地铁检修基地杂散电流对高压天然气管道的干扰及治理措施

蒋卡克

(上海天然气管网有限公司，上海 201204)

为缓解日益严峻的城市交通压力，地铁建设在全国各大城市蓬勃发展。上海作为特大型城市，全国经济中心，地铁线路已达16条，运营里程共计705 km，已高居世界第一。同时，上海在役管道运营里程达750 km，“南北贯通、东西互补、两环相连”的环形能源网络与错综复杂的地铁网络交织在一起。近些年地铁杂散电流对周围埋地金属管道的腐蚀干扰已成为管道安全的重大隐患之一。经统计，运营地铁与在役高压管道的交叉和平行点达39处，新一轮地铁建设后再增加16处，远景规划建设还将增加9处。随着地铁高速建设，其杂散电流对周围金属管道的干扰范围、程度将会进一步加深，杂散电流安全隐患问题是交通和能源领域亟待解决的重要技术问题。

目前，管道方对于受地铁杂散电流干扰的埋地管道的研究局限于管道侧管地电位监检测、干扰强度和影响范围分析以及被动防护措施探索等[1-4]，地铁方也只是单一地从杂散电流产生原因和防护方面开展研究[5-6]，而关于地铁系统内部检修基地杂散电流对周边埋地管道电位波动影响的研究鲜见报道。由于管道与地铁分属不同行业，除上海外，国内其他城市尚未在管道方和地铁方之间建立有效的沟通协调机制，从管道侧和地铁侧共同开展研究工作。本工作通过地铁检修基地内部轨地电位、电流和管地电位等参数的同步检测，建立轨道电位、流经铁轨的电流变化与管地电位波动的直接联系，分析杂散电流是如何通过基地对埋地管道产生干扰，并从源头提出解决方案，可为地铁杂散电流的泄漏控制和防护设计提供指导和借鉴。

1 研究对象及检测参数

本工作以上海地铁两处检修基地邻近的高压天然气管道为研究对象，旨在探索地铁检修基地释放的杂散电流对周边埋地管道电位造成的波动规律，分析了管地电位正向和负向波动的主要原因。这两处管道均邻近检修基地敷设而过，最近距离分别为120 m和500 m。检修基地分为外部的正线区和内部的咽喉区、检修区。相邻两区之间均用绝缘垫片隔离，再由单向导通装置连接，以确保检修基地内侧电流可以通过单向导通流向正线，而正线电流无法通过铁轨流入检修基地内部，如图1所示。

图1 检修基地示意图Fig. 1 Schematic diagram of subway maintenance base

试验监测参数为管地电位、轨地电位和流经轨道的电流，采用UDL-2数据记录仪记录电位数据，用SWAN电流环套住电流流经的电缆采集电流数据，采用UDL-1数据记录仪记录电流数据。UDL-1和UDL-2同步记录数据，采集周期为1 s，采集时长为24 h。监测对象分别为离检修基地最近点管道的管地电位，基地外侧正线区近咽喉区(E点)、咽喉区近正线区(D点)、咽喉区近检修区(C点)、检修区近咽喉区(B点)的轨地电位，接地极即A点(大地流入接地极为正值)和咽喉区至正线区即D点(咽喉区指向正线为正值)、B点(检修区指向单向导通为正值)、C点(单向导通指向咽喉区为正值)、G点(单向导通指向变电站为正值)的电流：具体位置见图1。

2 杂散电流干扰规律

2.1 正线E点轨地电位负向偏移引起的干扰

图2～4为E点轨地电位负向偏移时，各点轨地电位,管地通电电位,咽喉区至正线区(D点)及检修基地站内接地极(A点)电流的同步监测数据。当图2实线框内正线E点轨地电位变负，由于正线区和咽喉区之间存在单向导通装置(导通电压仅为0.7 V)，E点电位小于D点电位且电位差大于0.7 V，单向导通装置触发导通，大量电流从咽喉区轨道流向正线区轨道(见图3)，致使D点轨地电位也变负；由于D点和C点是电连通轨道，C点轨地电位也变负，但咽喉区轨地绝缘电阻相对较差，轨地电位衰减较大，故C点轨地电位并没有比D点轨地电位更负(见图2)。同理，咽喉区与检修区之间单向导通触发导通，B点轨地电位负向移动(见图2)。正线E点轨地电位变负，使得检修基地的轨地电位变负，造成检修基地的铁轨大量吸收地铁正向流出的电流，电流通过咽喉区至正线的单向导通装置流回正线的铁轨，再流回正线检修基地的负极，此时检修基地附近管道为杂散电流流出点，管地电位正向偏移，且E点轨地电位越负，基地吸收电流越大，管地电位越正(见图3和图4)。

