地铁车辆段对埋地钢质管道的干扰及轨道对地过渡电阻的测试方法

2023-09-07吴广春姜乃良马雪莉杨立君

腐蚀与防护 2023年7期

吴广春,王灿,李铭,姜乃良,马雪莉,杨立君

(1. 安科工程技术研究院(北京)有限公司,北京 102200; 2. 国家管网集团山东省分公司,济南 250098;3. 山东省中远天然气技术服务有限责任公司,济南 250098)

地铁检修车辆段(简称车辆段)和运用停车场(简称停车场)由于轨道的绝缘等级相对较低(国内多个车辆段测试结果为0.1～0.2 Ω),是地铁系统杂散电流防控的薄弱点。国内地铁几乎都存在车辆段和停车场区域杂散电流超标的现象,场段内设备烧损和挂地线打火等现象时有发生[1-5]。出入段单向导通装置是影响地铁场段内杂散电流分布的关键设备之一,传统的单向导通装置的电流是单向导通的,导致场段源源不断地吸收来自正线牵引所的电流,即使是场段内的牵引变电所断电,流经出入段单向导通装置的峰值电流也高达500～1 000 A,这会对附近的埋地金属管道产生显著的杂散电流干扰影响[6-7]。影响地铁系统杂散电流的一个关键参数是轨道对地过渡电阻,目前,轨道对地过渡电阻的测试方法主要是依据标准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 systems》和GB/T 28026.2-2018《轨道交通地面装置电气安全、接地和回流第2部分:直流牵引供电系统杂散电流的防护措施》,采用电压电流法测量轨道对地过渡电阻,测试时需要事先对轨道进行分段电气隔离,然而,在役轨道采用的是全线贯通的焊接钢铝复合轨,不具备电气隔离的条件;虽然标准中也给出了一种无需分段隔离的测试方法,但测试结果只能反映测试点位置处的对地绝缘状况,是一种单点测试方法,无法反映轨道整体的对地绝缘状况,且测试计算过程复杂。考虑到轨道对地过渡电阻与埋地管道防腐层绝缘电阻的测试方法本质上是相同的(均属于电压电流法),故采用防腐蚀层绝缘电阻的测试方法测试轨道对地过渡电阻理论上是可行的,且防腐层绝缘电阻测试时无需对测试对象进行绝缘分段,这为在役轨道的对地过渡电阻测试创造了可操作性的前提,实际操作中可将一个供电区间内的轨道以均流线和回流电缆为界划分为若干个区段,为区间内在役轨道的对地绝缘水平测试评估创造了可能。笔者以国内某地铁车辆段及其临近的埋地长输管道为测试研究对象,开展车辆段内出入段单向导通装置和库内轨电位限制装置不同运行工况下的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车辆段对埋地管道杂散电流干扰的影响;同时选取了某段在役地上轨道,探讨了利用管道防腐蚀层绝缘电阻方法测试在役轨道对地过渡电阻的可行性,以期为国内外同行提供参考和借鉴。

1 现场测试

1.1 测试位置

1.1.1 车辆段对管道的干扰

以某地铁车辆段和某长输管道的1～6号测试桩为研究对象,管道与地铁线路并行,离车辆段最近的管道监测点为2号测试点,距离为2.61 km,管道与地铁正线段的最近距离为2.3 km,位于2～3号测试点之间,如下图1所示;各监测点与车辆段的方位和距离见表1。图2为车辆段内电气结构简图,分别在停车库、静调库和出入段处设置了两台单向导通装置,布置于轨道的两侧,各股轨道间通过均流线连接在一起,库内轨道流经的电流经库前单导回流至变电所的负极,吸收的来自正线的杂散电流经出入段单导流回正线,库内轨道经轨电位限制装置与接地网连接,轨电位限制装置的保护阈值设置为60 V。

图1 管道各监测点与地铁线路的相对位置Fig. 1 The relative positions of each monitoring point of the pipeline and the subway line

表1 管道各监测点与地铁车辆段的方位和距离Tab. 1 The orientation and distance between each monitoring point of the pipeline and the subway depot

1.1.2 轨道对地过渡电阻

选取某试运行轨道的某地上车站站台区域为测试对象,如图3所示,上下行轨道出站台区域后,左侧分岔成四股轨道至停车场,右侧至地下隧道段,各股轨道之间通过均流电缆连接,选取两处均流电缆间无支路的轨道作为测试目标,即图中ab段轨道,长度为143 m。轨道道床为砟石道床。

