the flow path of the stray current near the base is determined.The results show that when the train is running on the mainline, the potential difference between the two sides of the insulation joint, which is located between the ground track of the base and the transition section track, is obvious.The current flows out of the transition section track and flows in from the ground track of the base.The maintenance base has become the "confluence point" of stray current, and the nearby gas pipeline has been seriously disturbed so that it is necessary to strengthen the protection.

Keyword: rail transit; maintenance base; stray current; rail-to-ground potential; potential gradient

作为支撑城市正常运行的大动脉, 城市轨道交通系统发展迅速, 截至2019年底, 内地已有40个城轨交通运营城市, 运营线路累计6 730.27 km[1].轨道交通系统一般采用直流驱动, 受电弓送电、走行轨回流[2], 由于钢轨电阻的存在以及钢轨与大地之间做不到完全绝缘, 部分电流外泄进入大地, 形成杂散电流, 使得附近埋地金属管道严重腐蚀.

目前, 有关轨道交通杂散电流的测试研究主要集中于轨道正线附近.文献[3]通过同步电位测量, 确定了不同横向距离下与地铁平行或交叉的燃气管道受杂散电流的影响范围, 指出干扰强度随距离增大显著减小.文献[4]研究了位于两条直流电牵引线附近的地下管线, 提出光谱图对比可以用来评价杂散电流源对金属结构的影响.文献[5]分析地铁与管道相对位置对杂散电流干扰的影响规律, 认为在相同间距下交叉点的干扰程度大于并行段.文献[6]测量地铁牵引变电站的轨道电流, 指出电流谐波渗透进入牵引供电系统, 导致杂散电流的散流路径除阻性耦合外还存在感性耦合.文献[7]统计了不同城市地铁杂散电流干扰下管地电位的动态特征, 发现电位波动周期由众多小波峰组成, 可反映电位升降及峰值时的平稳波动.文献[8]采用随机概率的方法, 假设列车位置及其牵引电流为随机变量, 确定直流牵引线路附近管道杂散电流腐蚀的发生概率.文献[9]建立了轨道-排流网-大地-埋地管道连续模型, 提出在功率一定时可适当提高变电所电压, 以降低杂散电流干扰.现有文献对轨道交通检修基地附近杂散电流干扰测试研究较少.检修基地作为车辆停放检查、维修和保养的专门场所, 内部电气设施复杂, 且车辆段内轨道为地上轨道, 采用碎石道床, 不设排流收集网, 防护条件相比正线轨道较差[10], 因而, 轨道交通检修基地附近杂散电流干扰应更予以关注.

本文作者以上海市某轨道交通检修基地及其附近燃气管道为对象, 详细调研基地内供电回路及杂散电流防护情况, 设计现场测试方案, 通过基地和正线轨道处的轨地电位测试、土壤电位梯度测试、燃气管道处管地电位等数据, 分析各数据变化规律及其相关性, 研究杂散电流泄漏机理及其流动回路, 为轨道交通检修基地附近杂散电流提供指导.

1 测试现场及方案设计

检修基地一般分为三段:停车库、基地地面轨道、正线过渡段, 其供电系统设计如图1所示, 为防止基地内轨道有大电流, 正线轨道与基地轨道的过渡段会安装单向导通装置, 俗称绝缘节, 即三段之间采用“ 绝缘节+单向导通装置” 的形式, 以保证轨道电流只能从基地方向流入正线, 而正线电流不会反向进入基地, 基地内取电由独立的架空线触网提供.同时, 在停车库内为保证检修维护人员安全, 部分停车库内轨道设置钢轨接地, 即将钢轨与建筑结构钢筋直接连通.杂散电流的产生直接受到钢轨对地电位的影响, 钢轨电位又与列车运行状态、轨道连接形式等息息相关, 基地内轨道电位同时还受到绝缘节影响, 为系统分析检修基地内轨道电流的泄漏情况, 需分别对车库内轨道及接地扁钢、基地内地面轨道、绝缘节后正线轨道电位进行对比分析.此外轨道附近土壤电位梯度变化亦可说明杂散电流在土壤中的流通路径.

图1 供电系统设计Fig.1 Design of power supply system

本文分别记录了基地停车库附近土壤电位梯度、内部轨地电位及接地扁钢对地电位, 分析停车库处杂散电流流动方向; 测量了基地地面轨道与正线过渡段轨道绝缘节前后土壤电位梯度和轨地电位, 判断杂散电流流向是否改变, 分析正线与基地轨道电位特点; 根据燃气管道处管地电位、土壤电位梯度, 分析杂散电流干扰现状及其与轨道运行的关联性, 评估管道的腐蚀程度.轨地电位作为引起杂散电流泄漏的直接原因, 测试时在轨道附近土壤埋设参比电极, 记录轨道与参比电极电位差值, 管地电位测试与其相似.土壤电位梯度测试采用十字交叉法, 在沿轨道方向和垂直轨道方向布置两组参比电极, 根据两组参比电极电位差矢量和进行计算.测试现场详细分布见图2, 其中1处为停车库旁边土壤电位梯度测点; 2处为基地内变电站, 通过轨道电位限位装置测量了轨地电位和接地扁钢对地电位; 3、4为基地地面轨道与正线轨道绝缘节前后测点, 分别测量了轨地电位和土壤电位梯度; 5处为基地附近埋地燃气管道测点.燃气管道测点位于正线站南侧50 m, 其管地电位及土壤电位梯度用以反映正线与检修基地杂散电流之间联系.各测点电位梯度正负设定见图2, 从电位梯度数值正负可判断土壤中电流的流动方向.

