轨道交通杂散电流对武汉燃气管道干扰的波动规律

肖 嵩,姜子涛,童清福,王宏新,李勃聪,陈 程,

(1. 武汉市天然气有限公司，武汉 430030； 2. 中国石油大学(北京)，北京 102249;3. 安科工程技术研究院(北京)有限公司，北京 100083)

至2018年武汉建成并投入运营的轨道交通线路有10条，总运营里程达288 km，同时作为远城区和中心城区重要的交通补充，建设了3条有轨电车，基本形成“主城联网、新城通线”的轨道交通网络系统。运行轨道作为其牵引供电回路的一部分，有电流流过，而铁轨与大地不能做到完全绝缘，因此部分电流会流入大地形成杂散电流，对埋地金属管道造成动态干扰[1]。

国内外关于埋地管道受杂散电流干扰方面的报道很多，CASAS等[2]介绍了管道系统与芝加哥交通管理局(CTA)铁路系统的联合测试案例，对一条输水管道的管轨电位和管地电位进行同步监测，分析获得受杂散电流干扰最大点的位置。近几年，国内相关单位围绕地铁杂散电流干扰开展了相关工作。孟思庆等[3]对深圳地铁杂散电流干扰下的输水管道进行检测，结果发现杂散电流干扰程度与地铁和管道的相对位置有一定的关系，不同材质的管道抗干扰能力也不相同；王新华等[4]在实验室搭建动态杂散电流加速腐蚀试验平台，研究了杂散电流的时变规律，管地电位变化特征，同时研究了土壤酸碱度、土壤电导率、杂散电流频率、杂散电流密度对腐蚀速率的影响，并建立了腐蚀速率计算的数学模型；周宇等[5]对轨道交通动态杂散电流产生的机理和特点进行了分析，针对杂散电流动态特性及现场测试的干扰因素，引入傅里叶分析对数据进行处理，结果表明傅里叶分析对城市动态杂散电流干扰数据处理有效。

动态波动是地铁杂散电流干扰的一个重要特征。动态腐蚀试验结果显示，动态干扰下腐蚀速率不再遵循法拉第定律，而是与动态干扰周期存在很大的相关性。美国标准委员会曾开展过一项研究工作，结果显示动态腐蚀速率随干扰周期的增大呈现增大的趋势[6]。目前对于有轨电车杂散电流的动态特征研究较少，并且对于轨道交通特别是有轨电车杂散电流干扰造成的波动周期范围并没有系统的研究。故本工作对武汉轨道交通(特别是有轨电车)杂散电流干扰下燃气管道管地电位波动情况进行了统计分析，总结不同干扰源杂散电流对燃气管道管地电位干扰的波动特征，同时利用傅里叶变换掌握动态干扰下燃气管道管地电位的波动周期范围和波动幅度，为进一步评估动态干扰下管道的腐蚀规律提供参考。

1 测试方法

根据GB/T 21246-2007《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》规定的埋地管道管地电位测量方法，采用cortalk-uDL2 Data Logger电位数据记录仪和饱和硫酸铜参比电极(以下电位都相对于参比电位)，对武汉不同区域的城市埋地燃气管道的管地电位(包括通电电位和断电电位)和电流密度进行24 h连续监测：通电电位和电流密度每秒测1次；断电电位测试以15 s为一个周期，每个周期内通电12 s，断电3 s，在断电后300 ms内测试断电电位。

此次监测获得了汉阳有轨电车T1线、轻轨1号线、地铁2号线、地铁3号线、地铁6号线、地铁8号线和地铁阳逻线共27组数据。其中，有轨电车T1线采用超级电容车，全线采用无接触网供电方式，仅在车站设置充电设备，通过牵引降压变电所，将10 kV交流电降压整流变为1 500 V直流电，供给有轨电车；武汉地铁交通线路中，1号线、2号线、3号线、4号线、8号线、阳逻线采用的是第三轨供电 (其中8号线和阳逻线第三轨电压为1 500 V，其余为750 V)，6号线采用的是接触网供电，电压为1 500 V。在运行过程中，轨道交通会向周围土壤环境中泄放杂散电流，对附近的埋地燃气管道造成动态直流干扰，导致管地电位的剧烈波动。

利用SAS公司的JMP软件对燃气管道的管地电位波动频率、分布、波动幅值等动态特征进行了分析，通过快速傅里叶变换(FFT)获得不同轨道交通线路干扰下燃气管道的通电电位频谱密度图和通电电位波动幅度占比直方图，并对不同轨道交通干扰下管地电位波动特征、通电电位进行了对比分析，总结了不同轨道交通线路杂散电流干扰下武汉燃气管道管地电位动态波动规律。

2 结果与讨论

城市轨道交通杂散电流干扰下燃气管道的管地电位呈现动态波动特征。对24 h监测数据进行统计分析，总结杂散电流干扰下管地电位的波动特征。基于杂散电流干扰程度，结合不同干扰因素如管道与地铁相对位置、不同干扰源的影响等，对动态杂散电流干扰规律进行了研究。由于现场条件复杂，在对比同类干扰因素时，应尽量选择受其他干扰因素影响较小的测试点以及数据。