图2 E点轨地电位负向偏移时轨地电位数据图(2019-01-08)Fig. 2 Data graph of rail-to-soil potentials with negative shift of rail-to-soil potential at point E (2019-01-08)

图3 E点轨地电位负向偏移对A和D点电流的影响(2019-01-08)Fig. 3 Effect of negative shift of rail-to-soil potential at point E on currents at points A and D (2019-01-08)

图4 E点轨地电位负向偏移对管地电位的影响(2019-01-08)Fig. 4 Effect of negative shift of rail-to-soil potential at point E on pipe-to-soil potential (2019-01-08)

由图5(a)可见，当D点电流为0 A时，A点电流为-110 A(接地极持续往大地释放电流)，B点的电流为300 A，C点的电流几乎为0，这表明此时没有正线电流流入检修基地内部，接地极释放的电流是基地内变电站供电产生，且对附近的管道影响不大。当正线区E点轨地电位变负时，A点升高至0 A，B点电流升高至370 A，C点电流升高至10 A，这说明接地极A点未吸收电流，管道电位变正与接地极无关。根据图5(b)图所示，当D点电流为0 A时，B、C、G点和D点均无电流，当正线区E点轨地电位变负时，D点电流升至680 A，A点电流升至160 A，大地电流通过接地极流入轨道，B点电流升至170 A，C点电流升至50 A，G点电流升至120 A，表明接地极有电流流入，其中50 A通过C点流向正线，其余的120 A电流流向基地变电站。

(a) 2019-01-07

(b) 2019-05-07图5 E点轨地电位负向偏移对电流的影响Fig. 5 Effect of negative shift of rail-to-soil potential at point E on currents

通过上述两个案例分析可知，当正线轨地电位变负时，会改变基地变电站的供电大小和电流流向，只有少部分杂散电流通过接地极流入，大部分仍可能通过咽喉区轨道流入，最终流向正线区。

2.2 正线E点轨地电位正向偏移引起的干扰

图6～8为E点轨地电位正向偏移时，各点轨地电位、管地通电电位和电流的同步监测数据。在机车进出检修基地时，图6中实线框内正线E点轨地电位变正，D点轨地电位同时变正，D点轨地电位随着E点轨地电位变化而变化且幅值几乎相等。由于D点和C点是电连通轨道的，故C点轨地电位也变正，但咽喉区铁轨绝缘性能差，因此轨地电位衰减较大，C点轨地电位正向偏移值小于D点轨地电位的正向偏移值。在图7实线框中，D点电流为0 A，由于机车进出基地时需跨越咽喉区和正线区之间绝缘垫片两侧，导致正线和基地内部通过机车完全电导通，此时正线电位较基地电位高，大量电流从正线通过机车流入基地，再通过咽喉区的铁轨流入大地，造成检修基地附近管道的管地电位变负(见图8)。从24 h数据分析，早晨列车驶出基地和夜晚列车驶回基地的时段，该现象频繁出现。机车未进出基地时，基地内部与正线隔离，当正线E点轨地电位变正时，基地内轨地电位无变化，附近管道的管地电位稳定，无杂散电流干扰。

图6 E点轨地电位正向偏移时轨地电位数据图(2019-01-08)Fig. 6 Data graph of rail-to-soil potentials with positive shift of rail-to-soil potential at point E (2019-01-08)

图7 E点轨地电位负向偏移对A和D点电流的影响(2019-01-08)Fig. 7 Effect of positive shift of rail-to-soil potential at point E on currents at points A and D (2019-01-08)

图8 E点轨地电位正向偏移对管地电位的影响(2019-01-08)Fig. 8 Effect of positive shift of rail-to-soil potential at point E on pipe-to-soil potential (2019-01-08)

图9为E点轨地电位正向偏移对电流的影响。致使附近管地电位变负。根据图9所示，在图中实线框内，E点和D点轨地电位均变正，此时机车进出基地跨越咽喉区和正线区之间绝缘垫片两侧，咽喉区至正线区单向导通装置被机车短路，正线大量电流通过机车流入基地内部。图9(a)中接地极A点电流从稳态时100 A降低至0 A，无电流通过接地极流入大地；在图9(b,c)中接地极A点电流都变为负值，电流从轨道通过接地极流入大地；咽喉区C点电位高于检修区B点电位，B点电流均降低至0 A，C点电流有正有负，G点电流甚至出现逆流现象，如图9(c)所示。上述B、C、G和A点电流波动均是由于基地内外导通，正线杂散电流进入基地内部所致，电流大小和方向的无规律变化与基地内部机车运行位置、供电大小、检修区内列车数量、停车道等因素相关。

