地铁杂散电流对埋地管道的干扰规律

刘博

刘博

中铁电气化局城铁公司哈尔滨地铁项目部黑龙江哈尔滨150000

摘要：近年来，我国的交通行业有了很大进展，地铁工程建设越来越多。地铁附近的埋地管道常遭受动态直流干扰，造成管道通电电位的持续波动，严重影响了管道的安全运行和日常管理。对遭受地铁杂散电流干扰的某管道开展现场测试，分析了地铁杂散电流对埋地管道的干扰规律。结果表明：地铁运行对管道通电电位的波动有较大影响；地铁杂散电流干扰的强度随着管道至地铁线路距离的减小而增大，距离地铁站较近的管段具有更高的腐蚀风险；受地铁杂散电流干扰的管道不同位置互为流入、流出位置，同一位置杂散电流的流入、流出特性随时间变化。

关键词：地铁杂散电流；埋地管道；干扰规律；管道与地铁的距离；接地

引言

地铁杂散电流对埋地管道干扰受很多因素影响。除了地铁系统本身的因素，例如：供电系统的稳定性、钢轨电导率、轨道与大地连接材料和结构的选择以及其绝缘性能、供电站的间距、日常检查和轨道的清理工作等，进入管道杂散电流的大小也与土壤电阻率、埋地管道的接地电阻、地铁路线与管道的相对位置以及管道材质等因素相关。近年来，城市地铁建设加快，线路覆盖面更广，分布更加密集，埋地的各种金属管道如输水管道、天然气管道、煤气管道纵横交错，导致地铁杂散电流的干扰规律更加复杂。

1地铁杂散电流情况

在直流牵引供电系统中，牵引电流的馈出点为牵引变电站正极，接触网、电客列车和走行轨板都是其接触点，继而回流到牵引变电站负极。然而，钢轨和隧道等结构金属物之间仅有很小的绝缘电阻，阻碍牵引电流的回归，导致部分牵引电流发生泄漏，再经结构钢和大地回至牵引变电站负极，即地铁杂散电流。杂散电流最明显的危害是腐蚀地下金属结构。该种电腐蚀对地铁附近各类结构钢筋、地下金属管线的破坏是显而易见的，干扰结构钢强度，导致其使用寿命缩短。无论是金属管道，还是建筑物钢筋都属于导电物体，一旦轨道沿线地下有该类物质分布，杂散电流的流动轨迹将会与金属导体一致，在变电站附近，流至钢轨，回到变电站中，而变电站周边金属管道为阳极。

2地铁杂散电流有限元模拟

将地铁杂散电流的形成和流动作为研究重点，依托有限元法论证埋地金属管道阴极保护电位是否受地铁杂散电流影响及相关情况。将走行轨、走行轨绝缘层、土壤、管道、外覆盖层这五类指标应用到有限元仿真分析中，从而合理确定地铁走行轨杂散电流影响埋地钢质燃气管道的具体情况。依托具体标准及ANSYS电场模块定义的材料属性，优选实验指标。将模型中牵引变电站间距和埋地管道水平间距分别确定为15m和5m。牺牲阳极法在城市埋地管道阴极保护中应用普遍。将走行轨假定为实心圆柱体，并将大地土壤环境区域确定为立方体。分别将坐标系X轴和Z轴设定为管道径向和轴向，选择管道末端中心点为原点，实施建模操作，对走行轨和管道有限元模型予以构建。经实验论证分析可知，走行轨是地铁周边土壤电位最大影响因素，而与走行轨相距较远的受影响比较小，上述模型中土壤电位比较大，有杂散电流。将管道敷设在地铁周边时，要将地铁杂散电流对管道阴极保护电位的影响作为主要考量要素，以此为背景，对走行轨和管道间距进行设定。将牵引电流、走行轨电位分别和周边土壤电阻率作为可变指标，仍借助有限元法，对各背景下金属管道阴极保护电位分布予以模拟，以免管道阴极保护受地铁杂散电流影响。

