轨道交通OVPD对埋地管道杂散电流干扰影响

2021-03-04上海天然气管网有限公司李德明

上海煤气 2021年1期

上海天然气管网有限公司李德明

为缓解日趋严重的城市交通压力，城市轨道交通得到了快速发展。目前国内城市轨道交通多采用直流750 V/1 500 V供电方式，利用接触网或第三轨作为正极，走行轨兼作回流轨实现直流供电，运行中牵引电流数值达数千安。钢轨铺设于道床上，利用绝缘垫与大地电气绝缘。因钢轨与大地间无法完全绝缘，钢轨存在纵向电阻，回流钢轨会向大地泄露一定电流，形成杂散电流，在钢轨与地间产生电位差。杂散电流对临近金属构筑物存在干扰腐蚀的影响，并且过高的轨地电压可能造成人员人身安全伤害。为此，钢轨沿线设置有杂散电流收集网，在各车站和停车场内设置有钢轨电压限制装置/过电压保护器OVPD(Over-voltage protection device)。

1 国内地铁OVPD运行状况统计

在实际运行中，国内多个城市出现轨道交通OVPD频繁接地，甚至闭锁运行，极大的杂散电流对临近金属管道带来了严重的干扰腐蚀影响。成都1号线锦城广场站OVPD在2011年1月至2012年1月14日期间动作29次[1]；北京大兴线自开通试运营起屡次出现OVPDⅡ段保护多站同时动作的异常现象[2]；广州、上海、天津、无锡、西安、昆明、南京、厦门等地区关于OVPD频繁动作和闭锁都有报告。表1就广州6条地铁线路共计117座OVPD设备运行状况进行统计，发现14座(占12.0%)OVPD永久闭锁，66座(占 56.4%)OVPD频繁动作[3]。北京大兴线沿线共计 11个站点设置有 OVPD，在对OVPD为期5天运行状况监测中发现OVPD动作频繁：4月24日大兴线出现5次OVPD动作；4月23日沿线OVPD共计26次动作；OVPD动作连锁效应明显，4月14日高米店北站、4月15日义和庄站 OVPD动作后沿线 11个站点中 10个站点OVPD接连动作，如表2所示。

表1 广州6条地铁线路OVPD运行状况统计

表2 北京大兴线OVPD连锁动作

管道受轨道交通杂散电流干扰时，管道方仅知道管道受到了杂散电流干扰，但不知道具体的干扰源。因轨道交通状况的差异，管道受轨道交通干扰的情况也存在差异，给管道防腐管理、干扰缓解设计等工作带来了挑战。本文就管道受OVPD杂散电流干扰的实例进行讨论，得出OVPD为轨道交通杂散电流重要干扰源，为解决轨道交通杂散电流防护问题提出新思路。

2 轨道交通OVPD工作原理

直流牵引系统中，由于操作电流和短路电流的存在，可能会引起回流轨与大地间产生超过安全许可的接触电压。为减轻钢轨电位升高对地铁运营安全及乘客人身安全所造成的威胁，在回流轨与大地间接入钢轨电压限制装置OVPD。一般OVPD多设置于车库、站台等人员较多的线路位置，由专业人员进行维护。

OVPD通过实时监测钢轨电位，并遵循图1的基本逻辑关系进行保护动作。其中，三段电压保护U>>>、二段电压保护 U>>主要会发生框架泄漏故障、供电故障等，相对发生几率较小、处置工作迅速；一段电压保护 U>发生故障频率较二段、三段电压保护高，并且处置时效低，甚至存在OVPD长期闭锁运行。OVPD长时间接地和闭锁运行使得轨道交通杂散电流剧增，管道受干扰电流影响严重。

图1 OVPD工作逻辑示意

2 轨道交通OVPD杂散电流对管道干扰影响

以某轨道交通的某管道为例，该管道直径为813 mm、防腐层为3PE管道与轨道交通存在交叉位置关系，交叉位置轨道交通设有站台，站台设有OVPD，站台距最近管道 A0+0.000 km处距离约100 m，管道与轨道交通相对位置见图2，具体信息见表3。现场观察到OVPD接地动作时最大电流能达到400 A，对临近管道产生了严重的杂散电流干扰。

