地铁轨电位限制装置对埋地管道杂散电流干扰的影响

吴广春，谭琼亮，李敏锋，张梦梦，王修云，杜艳霞

(1.安科工程技术研究院(北京)有限公司，北京 102200；2.苏州市轨道交通集团有限公司，苏州 215000；3.北京科技大学，北京 100083)

近年来，国内外报道了多起由地铁杂散电流干扰导致埋地管道和地铁主体结构钢筋发生腐蚀的现场案例[1-9]，地铁杂散电流干扰带来的安全风险不容小觑。轨电位限制装置(OVPD)是影响地铁系统杂散电流分布的关键装置之一。由于OVPD两端分别连接走行轨和接地网，一旦装置合位，将会有大量的牵引电流入地形成杂散电流，从而对临近的埋地金属管道产生显著的干扰影响[10-12]。目前，国内地铁普遍存在OVPD频繁动作和闭锁的现象，如：广州地铁6条线路共计117台OVPD中14台(占12%)OVPD永久闭锁，66台(占比56.4%)设备频繁动作[13]。上海、天津、无锡、西安、昆明、南京、厦门等城市地铁线路也有相应的报导[14-16]。此外，部分城市地铁线路存在OVPD连锁动作或闭锁的现象，如：北京地铁大兴线频繁出现轨地电位II段保护同时动作的异常现象[17]。由于地铁和管道运营单位缺乏有效的联动沟通机制，系统地测试研究OVPD对埋地管道受杂散电流干扰影响的案例较少，干扰影响范围及规律缺乏参考与借鉴。本工作以国内某地铁线路及其临近的埋地长输管道为测试研究对象，在OVPD处于不同运行工况下，开展了地铁和管道相关电参数的现场同步测试，通过对比分析明确了OVPD对管道杂散电流干扰的影响规律，同时明确了不同工况下轨地电位(轨道对地电位)和轨地间流经电流的分布变化，为国内外同行提供参考和借鉴。

1 现场测试

1.1 测试位置

某地铁线路与其临近的埋地长输管道交叉，如图1所示。测试位置为该地铁线路的A、B牵引站(OVPD所在位置)和埋地长输管道1#至8#测试桩(长约40 km)。该管道与地铁线路交叉于5#测试桩附近，与A站和B站的距离约0.3 km和2.7 km。各管道监测点与地铁车站的方位和距离如表1所示。由表1可知，5#测试桩位于A站和B站之间，其余各管道监测点均位于A站和B站的同侧。

图1 管道各监测点与地铁线路的相对位置

表1 管道各监测点与地铁牵引站的方位和距离

1.2 测试工况与参数

OVPD的运行工况分为合位(工作状态)和分位(非工作状态)。测试过程中涉及4种OVPD运行工况：(1)A站和B站OVPD同时分位；(2)A站OVPD合位，B站OVPD分位；(3)A站OVPD分位，B站OVPD合位；(4)A站和B站OVPD同时合位。选取在相同发车频率时间段内开展测试，每种工况的测试时间为2 h。

待测参数包括：管道的极化电位和流入/出电流密度(杂散电流在管道上流入和流出电流密度)、轨地电位和轨地间流经电流。

1.3 测试方法

1.3.1 管道极化电位和流入/出电流密度

采用试片断电法测管道极化电位和流入/出电流密度。在管道测试桩处埋设1 cm2阴极保护检查片(检查片埋深与管道相同且与管道外壁水平间距300 mm)，检查片通过测试桩与管道实施电连接。在试验开始前，先关闭试验管段上下游范围内的恒电位仪、站内外联保和沿线排流设施，待管道去极化24 h后，利用uDL-2型数据记录仪测检查片的通/断电电位和电流密度，通/断周期为12 s/3 s，采样频率为1 s/次，测试时长为24 h，测试示意如图2所示。