图2 车辆段内电气结构简图Fig. 2 Electrical structure diagram inside the depot

图3 轨道对地过渡电阻测试位置示意Fig. 3 Schematic of testing location of rail transition resistance to ground

1.2 测试工况与参数

地铁车辆段对埋地管道干扰影响涉及4种运行工况:(1) 出入段单导正常运行和库内OVPD分闸;(2) 出入段单导正常运行和库内OVPD合闸;(3) 出入段单导拆除和库内OVPD分闸;(4) 出入段单导拆除和库内OVPD合闸。测试时间段选为相同发车频率时间段,测试期间车辆段混合变电所处于断电状态,即车辆段自身的牵引供电系统不工作,每种工况的测试时间为2 h。

测试参数包括:管道极化电位、试片流入/出电流密度、轨道对地电位、单导流经电流、库内OVPD流经电流和轨道对地过渡电阻。

1.3 测试方法

1.3.1 管道极化电位和试片流入/出电流密度

采用试片断电法进行测试,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,在管道测试桩处埋设1 cm2阴极保护检查片,检查片埋深与管道同深,与管道外壁水平间距300 mm,通过测试桩与管道实施电连接,待试片极化24 h后,利用uDL2 Micro Data Logger数据记录仪测试试片的通/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,测试时长为24 h,测试示意图如下图4所示。

图4 管道极化电位和试片流入/出电流密度测试原理Fig. 4 Schematic diagram of principle of pipeline polarization potential and test piece inflow/outflow current density testing

1.3.2 轨地电位

分别测量库内轨道、库外轨道和正线轨道的轨地电位,且库内轨道和库外轨道的轨地电位测试原理如图5所示。正线轨道轨地电位在出入段单导的“正线轨道”母排端子处测试。采用uDL1 Micro Data Logger型数据记录仪进行连续监测,测试前将uDL1 Micro Data Logger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,黑色测试线连接至便携式硫酸铜参比电极(CSE),采样频率为1 s。

图5 轨地电位测试原理图Fig. 5 Principle diagram of rail potential to ground monitoring test

1.3.3 轨地间流经电流

采用uDL1 Micro Data Logger型数据记录仪在轨电位限制装置内的分流器处进行测试, 测试前将uDL1 Micro Data Logger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。

1.3.4 单向导通装置流经电流

单导内部设置有6个子路分流器和1个总线路分流器,采用uDL1 Micro Data Logger型数据记录仪在总分流器处进行测试, 测试前将uDL1 Micro Data Logger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库内轨道连接端子处,黑色测试线连接至正线轨道连接端子处,采样频率为1 s/次,测试示意图如下图6所示。

图6 单导流经电流测试原理图Fig. 6 Principle diagram of current test flowed through single-phase conduction device

1.3.5 轨道对地过渡电阻

(1) 按照图7所示布置测试设备,测试点a距离通电点应不小于50 m,参比电极距离测量点应不小于30 m;在轨道一端通过稳压直流电源施加电流,在电流回路中安装同步断路器,通/断周期设置为:通电12 s,断电3 s。

图7 轨道对地过渡电阻测试原理图Fig. 7 Principle diagram of rail transition resistance to ground testing

(2) 测量ab段的长度,确保测量段内无其他电流支路。

(3) 测量轨道上各测量点的通断电电位,按式(1)计算电位变化量。

ΔVa=Va·on-Va·off

(1)

式中:ΔVa为a测量点的通/断电位差(V);ΔVa·on为a测量点的通电电位(V);ΔVa·off为a测量点的断电电位(V)。

两个测量点的电位差比可按式(2)计算,比值应为0.625～1.6,不满足要求时应在两点之间再增加一处或多处测量点。

(2)

式中:K为第1测量段的电位差比率;ΔVa为a测量点的通/断电位差(V);ΔVb为b测量点的通/断电位差(V)。

(4) 利用电流环法测量各测量点处通电状态和断电状态下的流经电流,其通/断状态下的电流量应有明显的变化,测量点的轨道内电流按式(3)计算。

ΔIa=Ia·on-Ia·off

(3)

式中:ΔIa为a测量点的电流(A);ΔIa·on为a测量点的通电状态下的电流(A);ΔIa·off为a测量点的断电状态下的电流(A)。

(5) 各测量段的平均通/断电位差ΔV1和电流漏失量ΔI1可分别按式(4)和(5)计算。

(4)

ΔI1=ΔIa-ΔIb

(5)