3地铁杂散电流对埋地管道的干扰规律

本次测试的管道全长约123．7ｋｍ，管径为813ｍｍ，管道采用Ｌ485钢制成，防腐蚀涂层为3ＰＥ防腐蚀层。管道与地铁线的相对位置见图1。管道距离地铁最近的测试桩为15号测试桩，约为6ｋｍ。由图1可见；测试点在整条管线上平均分布，共计24个。根据ＧＢ／Ｔ21246－2007《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》，当管道与埋设的极化试片充分极化后，采用ＵＤＬ－2型数据记录仪对埋地管道各测试点的通电电位、试片断电电位以及电流密度进行了长时间的同步连续监测。本工作涉及的电位均相对于饱和硫酸铜参比电极（ＣＳＥ）。获得埋地管道上不同位置的地铁杂散电流干扰参数后，分析了时间、埋地管道与地铁线路相对位置、管道阀室接地等因素对干扰的影响规律，并对不同位置的同步监测参数进行了分析，探索了管道上不同位置杂散电流的流入、流出关系。

图1管线与地铁线路的相对位置

3.1地铁杂散电流干扰典型的时间特征性

白天管道通电电位波动强烈，而夜间则波动较小。经查找相关资料，该管线所在地区地铁运行时段首班车发车时间为6∶30，末班车收车时间为23∶50，发车间隔6ｍｉｎ。通电电位的波动在6∶30－23∶50较强，而在23∶50－6∶30则较弱，与地铁早晚收发车时间一致，这表明该管线的通电电位受到地铁杂散电流的干扰。每隔6ｍｉｎ，通电电位呈现较大的干扰峰值，与发车间隔相吻合。

3.2与地铁平行的管道受杂散电流干扰的测试

当地铁线路与管道交叉时，检测点与轨道距离指两者间的垂直距离。24号检测点管地电位波动范围大于26号的，14号检测点的管地电位波动范围大于16号的。当管道与地铁线路交叉时，随着测试点与管道之间距离的减小，杂散电流对管道的干扰作用越来越强烈。

3.3管段上杂散电流流入、流出的规律

管道电位的正、负向偏移意味着杂散电流的流出、流入，通过对埋地管道上多个位置干扰参数的同步测试数据进行分析对比，研究了同一管段上的杂散电流流入、流出相对位置关系及变化规律。

3.4走行轨与管道间距影响

分别将模型及其他材料属性和走行轨与管道之间的间距作为不变和可变因素，将±80V电压各施加在走行轨两端面，电流控制为2000V。既要对走行轨与管道间距对管道阴极保护电位分布的影响进行研究，又要依据管壁节点电位值对沿管道长度的阴极保护电位分布予以绘制。走行轨与管道间距越大，杂散电流则越不容易影响管道阴极保护电位分布。当走行轨电压和其与管道之间距离分别为80V和20m时，管道阴极保护电位分布不会太瘦走行轨杂散电流干扰，其取值正常。埋地钢质燃气管道建设过程中，应注重走行轨和管道间距控制。

结束语

综上所述，地铁动态杂散电流干扰参数具有与地铁运行时间相对应的典型时间特征，具体表现为在夜间至凌晨地铁停运的时间段，管道通电电位基本无波动，而在日间地铁运行时间段管道通电电位波动剧烈，同时波动周期与地铁发车频次有一定相关性。地铁杂散电流干扰的强度随着管道至地铁线路相对距离的减小而增大，距离地铁站较近的管段具有更高的腐蚀风险。当阀室接地与管道存在搭接或短接时，附近的管地电位波动幅度明显减小，与管道短接的接地充当了排流地床，降低了受干扰管道的干扰幅度，但同时因为阴保电流流失，也会使该处管地电位整体正向偏移。受地铁杂散电流干扰的管道不同位置之间互为流入、流出位置，同一位置杂散电流的流入、流出特性随时间变化。

参考文献：

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