图2 现场测试示意图Fig.2 Schematic diagram of field test

本次测试采用自主设计的数据监测系统, 该系统基于LABVIEW虚拟仪器, 可进行电位数据实时显示和储存, 测试中采用了铜-饱和硫酸铜参比电极, 各测点监测内容及测试仪器在表1中列出, 数据采集频率均为1 Hz.

表1 测试内容及仪器 Tab.1 Test contents and instruments
2 测试结果与分析

考虑到轨道交通列车运行状态的影响, 根据列车运行时刻表, 测试时段选择为20:00-00:05, 可反映轨道交通正常运行、停运前列车回车库以及列车停运后的不同状态.据了解, 22:00以后列车陆续返回基地, 23:30以后正线列车基本运行结束, 0点左右列车全部回库正线断电.

2.1 停车库处数据分析

为分析停车库附近杂散电流流动情况, 进行了土壤电位梯度、轨地电位及接地扁钢对地电位测试.图3为停车库北侧土壤电位梯度, 随列车运行电位梯度波动频繁, 垂直方向梯度在-15~18 mV/m之间, 水平方向梯度波动范围较小为-5~5 mV/m.23:30以前, 正线列车运行期间, 土壤电位梯度值明显正偏, 电流流向车库, 仅在个别时段车辆回库时刻, 由于基地内部列车运行, 垂直、水平方向电位梯度有负偏; 23:30以后直至正线断电, 正向偏移梯度值消失, 只有基地内列车运行产生的负偏, 电位梯度逐渐稳定在-2 mV/m, 电流由车库向外流出.即基地内车库附近土壤中存在明显的受轨道交通运行影响的杂散电流, 当正线列车运行时, 土壤电流流向车库, 当基地内有列车运行时, 土壤电流从车库流出.

图3 停车库北侧土壤电位梯度Fig.3 Soil potential gradient on the north side of parking garage

基地内部变电站处测试轨地电位和接地扁钢对地电位变化见图4和图5.基地内部轨道和接地扁钢对地电位变化基本一致, 电位值基本为负, 随列车运行而在-0.5~-2.5 V之间波动, 且正线列车运行时刻出现负向峰值, 在列车回基地时刻, 轨地电位和接地扁钢电位出现瞬时的正向偏移, 23:30正线列车运行结束后, 电位变化趋于平稳, 轨道电位稳定在-0.5 V, 接地扁钢电位归零.轨道电位变化趋势与土壤电位梯度变化基本一致.

图4 停车库内部轨地电位Fig.4 Rail-to-ground potential in parking garage

图5 停车库内部接地扁钢对地电位Fig.5 Grounding flat steel to ground potential in parking garage

结合土壤电位梯度、轨地电位和接地扁钢对地电位分析可知, 基地内部轨道电位在轨道交通正常运行时段基本处于负电位, 从土壤中吸收电流, 当个别时段列车回库运行时, 轨道有短时较小的正电位, 电流由轨道和接地扁钢泄漏入土壤向外扩散.

2.2 地面轨道与过渡段轨道绝缘节前后数据分析

2.2.1 轨地电位数据变化

正线列车频繁运行时, 轨道绝缘节两端电压差很大, 当列车由过渡段轨道缓慢进入基地地面轨道时, 在绝缘节处常观察到车轮下出现火花.为此, 对地面轨道与过渡段轨道绝缘节前后轨地电位和土壤电位梯度进行测试, 分析杂散电流流向.

图6为绝缘节两侧轨地电位变化, 可看出两侧电位差异明显.基地地面轨道侧电位基本为负, 主要集中于-1~-8 V之间, 列车回库时刻, 电位出现约6 V正向峰值, 最后电位稳定于-1.5 V左右.过渡段轨道侧轨地电位于-10~65 V之间剧烈波动, 且正负值出现时间比例基本相等, 列车停运后, 电位回零.轨地电位为正, 电流流出轨道, 反之, 电流流入轨道.正线轨道电流随列车启停而正负波动, 但列车启动运行时电流较大, 轨道正向电位数值较大.