(a) 2019-01-11

(b) 2019-05-08

(c) 2019-05-07图9 E点轨地电位正向偏移对电流的影响Fig. 9 Effect of positive shift of rail-to-soil potential at point E on current

图10(a)中通过接地极A点流入大地的杂散电流比图10(b)中的更小，但管地电位负向偏移程度更大，即管道受干扰反而更大。同时，在图9(a)中，没有电流通过接地极流入大地，但是电位仍然负向波动。这说明通过接地极流入大地的电流主要为基地内部变电站电流并非正线进入基地的杂散电流。

2.3 基地变电站供应电流对管地电位的影响

图11为白天地铁运行时各点轨地电位、电流和管地电位的数据图。当正线E点轨地电位正向波动时，B、C、D点轨地电位均不变，咽喉区至正线区D点电流为0 A，接地极A点电流为-100 A，如图11(a)所示，电流从轨道流向大地。根据2.2节分析可知，接地极电流为基地内变电站电流，在-100 A电流入地的情况下，附近管地电位只稍稍负向偏移，几乎无影响，如图11(b)所示。

(a) 2019-05-08 (b) 2019-05-07图10 E点轨地电位正向偏移时不同时间的管地电位和接地电流Fig. 10 Pipe-to-soil potentials and grounding currents at different times with positive shift of rail-to-soil potential at point E

(a) 轨地电位与电流 (b) 管地电位与电流图11 地铁运行时轨地电位、电流与管地电位数据Fig. 11 Data of rail-to-soil potentials, electric currents and pipe-to-soil potentials during subway operation：(a) rail-to-soil potentials vs electric currents; (b) pipe-to-soil potentials vs electric currents

图12为夜间地铁停运时各点轨地电位、电流和管地电位的数据图。当正线E点轨地电位不变，由于基地内变电站供电，接地极电流正向升高至80 A，如图12(a)所示，电流从大地流向轨道，接地极吸收电流，但是附近管道的管地电位反从-1.27 V正向偏移至-1.18 V，波动幅度较小。由此可知，当接地极流入流出的电流为基地内变电站供电电流时，其电流对周边埋地管道的干扰影响较小。

(a) 轨地电位与电流 (b) 管地电位与电流图12 地铁停运时轨地电位、电流与管地电位数据Fig. 12 Data of rail-to-soil potentials, electric currents and pipe-to-soil potentials during stop of subway：(a) rail-to-soil potentials vs electric currents; (b) pipe-to-soil potentials vs electric currents

2.4 控制措施

根据以上分析可知，当正线轨地电位降低时，单向导通会使基地内部轨地电位降低，咽喉区轨道会吸收大量正向的杂散电流，使得检修基地附近管道的管地电位偏正；当正线轨地电位升高时，若机车进出基地，大量正线杂散电流进入基地内部，并从咽喉区流入大地，使得检修基地附近管道的管地电位偏负。基于此，提出以下几点建议：

(1) 在无机车进出检修基地时，检修基地的铁轨和正向铁轨需保持绝缘。

(2) 由于机车进出检修基地时，通过咽喉区和正线区之间单向导通装置的电流为0 A，咽喉区和正线区完全绝缘并不会影响机车供电，但考虑到机车轮子跨至绝缘节两侧时造成的打火问题，可将现有单向导通装置换成机车进出基地时才导通的智能单向导通装置，这样能大大减小管道管地电位的正向偏移[6-7]。

(3) 机车进出基地时，正线杂散电流会涌入基地并通过咽喉区轨道流入大地，因此在新建地铁检修基地时应提高咽喉区轨道对地电阻，加强绝缘，减少电流流入大地。

3 结论

(1) 当正线轨地电位负向偏移时，咽喉区至正线区的单向导通装置导通，基地处于电势低洼点，咽喉区轨道和检修接地的接地极吸收地铁正线流出的杂散电流，通过单向导通装置流回正线，此时管道管地电位正向偏移，杂散电流通过管道流出，使管道存在腐蚀风险，少部分杂散电流通过接地极流入，大部分通过咽喉区轨道流入。

(2) 当正线轨地电位正向偏移时，在机车进出基地时，正线区和咽喉区通过列车导通，大量杂散电流进入基地，并从基地咽喉区管道流入大地，此时管道的管地电位负向偏移；若无机车进出场站时，无电流进入基地，管道受到的干扰较小。

(3) 当正线轨地电位负向偏移，或轨地电位正向偏移且列车进出基地时，基地内变电站的供电大小和电流流向均会产生变化，与基地内部机车运行位置、供电大小、检修区内列车数量、停车道等因素均相关。

(4) 当正线轨地电位正向偏移且无列车进出基地时，基地内部与正线间无电流流动，此时接地极的电流流动均是基地内变电站的供电电流，对周边埋地管道影响较小。