式中:ΔV1为测量段的平均通/断电位差(V);ΔI1为测量段的电流漏失量(A)。

(6)测量段轨道的电阻按式(6)计算。

(6)

(7) 测量段轨道的对地过渡电阻按式(7)计算。

(7)

式中:ωr-c为测量段轨道的对地过渡电阻(Ω·km);R1为测量段轨道的电阻(Ω);L为测试段长度(m)。

2 结果与讨论

2.1 轨电位变化分布

由图8可知:库内和库外轨电位曲线基本重合,库内轨道正向轨电位稍正于库外轨电位,原因在于单向导通装置晶闸管的正向导通阻抗,均小于正线轨电位且与正线轨电位呈现反向对称的关系。

图8 正常运行工况下的轨电位Fig. 8 Diagram of rail-to-ground potential under normal operation condition

由图9可见:出入段单导正常运行和库内OVPD分闸工况下,正线、库外和库内轨道的轨电位正向平均值均大于标准要求值5 V;出入段单导拆除和库内OVPD分闸工况下轨电位正向平均值均小于5 V,轨电位降低明显;此时,合闸库内轨电位限制装置,轨电位进一步减小;在前序工况的基础上重新投用单导后,由于杂散电流量增加,轨电位有所抬升。

(a) 库内轨道 (b) 库外轨道 (c) 正线轨道图9 4种运行工况下轨电位分布图Fig. 9 Diagram of rail-to-ground potential under four different operation conditions: (a) tracks inside the parking garage; (b) tracks outside the parking garage; (c) main track

2.2 单导和库内轨电位限制装置流经电流的变化情况

单导(库前单导和出入段单导)和库内轨电位限制装置流经的电流采用GPS同步测试,同步时间误差小于0.1 s,表2和表3为四种工况下,单向导通装置和库内轨电位限制装置流经电流统计结果,表2数据按照递增或递减的原则进行排序,取排序前10%的数据的平均值称为“10%峰值平均值”。可以看出:(1) 正常工况下,出入段单向导通装置流经的电流极值可达247.16 A,库前单导流经的电流平均值约为出入段单导的1.36倍,当库内轨电位限制装置合闸时,库前单导流经的电流平均值约为出入段单导的2.08倍;这说明杂散电流主要被库内轨所吸收,经库内外单导和出入段单导回流至正线,但单导并非杂散电流的唯一通道;由于车辆段内的轨道对地绝缘水平较差,一部分电流经库外轨道→土壤→正线轨道的路径返回正线;(2) 当出入段单导被拆除而库内轨电位限制装置合闸时,仍然有极值可达308.81 A的电流流经库前单导;只有当出入段单导双向截断且库内轨电位限制装置分闸时,车辆段内的杂散电流量才会显著减小至0附近;车辆段内杂散电流量主要受出入段单导和库内轨电位限制装置的影响,单纯将传统单导换成智能单导(具备仅列车通过绝缘节时导通平时双向截断特性的新型单向导通装置)并不能完全解决车辆段的杂散电流问题。

表2 单向导通装置流经电流分布统计结果Tab. 2 Current through single-phase conduction device

2.3 管道电位和电流参数变化分布

由图10可见:沿线各监测点处杂散电流均以流入占主导,各种工况下,试片杂散电流流入和流出分布无明显变化。

由图11可见:三种工况下,管道电位偏移量和流入/流出杂散电流密度与正常运行工况下无明显差异,说明本案例中出入段单导和库内轨电位限制装置对埋地管道的干扰影响范围小于2.6 km。

表3 库内轨电位限制装置流经电流分布统计结果Tab. 3 Current through OVPD inside the parking garage

图10 四种工况下管线沿线各监测点处杂散电流流入时间/流出时间分布变化曲线Fig. 10 Distribution curve of the time ratio between stray current inflow and outflow in the pipeline monitoring points

2.4 轨道的对地过渡电阻

由表4可见:一行轨道的平均对地过渡电阻分别为0.44 Ω·km和0.50 Ω·km,未达到标准要求(标准要求值为15 Ω·km);考虑到该测试轨道段紧邻地铁停车场且采用与停车场轨道相同的砟石道床(砟石道床轨道的对地绝缘水平往往由于潮湿等因素的影响而小于混凝土整体道床),测试结果与其他学者的测试结果相近(国内多个车辆段测试结果为0.1～0.2 Ω)[2-4],结合以上特征可认为本测试方法有效可行,可用于在役轨道的对地过渡电阻测试。