图6 地面轨道与过渡段轨道绝缘节前后轨地电位Fig.6 Rail-to-ground potential before and after the insulation joint of ground track and transition section track

2.2.2 土壤电位梯度数据

基地地面轨道侧附近土壤电位梯度见图7, 列车运行期间电位梯度波动明显, 随列车停运波动趋于平缓.平行轨道方向电位梯度为负(-1~-3 mV/m), 指向基地方向, 垂直轨道方向电位梯度为正(1.25~2.75 mV/m), 电流流入轨道, 土壤总体梯度指向基地内轨道, 且随正线轨道电位变化.正线轨道电位为正, 土壤梯度变大, 即流入轨道电流变大, 经绝缘节流入正线轨道; 反之, 当列车回到基地时, 电位梯度有瞬时的反向变化, 电流方向由基地轨道流出.

图7 地面轨道侧土壤电位梯度Fig.7 Soil potential gradient on the side of the ground track

绝缘节前后轨地电位与土壤电位梯度变化相一致, 受列车运行影响, 基地地面轨道一侧从土壤中吸收电流, 流入基地轨道的电流经单向导通装置流入正线轨道, 而过渡段正线轨道向土壤释放电流.

图8为过渡段轨道附近土壤电位梯度, 平行轨道方向电位梯度值为正(6~8 mV/m), 背离基地指向正线车站, 垂直轨道方向为负(-8~-11 mV/m), 流出轨道.土壤电位梯度总体方向背离轨道, 且随轨道电位增大背离趋势变大, 即正线轨道电位升高, 流出轨道电流增大.

图8 过渡段轨道侧土壤电位梯度Fig.8 Soil potential gradient on the side of the transition track

2.3 燃气管道处数据分析

根据杂散电流腐蚀机理, 并结合上述检修基地附近杂散电流流向可知, 燃气管道中的电流将从距离检修基地较近的缺陷处流出, 轨道交通运行时, 管道将具有明显电位正偏, 为此, 在正线站南侧50 m处对燃气管道进行测试.

管地电位变化见图9, 测试时间段为23:00-0:00, 轨道交通运行期间管地电位于-0.3~-1.8 V间波动, 波动随着轨道交通运行的减弱而变小, 当轨道交通停运后, 管地电位维持在-1.2 V左右.所测管道受到明显来自于轨道交通的杂散电流干扰, 且列车运行期间, 管道正偏明显, 有较大的腐蚀倾向.

图9 所测燃气管道管地电位Fig.9 Pipe-to-ground potential of the gas pipeline

表2给出了管道侧土壤电位梯度波动范围, 垂直管道方向和平行管道方向电位梯度均为正值, 电流总体方向指向轨道交通基地方向, 与管道电位波动趋势一致.根据GB/T 19285—2014《埋地钢质管道腐蚀防护工程检验》第4.3.2条规定[11], 土壤电位梯度< 0.5 mV/m时, 直流干扰程度为弱; 处于≥ 0.5~< 5 mV/m时, 干扰程度为中; 电位梯度≥ 5 mV/m 时, 干扰程度为强, 对表2各时间段内垂直梯度与平行梯度矢量加和可判断, 此处受到严重的杂散电流干扰, 需采取必要的防护措施.

表2 管道侧土壤电位梯度波动范围 Tab.2 Fluctuation range of soil potential gradient on pipeline side
2.4 杂散电流回路分析

通过对基地内部轨道、基地与正线绝缘节附近轨道以及管道侧电位和土壤电位梯度测试数据对比分析, 正线列车运行时, 停车库内及基地地面轨道、车库内接地扁钢均保持负电位, 从土壤中吸收电流; 电流经两级单向导通装置送入正线轨道.而正线轨道由于列车取流的变化, 轨道电位处于高电位, 杂散电流由轨道泄漏入土壤, 进而流入附近的埋地金属构筑物.燃气管道作为一种长直金属导体, 从正线轨道吸收电流、基地处释放电流, 形成流动回路, 见图10.

图10 检修基地附近杂散电流回路示意图Fig.10 Schematic diagram of the stray current circuit near maintenance base

受列车运行以及单向导通装置设置的影响, 检修基地在列车运行时段成为杂散电流的“ 汇流点” , 考虑到检修基地占地面积大, 地面敷设轨道及建筑接地扁钢体量巨大, 有强大的电流抽吸作用.对于处在检修基地附近的燃气管道, 受基地附近土壤低电位的影响, 管道中杂散电流将流出而发生电化学腐蚀, 需加强防护.

3 结论

1)正线列车运行时, 检修基地地面轨道及停车库处轨地电位、接地扁钢对地电位基本为负, 检修基地成为土壤杂散电流“ 汇流点” , 将对周边埋地金属产生影响, 应加强基地内轨道绝缘, 车库接地极应采取防电流流入措施.

2)基地地面轨道与过渡段轨道绝缘节前后轨地电位及土壤电位梯度差异显著, 杂散电流方向明显改变, 过渡段轨道侧电流大部分时间内由轨道流出进入土壤, 而基地地面轨道侧杂散电流流入轨道, 绝缘节两侧杂散电流防护收集措施应统一.

3)受检修基地轨道负电位的影响, 检修基地附近的埋地燃气管道处于电流流出状态, 电化学腐蚀风险较大, 应采取相应的防护措施.

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