图2 管道极化电位和试片流入/出电流密度测试原理图

1.3.2 轨地电位

采用uDL-1型数据记录仪在A、B站OVPD的轨道侧和接地侧测试轨地电位。测试前将uDL-1型数据记录仪的量程设置为高量程(+150 V/-150 V)，记录仪红色测试线连接至轨道端子母排，黑色测试线连接至接地网端子母排，采样频率为1 s/次，测试示意图如图3所示。

图3 轨地电位测试示意

1.3.3 轨地间流经电流

采用uDL-1型数据记录仪在A、B站OVPD内的分流器处测试轨地间流经电流。测试前将uDL-1型数据记录仪的量程设置为低量程(+150 mV/-150 mV)，记录仪红色测试线连接至分流器的轨道连接端子处，黑色测试线连接至接地网连接端子处，采样频率为1 s/次，测试示意图如图4所示。

图4 轨地间流经电流测试示意

2 结果与讨论

2.1 轨地间流经电流分布

不同OVPD工况下轨地间流经电流参数如表2所示。其中，正向(入地)和负向(回流)电流10%峰值平均值是指将正向和负向电流分别按照绝对值递减的顺序进行排列，取排序前10%的数值计算平均值，其计算方法参照标准CJJ/T49-2020《地铁杂散电流腐蚀防护技术标准》。当A站OVPD合位后，该处轨地间流经电流正/负向电流10%峰值平均值分别达到587.73 A和-584.63 A，电流极值更是高达1 115.83 A和-926.55 A，正向和负向电流值相当。当A站和B站的OVPD同时合位时，总的泄漏电流进一步增大，正/负向电流10%峰值平均值分别增大至954.12 A和-802.07 A，电流极值达到1 784.89 A和-1 323.35 A。

表2 不同OVPD工况下轨地间流经电流的参数

图5为当A、B站OVPD单独合位与同时合位时，各站轨地间流经电流分布变化趋势。结果表明：相对于A、B站的OVPD单独合位时，当A、B站的OVPD同时合位时，A站轨地间流经电流增大，但幅度不明显，B站轨地间流经电流则明显减小，部分电流经A站轨地电位装置泄漏，这可能与B站的轨道绝缘水平和接地网电阻较A站相对较高有关(A站为地下隧道站，B站则为地面高架站)。

(a) B站

2.2 轨地电位变化分布

图6和表3为A、B站OVPD均为分位和A站OVPD分位、B站OVPD合位两种运行工况下，A站轨地电位的分布曲线和分布统计表。结果表明，A、B站OVPD均分位时，A站轨地电位分布区间为-35.42～49.05 V，正/负向电位10%峰值平均值分别为28.08 V和-24.30 V，平均值分别为11.05 V和-9.01 V；B站OVPD合位后，A站轨地电位分布区间为-26.43～38.31 V，正/负向电位10%峰值平均值分别为22.59 V和-18.62 V，平均值分别为7.43 V和-6.51 V，较OVPD分位时呈现下降的趋势。

图6 A站轨地电位曲线

表3 A站轨地电位分布

在一个供电区间内(A、B两个牵引站之间区域)轨地电位的分布规律如图7所示。在A、B站OVPD均分位情况下，列车启动时，两端牵引站处的轨地电位均最负，列车车头(动态变化)处的轨地电位最正，列车制动时，情况则刚好相反；当一端OVPD合位时，合位处的轨地电位变为0，同时列车车头处的轨电位幅值增大，另一端牵引站处的轨地电位也会随之降低，但减小幅度有限；当两端OVPD都合位时，合位处的轨地电位均变为0，列车车头处的轨地电位幅值进一步增大，地铁轨道泄漏的杂散电流也随之增大[12,14]。杂散电流与OVPD的运作状态和轨地电位直接相关：当OVPD合位时，轨道与接地网直接电连接，此时有大量的杂散电流泄漏；当OVPD分地位时，杂散电流与轨地电位成正比，轨地电位越大杂散电流越大。因此，一个供电区间内某一端OVPD合位时，另一端的轨地电位也会随之降低，减小幅度有限，地铁轨道沿线杂散电流分布呈现合位端急剧增大，中间车头位置附近增大，另一端减小的整体变化趋势；当两端的OVPD同时合位时，沿线杂散电流则呈现两端急剧增大，中间车头位置附近显著增大的变化规律。依据标准GB/T 28026.2-2018《轨道交通地面装置电气安全、接地和回流 第二部分：直流牵引供电系统杂散电流的防护措施》和IEC 62128-2:2013 Railway applications-Fixed installations-Electrical safety, earthing and the return circuit-Part 2: Provisions against the effects of stray currents caused by d.c.traction systemsz的规定，运营期间A站正向轨地电位平均值大于标准规定值+5 V，杂散电流防护不满足标准要求。