2.1 干扰的特征分析

1#测试点与有轨电车车站平行间距为28 m，与地铁3号线平行间距为1 km。由图1可见，当有轨电车与地铁同时运行时(6∶00～20∶40)，其通、断电电位及电流密度波动剧烈；当只有地铁运行时(20∶40～00∶00)，波动幅度减小；当有轨电车与地铁都停运时(00∶00～5∶00)通、断电电位和电流密度均趋于平稳。其夜间断电电位在-0.88 V左右，电流密度趋近与0。监测点的通、断电电位均符合典型的轨道交通杂散电流干扰特征，即在轨道交通运行时间段，通、断电电位均波动剧烈，当轨道交通停运时，通、断电电位均趋于稳定。

(a) 管地电位 (b) 电流密度图1 1#测试点24 h监测数据Fig. 1 Monitoring data of the test point No. 1 for 24 h: (a) pipe-to-soil potentials; (b) current densities

参考澳大利亚AS2832.1-2015标准(Cathodic Protection of Metals,Part1:Pipes and Cables)统计不同区间断电电位和电流密度的相对占比和累积占比，以便于对地铁杂散电流干扰下阴极保护管线进行风险评价。图2为1#测试点断电电位和电流密度的频数分布。结果表明，断电电位正于-0.85 V的时间占53.2%，电流密度正时为电流流入，负时为电流流出，其中电流流出的时间占48.9%。

由图1和图2结果可见，此段管道极化电位正于保护电位的时间比例远远超过标准规定，电流流出的时间比例也较高，说明此段管道受到动态直流干扰严重。

(a) 断电电位 (b) 电流密度图2 1#测试点断电电位和电流密度频数分布Fig. 2 Frequency distribution of power-off potential and current density of the test post No. 1

2.2 干扰风险评价

表1为武汉天然气动态直流干扰风险评估结果。现场27个点的测试数据参照澳大利亚AS2832.1-2015标准进行评估。结果发现，除7个点的动态直流干扰风险较低外，其余20个点的干扰风险均不同程度偏高。可以看出，在目前状态下，大部分管道的直流干扰风险较大，需要对管道采取动态直流干扰的防护措施。

2.3 波动周期规律分析

由图3可知，武汉有轨电车T1线进出站时，附近管道管地电位呈间歇式周期波动规律。其中，管地电位发生明显波动的时间在70～80 s，而电位稳定时间约60 s，整个间歇期为130～140 s，与有轨电车运行周期基本一致，管地电位波动主要发生在有轨电车进站充放电阶段，当有轨电车出站运行时电位趋于稳定；而轻轨和地铁并没有引起明显的波动间歇期。

表1 武汉天然气管道动态直流干扰风险评估结果Tab. 1 Risk assessment results of dynamic DC interference in Wuhan natural gas pipelines

表1(续)

(a) 有轨电车T1(b) 轻轨1号线(c) 地铁2号线

(d) 地铁6号线(e) 地铁8号线(f) 地铁3号线(g) 地铁阳逻线图3 不同轨道交通杂散电流干扰下管道的通电电位展开Fig. 3 Development view of switch-on potentials of pipeline under interference of stray current from different railways: (a) tram; (b) light rail line 1; (c) metro line 2; (d) metro line 6; (e) metro line 8; (f) metro line 3; (g) metro line Yangluo

武汉有轨电车为超级电容有轨电车，全线为无接触网供电方式，仅在车站设置充电设备，以高能超级电容作为储能元件，为牵引及辅助系统提供电力供应，满足无接触网运营要求，制动的能量全部反馈到储能设备[7]。当列车进站时，列车通过1 500 V架空充电网从牵引变电所取得直流电流，电流通过敷设在车站的钢轨，再通过沿线敷设的直流电缆回流到牵引变电所，如图4所示。车站两端设置的绝缘节将回流电缆限制在车站的局部范围内，而且由于车站仅在停车充电时有回流电流短暂通过，其间歇周期与有轨电车的进站停靠时间和运行间隔有关。

图4 有轨电车杂散电流干扰原理Fig. 4 Principle of stray current interference of tram

图5为地铁杂散电流干扰原理。由于不同列车加速/减速以及行进位置具有随机性，任意一点地铁杂散电流的方向不断正负波动。因此，在白天地铁运行时间段，管地电位以夜间未受干扰时的电位为中心值正负波动。地铁杂散电流引起的管地电位波动曲线由若干小的波峰组成，这可能与运行过程中地铁加减速导致供电系统中电流大小变化最终引起杂散电流变化有关。

2.4 傅里叶变换及频域分析

管地电位测试数据夹杂了现场众多干扰信号，波动复杂，规律性不明显，为了进一步分析组成管地电位波动的若干小峰，通过傅里叶变换把这些电位的幅度按频率(或周期)排列，得到埋地燃气管道受轨道交通杂散电流干扰的频谱密度，将对杂散电流干扰的研究从时域发展到频域，从而带来更直观的认识。

