独立四轨回流系统对埋地管道直流干扰测试

张 坤，田 庆，张 豪，祖 健，李松原，刘 炜

0 引言

近年来，城市轨道交通发展迅速，线路与埋地金属管道相邻或交错的情况时有发生，采用走行轨回流的直流牵引供电系统存在钢轨电位与杂散电流问题，产生的杂散电流对埋地金属管道的干扰腐蚀问题日益突出。目前的杂散电流腐蚀防护系统主要采用增加钢轨对地过渡电阻、降低钢轨本体电阻、提高接触网电压减小钢轨回流大小等方法。上述方法可以起到一定的防护效果，通常成本太高或无法从根本上彻底解决问题。

文献[1]以埋地燃气管道受地铁杂散电流干扰的实测结果为基础，从干扰的程度和范围进行考虑，分析了管道、地铁的相对位置对杂散电流干扰的影响。文献[2]结合地铁附近航油输送管道检测结果，对不同防护措施效果展开了研究。文献[3]利用函数拟合的方法得到高压直流接地极杂散电流与管道金属腐蚀量的关系。文献[4]分析了高压直流输电系统对埋地金属管道的干扰机理、危害以及相应的缓解措施，梳理了高压直流输电系统对埋地金属管道干扰的测试方法，并讨论了高压直流输电系统对埋地金属管道干扰的计算方法。文献[5]阐述通过在高压直流接地极附近的多条埋地管道安装电位监测装置，对管道电位进行长时间连续监测，得出接地极与管道的垂直距离越短、靠近接地极端杂散电流流入流出的管段越短，其对远离接地极端的管道的干扰程度越大、干扰范围越广的结论。文献[6]以某直流接地极及其附近天然气管道为例，基于测试结果，分析管道位置、接地极入地电流对管道受杂散电流干扰的影响。高压直流输电系统与直流牵引供电系统作为杂散电流的源头，存在明显的差异，但高压直流输电系统杂散电流对管道干扰的研究可以作为直流牵引供电系统杂散电流对管道干扰研究的参考。

郑许线与多处燃气管道交错，为避免杂散电流对埋地金属管道的干扰和腐蚀，该线采用独立四轨回流系统[7-9]。为验证采用独立四轨回流系统的城市轨道交通系统对埋地燃气管道的干扰情况，对郑许线开通前后周边燃气管道测试点进行测试。

1 测试方法和测试仪器

杂散电流作用下的埋地金属管道会受到电化学腐蚀，电化学腐蚀具有集中性的特点，而且腐蚀程度更为严重。杂散电流对埋地金属管道的干扰如图1 所示。

图1 杂散电流对埋地金属管道干扰示意图

埋地金属管道在杂散电流的作用下，可根据电流的流向分为阳极区和阴极区。其中，杂散电流流出管道的区域为阳极区，管道失去电子发生腐蚀；杂散电流流入管道的区域为阴极区，阴极区一般不会受到电化学腐蚀，但阴极区电位过负会导致金属管道的析氢反应，进而造成防腐层剥落。

1.1 测试方法

杂散电流对埋地管道的腐蚀本质上是电化学腐蚀，可以通过地电位和土壤中电流的变化来确定。常用的试验方法有：管地电位试验、密距电位试验、大地电位梯度试验、管内电流试验等。本次测试采用管地电位测试和管道附近大地电位梯度测试的方法。

1.1.1 管地电位测试

管地电位是指天然气管道与参比电极之间的电位差。GB/T 21246—2020 给出测试方法和测试原理[10]，其中对测量仪表、参比电极、测量要求、电位极性均作出了明确规定。阴极防护管道测试原理如图2 所示。本次测试中的管道施加了阴极保护，采用施加阴极防护管道管地电位测试方法。

图2 阴极防护管道管地电位测量接线

1.1.2 大地电位梯度测试

土壤电位梯度是由流过土壤的电流形成的电位，采用双参比电极法测试。在GB 50991—2014中对地电位梯度的检测作了明确的规范[11]，检测原理如图3 所示。2 组参比电极等间距十字交叉分布，依据国标规定，2 只参比电极的间距不宜小于20 m。通过2 组参比电极电位合矢量，可以得到土壤电位梯度的大小和方向。水平与垂直方向的地电位梯度分别为该方向电位大小除以对应参比电极之间的距离。

图3 十字交叉法测电位梯度原理

1.2 测试设备

轨道交通系统的杂散电流泄漏与机车的位置和加速度有关。杂散电流的动态变化对测试系统的频率和精度提出了更高的要求。本文采用轨道回流系统参数智能测试装置（PRRSP），实时显示测试数据并自动存储数据，数据采集频率为2 Hz。该监测系统由参比电极、测试模块、PC 机和连接线组成，测试误差为0.1%。

1.3 直流干扰的判定标准

GB 50991—2014《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》要求针对直流牵引系统为直流干扰源的调查测试应包括铁轨附近地电位梯度，并通过地电位梯度判断土壤中杂散电流强弱。地电位梯度与杂散电流强弱的关系如表1 所示。

表1 地电位梯度与杂散电流干扰强度的关系

GB/T 19258—2014《埋地钢质管道腐蚀防护工程检验》中规定，如果管道已经施加阴极保护且无法关闭，或者发现有杂散电流源，但无法判定是直流或交流时，可测试管地电位波动值。干扰程度的评价见表2 所示。