图2 管道与地铁干扰源相对位置示意

表3 管道与地铁干扰源OVPD相对位置信息

在某次馈电排流试验中(馈电点距轨道交通与管道交叉测试点的管里程长约6.3 km，恒流10 A馈电)，对交叉点测试桩A0+0.000 km进行了长期电位监测。监测发现，管道受轨道交通杂散电流干扰，且当 OVPD动作接地时管道受轨道交通杂散电流干扰强度增强，如图3所示。

图3 管道A0+000 km测试桩通断电电位

对测试点同一时刻管道电位对齐(约18:20～8:00，13h40min)作图，如图4所示。受远端馈电试验影响，测试点阴极保护水平提升，表现为夜间相对稳态下管道管地电位变负，断电由–982 mV负移为–1 013 mV，负向偏移31 mV，远端馈电排流对本测试点管道阴极保护水平提升，但对干扰缓解效果有限。

图4 OVPD闭锁前后管道A0+000 km测试桩阴极保护状况(左侧闭锁前，右侧闭锁后)

采用标准AS 2832.1—2015《Cathodic protection of metals-Pipes and Cables》中对轨道交通杂散干扰下阴极保护有效性评价时，其推荐监测时间为24 h且不宜小于12 h。通常情况下，为消除不同时间段因轨道交通停运、高峰运行等干扰程度变化引起的评定参数结果的差异，多采用24 h监测数据评估。在本例中主要考虑OVPD对管道杂散干扰的影响，监测时长小于 24 h，但可借鉴 AS 2832.1—2015《Cathodic protection of metals-Pipes and Cables》中判定办法就 OVPD闭锁前后干扰情况进行分析对比。具体分析数据结果见表4。对比结果表明，OVPD闭锁导通后管道受轨道交通杂散干扰影响增大1倍之多，管道极化电位正于阴保电位准则100 mV的占比甚至为OVPD闭锁前的6.3倍。由此可以看出OVPD对管道轨道交通杂散干扰影响大。

表4 管道A0+000 km测试桩电位数据分析

为减小轨道交通运行中随机性，取管道受干扰程度(正向、负向、流出、流入)最大的 10%的数据平均值作为干扰最为严重数值，并与夜间相对稳态数据进行对比分析，相关结果见表5。OVPD闭锁后引入杂散电流为闭锁前的2倍之多，管道干扰幅度、强度均增强，极大地降低了管道阴极保护水平，增大了缓解管道轨道交通杂散电流干扰的难度。可见，减少OVPD闭锁次数、时间对控制轨道交通杂散电流影响意义重大，可见OVPD为轨道交通杂散电流重要干扰源。

表5 OVPD对地铁杂散干扰强度影响（A0+0.000 km测试桩） V(CSE), A/m2

为考究沿线管道受该站台 OVPD干扰影响情况，对沿线管道追加了智能阴极保护桩以实时监控管道电位情况。管道电位采集频次为 10 min/个。A0+0.000 km测试桩电位显示：2019/01/01至2020/01/15时间段，该站台OVPD基本处于永久闭锁状态，如图5所示；2020/01/03至2020/01/07时间段OVPD为未闭锁(正常)状态，如图6所示。图7～图10为临近站台附近的4处管道测试桩于站台OVPD闭锁前后管道电位分布图。

图5 A0+0.000 km测试桩长期电位监测数据

图6 A0+0.000 km测试桩OVPD接地前后管地电位变化

图7 A0-1.833 km测试桩电位监测数据(距OVPD接地系统约1.5 km)

图8 A0-0.829 km测试桩电位监测数据(距OVPD接地系统约0.67 km)

图9 A0+0.000 km测试桩电位监测数据(距OVPD接地系统约0.1 km)

图10 A0+1.694 km测试桩电位监测数据(距OVPD接地系统约1.5 km)

采用相同办法，取管道受干扰程度(正向、负向、流出、流入)最大的10%的数据平均值作为干扰最为严重数值，并与夜间相对稳态数据对比获得管道受干扰电位幅度。对 A0-1.833 km、A0-0.829 km、A0+0.000 km、A0+1.694 km 4处测试桩受OVPD干扰前后电位变化(OVPD闭锁时偏离稳态数值减去OVPD未闭锁时偏离稳态数值)作图，如图 11、图12所示。OVPD接地后，对周边650 m处管道产生了较大影响，1.5 km范围外的管道基本不受影响；距OVPD越近，管道受干扰越大。