图5 地铁杂散电流干扰原理Fig. 5 Principle of stray current interference of subway

研究表明，管道所受杂散电流干扰主要集中于1 Hz以内(长周期)，高于1 Hz(短周期)交流信号对管道影响较小[5-6]。而本次检测中，管地电位波动幅度主要集中于0.1 Hz以下，为便于分析，将频率高于0.1 Hz的波动过滤掉。然后利用SAS公司的JMP软件对这些电位数据进行快速傅里叶变换(FFT)，将通电电位波动幅度按频率排列得到轨道交通杂散电流干扰下管道通电电位幅度的频谱密度图，如图6所示。由图6可见，在有轨电车T1干扰下，频率为0.002～0.07 Hz时通电电位波动幅度较大，波动明显；在轻轨1号线干扰下，频率为0.006～0.05Hz时通电电位波动幅度较大；在地铁2号线干扰下，频率为0.002～0.08 Hz时通电电位波动幅度较大；在地铁3号线干扰下，频率为0.002～0.07Hz时通电电位波动幅度较大；在地铁6号线干扰下，频率为0.002～0.06 Hz时通电电位波动幅度较大；在地铁8号线干扰下，频率为0.002～0.045 Hz时通电电位波动幅度较大；在阳逻线干扰下，频率为0.001～0.006 Hz时通电电位波动幅度较大。以上干扰频率都很低，为典型的直流干扰。

(a) 有轨电车T1(b) 轻轨1号线(c) 地铁2号线

(d) 地铁3号线(e) 地铁6号线(g) 地铁8号线(g) 地铁阳逻线图6 不同轨道交通杂散电流干扰下管道通电电位波动幅度的频谱密度Fig. 6 Frequency density of switch-on potential fluctuation amplitudes of pipeline under interference of stray current from different railways: (a) tram; (b) light rail line 1; (c) metro line 2; (d) metro line 6; (e) metro line 8; (f) metro line 3; (g) metro line Yangluo

对不同频率区间管道通电电位的波动幅度进行统计，得到不同频率区间内通电电位波动幅度相对占比(以下相对占比)，结果如图7所示。由图7可见，在不同轨道交通杂散电流干扰下，检测到的相对占比均不一致。在有轨电车T1干扰下，相对占比主要分布在波动频率为0.005～0.05 Hz时,以0.01～0.03 Hz为主(相对占比达44.93%)；在轻轨1号线干扰下，相对占比主要分布在波动频率为0.005～0.04 Hz时，同样以0.01～0.03 Hz为主(相对占比达到59.62%)；在地铁2号线干扰下，相对占比主要分布在波动频率为0.005～0.02 Hz时；在地铁3号线干扰下，相对占比主要集中分布在波动频率为0.005～0.05 Hz时，相对占比整体分布较为平均；在地铁6号线和8号线干扰下，相对占比分布较为接近，集中在波动频率0.01～0.02 Hz；由于阳逻线是高架线路，在其干扰下相对占比分布和在其他轨道交通干扰下有所不同，在波动频率小于0.03 Hz范围分布较为均匀。

(a) 有轨电车T1(b) 轻轨1号线(c) 地铁2号线

为了更直观地表示不同轨道交通杂散电流干扰下管道通电电位波动幅度的占比及整体的比例趋势，取整体波动较为集中的0～0.05 Hz区间，将统计的受干扰测试点的波动幅度比例情况绘制成雷达图，如图8所示。虽然各线路波动频率不尽相同，但是50%以上的波动其频率为0.005～0.03 Hz，其中以0.01～0.02 Hz和0.02～0.03 Hz为主。

3 结论

(1)对武汉受轨道交通杂散电流干扰的管道进行24 h监测，发现地铁和有轨电车附近管道均受到杂散电流干扰，有轨电车和地铁同时运行时段管地电位波动剧烈，有轨电车停运后管地电位波动减小，夜间地铁停运阶段管地电位恢复到较为平稳状态的特点。对27处管道测试点进行24 h监测，并参照澳大利亚AS2832.1-2015标准进行评估，结果表明有20处测试点处于高直流干扰风险区，7处测试点处于低风险区域。

(2) 有轨电车附近管地电位变化存在间歇式的周期波动规律。其中管地电位存在明显波动的时间为70～80 s，而电位稳定时间约60 s，一个间歇周期约130～140 s，与有轨电车运行周期基本一致，而轻轨和地铁并没有引起明显的波动间歇期。

(3) 通过傅里叶变换对不同轨道交通周围的埋地燃气管道电位波动进行频域分析，可知各线路波动频率不尽相同，但是50%以上的波动发生在0.005～0.03 Hz(周期20～200 s)，且以0.01～0.02 Hz(周期50～100 s)和0.02～0.03 Hz(33～50 s)为主。