表2 特殊情况下干扰程度的评价指标

2 测试结果

选取郑许线附近的6 处燃气管道测试桩进行连续24 h 管地电位和大地电位梯度的测试。土壤电位梯度测试的2 个参比电极间距为20 m。测试点分布见图4，分布基本覆盖郑许线郑州段全线。

图4 测试点分布

2.1 郑许线开通前测试

郑许线开通之前，测试时间安排在郑许线施工建设期间，此时线路上没有列车运行，牵引变电所无负荷，回流轨无电流。同一测试点的管地电位和地电位梯度测试为同步测试。

2.1.1 管地电位测试

郑许线与高速铁路相邻，周边燃气管道受交流杂散电流和直流杂散电流的共同影响，利用管地电位波动范围对管道受杂散电流干扰程度进行判断。开通前测试点埋地输气管道电位测试结果平均值、波动幅度、干扰程度如表3 所示。

表3 开通前管地电位测试结果

因这些测试点位的燃气管道主要开启了管道的阴极保护，且管道周边有高铁线路会产生交流杂散电流，管道受到直流杂散电流和交流杂散电流的共同干扰。由于管道受阴极保护程度较高，在24 h测试阶段管道电位均为负，受腐蚀的可能性较小，腐蚀程度较低。

图5 所示为开通前2号测试点的管地电位测试结果，在23：00—次日4：00 时段，交流杂散电流较小，管地电位的波动范围较小，其余时间管地电位波动较大，这与铁路运行和停运的时间特征相吻合。本次测试时间为郑许线开通之前，管道所受杂散电流干扰与郑许线无关。背景调查显示，该测试点周边存在多条高速铁路和城际铁路线路，推断本次测试中管地电位受交流干扰影响。

图5 开通前2 号测试点管地电位测试结果

2.1.2 大地电位梯度测试

在测试过程中，将北方向和东方向视为正方向，南方向和西方向视为负方向，分别计算南北方向和东西方向的大地电位大小的平均值，最后对4 个象限的地电位进行合成后得到和矢量坐标。东西与南北方向的地电位梯度分别为该方向电位大小除以对应参比电极之间的距离。表4 所示为开通前大地电位梯度的测试结果。

表4 开通前地电位梯度测试结果 mV/m

地电位梯度测试结果为直流杂散电流造成的直流干扰。开通前大地电位梯度的强度除测试点6之外均为一般，测试点6 距离郑许线相对较远，约为2 km，因此地电位梯度强度较弱。图6 所示为2号测试点的地电位梯度波形。

图6 开通前2 号测试点地电位压降

2.2 郑许线开通后测试

郑许线开通后，在相同测试点进行第2 次管地电位和大地电位梯度的同步测试。此时，线路上有列车运行，牵引变电所带负荷运行，回流轨有电流通过。

2.2.1 管地电位测试

开通后管地电位的平均值和波动幅度的测试结果如表5 所示。并参照表2 的评判标准对管地电位的受干扰程度进行评判。

表5 开通后管地电位测试结果

开通后管地电位测试结果表5 和图7 显示管地电位存在日间波动较大，夜间波动较小的情况。开通后和开通前管地电位测试结果相差较大，推测产生较大差别的原因可能是管道阴极保护存在一定的波动，郑许线周边的高速铁路、城际铁路等铁路网会产生交流干扰，对周边的管地电位产生影响，管道阴极保护的运行效果受到影响。且开通前测试时郑州正值夏季高温干旱，土壤电阻率较高。开通后测试时郑州雨水较为充沛，土壤电阻率较低导致。

图7 开通后2 号测试点管地电位

2.2.2 大地电位梯度测试

将北方向和东方向视为正方向，南方向和西方向视为负方向，分别计算各象限地电位梯度的平均值，东西与南北方向的地电位梯度分别为该方向电位大小除以对应参比电极之间的距离。对照表6 分析地电位梯度强度。

表6 开通前地电位梯度测试结果 mV/m

对比郑许线开通前后2 次测试结果显示，测试点1 的地电位梯度减小了31.11%，测试点2 的地电位梯度增加了18.49%，测试点3 的地电位梯度减小了77.33%，测试点4 的地电位梯度减小了70.55%，测试点5 的地电位梯度减小了26.76%，测试点6 的地电位梯度增加了46.15%，地电位梯度的强度出现增加或减少，开通后未出现明显增加趋势。由于郑许线采用独立四轨回流系统，回流轨对地过渡电阻较高，直流杂散电流泄漏较小，所以前后2 次的测试结果影响不大。图8 所示为2 号测试点的地电位波形。

图8 开通后2 号测试点地电位压降

3 结语

本文对郑许线地铁周边6 个燃气管道测试桩进行了管地电位和大地电位梯度的测试实验，研究了郑许线杂散电流对附近埋地输气管道的干扰。

对比郑许线开通运行前后2 次测试结果显示，地电位梯度的强度出现增加或减少，开通后未出现明显增加趋势。但对管地电位的测量研究表明，管地电位受直流杂散电流和交流杂散电流共同作用，导致郑许线管地电位开通前后2 次实验结果差别较大。

通过对地电位梯度的分析，综合本次实验的前后2 次测试结果，郑许线采用独立四轨回流系统，开通前后对燃气管道的直流干扰基本无影响。