(a) 列车启动

2.3 管道电位和电流参数变化分布

当OVPD处于4种不同工况下，管道沿线各监测点处杂散电流流入/流出时间比的变化趋势如图8所示。由图8可知：地铁正常运行(A、B站OVPD均分位)时，管道沿线各监测点处杂散电流流入和流出时间分布较均匀，杂散电流流入时间占比略占优；A站OVPD合位后，杂散电流流入/流出时间分布无明显变化；而B站OVPD合位后，杂散电流流入时间占比则显著增大，且增大幅度随监测点与OVPD距离的增大而增大，在7#测试桩处达到最大，杂散电流流入时间约为流出时间的14.3倍；两个站OVPD同时合位时，杂散电流流入/流出时间分布则近似呈现各站OVPD单独合位影响的平均规律。由于测试时目标管段上下游的恒电位仪均处于关闭状态，可排除阴极保护电流对电流流入的贡献；部分试片布置在远离干扰源侧管道，部分试片则布置在临近侧，试片布置位置对杂散电流流入流出分布的影响有待进一步的测试研究。

图8 不同OVPD工况下管线沿线各监测点处杂散电流流入时间/流出时间比分布

将不同OVPD工况下管道沿线各监测点处管道电位与管道平稳电位即无干扰时电位的差值(电位偏移量ΔE)、电流密度(J)等参数与正常运行工况下(A、B站OVPD均分位)相应的电位偏移量和电流密度等参数进行比较，其参数比值的分布曲线如图9所示。结果表明：OVPD合位后，对其约9 km范围内的管道影响较大，对其13 km外管道影响影响较小，管道离OVPD的距离越远，其受干扰程度越小。当管道轨道交叉点临近的OVPD合位时(如A站)，影响范围内的管道电位正/负向偏移量和流入/流出电流密度均呈现增大的趋势，杂散电流流入/流出时间分布无明显变化，这主要是因为A站OVPD合位后，牵引入地的电流增大，A站附近的阴极电场和阳极电场的场强均增大所致。远处OVPD合位时(如B站)，管道杂散电流流出时间比例减小明显，且在影响范围内减小幅度随OVPD与管道测试点距离的增大而增大，约4 km外管道电位整体负向偏移，正向偏移和流出电流密度被抑制。这可能是因为B站OVPD合位后，B站附近的阴极电场和阳极电场场强均增大，而由于杂散电流回流，A站附近增大的主要是阴极电场，此时管道受两个位置电场的叠加影响，故离车站较近监测点处的管道电位正/负向波动幅度均增大，而远处的管道主要起到汇流回流的作用，电位整体负移。由图10可见，A站OVPD合位、B站OVPD分位时，5#和7#测试桩处的电位正负向波动幅度均呈现增大的趋势，其中5#测试桩处波动幅度最大。A站OVPD分位、B站OVPD合位时，电位波形呈现整体负移的趋势，7#处最为明显。A站和B站OVPD同时合位后，影响效果较平均，即约5 km范围内管道电位正/负向偏移量、总偏移量、流入/流出电流密度10%峰值平均值均呈现增大的趋势，5 km外，电位正向偏移量和流出电流密度被抑制。

(a) A站OVPD合位，B站OVPD分位 (b) A站OVPD分位，B站OVPD合位 (c) A、B站OVPD合位

(a) 5#测试桩 (b) 7#测试桩

图11为3种不同OVPD工况下，管道沿线各监测点电位正向偏移量比值和流出电流密度峰值比值分布。结果表明，A站OVPD合位对管道电位正向偏移量的影响大于B站OVPD合位。其原因在于A站OVPD合位后轨地间流经的电流较B站大。同时，目标站OVPD合位后，会分别在本站及其临近两个牵引站接地网处形成三个强的阴极电场。本站的阴极场由列车制动时和本站回流的牵引电流所致，临近站的阴极场由目标站OVPD泄漏的电流回流所致。对管道电位正移的影响由以上三个阴极场叠加产生，A站OVPD合位后形成的三个阴极场距离管道的距离比B站OVPD合位后形成的三个阴极场近，因此A站的影响较B站大。流出电流密度峰值的变化规律与电位正向偏移类似，即A站OVPD合位后对流出电流密度峰值的影响大于B站；B站OVPD合位后，5～8#测试桩范围内流出电流密度峰值较正常运行状况小，这是因为经B站OVPD泄漏的电流经管道汇流流出牵引所，离A站越远流出的概率越低，流出值也越小。A站和B站OVPD同时合位后，影响效果较平均。

(a) 电位正向偏移量比值 (b) 流出电流密度峰值比值

图12为3种不同OVPD合位工况下，管道沿线各监测点电位负向偏移量比值和流入电流密度峰值比值分布。除5#测试桩外，B站OVPD合位对电位负向偏移量和流入电流密度峰值的影响大于A站OVPD合位。这主要是因为 B站OVPD合位后，管道各监测点处杂散电流流入的时间占比和电流密度幅值均较A站OVPD合位后大。而在5#测试桩处A站OVPD合位影响更大，这主要是因为5#测试桩离A站的距离远小于离B站的距离。A站和B站同时合位后，位于A站和B站之间的5#测试桩处，影响呈叠加效应，位于A站和B站同一侧的管道监测点处，影响呈平均效应。

图12 不同OVPD工况下管道沿线各监测点电位负向偏移量比值和流入电流密度峰值比值分布

3 结论

(1)A站OVPD合位后，该处轨地间流经电流的正/负向电流10%峰值平均值分别高达587.73 A和-584.63 A。两个站同时合位时，总电流的正/负向电流10%峰值平均值增大到954.12 A和-802.07 A。

(2)一个供电区间内某一端OVPD合位时，另一端的轨地电位也会随之降低，但减小幅度有限，地铁沿线杂散电流分布呈现合位端急剧增大，中间车头位置附近增大，另一端减小的整体变化趋势；当两端的OVPD同时合位时，沿线杂散电流则呈现两端急剧增大，中间车头位置附近显著增大的变化规律；正常运行情况下，A站正向轨地电位平均值超出标准要求。

(3)OVPD合位后，对其约9 km范围内的管道影响较大，对其13 km外管道影响较小，管道离OVPD的距离越远，其受干扰程度越小。轨道与管道交叉点临近的OVPD合位时，影响范围内的管道电位正/负向偏移量和流入/流出电流密度均呈现增大的趋势，杂散电流流入流出时间分布无明显变化；远处OVPD合位时，管道杂散电流流出时间比例减小明显，且减小幅度在影响范围内随OVPD与管道测试点距离的增大而增大，约4 km外管道电位整体负向偏移，正向偏移和流出电流密度被抑制。

(4)轨道与管道交叉点临近的OVPD合位后，对管道电位正向偏移和流出电流密度峰值影响大于远离交叉点的OVPD，对管道电位负向偏移和流入电流密度峰值的影响则相反，远离交叉点的OVPD合位的影响大于临近的OVPD。

(5)对于管道电位负向偏移量和流入电流密度峰值，两个站的OVPD同时合位后，位于两车站线路中间的管段呈现各站OVPD单独合位时影响的叠加效果，位于两车站同侧的管段则呈现影响的平均效果；对于管道电位正向偏移量和流出电流密度峰值，两个站的OVPD同时合位后，管线沿线各监测点均呈现平均的影响效果。