地鐵雜散電流對(duì)埋地管道的影響與防護(hù)

魏洲邦 劉廣橋 曹 剛

（蘭州城市學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

目前，城市軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)中，一般采用直流牽引、經(jīng)走行軌回流[1-3]，走行軌具有一定的電阻且與大地?zé)o法做到完全絕緣致使部分直流電流泄漏至土壤中形成直流雜散電流。由于蘭州南北群山相夾、東西黃河穿城而過(guò)的狹窄地理位置的限制，使得地鐵建設(shè)過(guò)程中軌道難免會(huì)與埋地管道交叉敷設(shè)，且作為西部石油工業(yè)基地，西氣東輸重要樞紐，市區(qū)內(nèi)埋地輸油輸氣管道遍布。而雜散電流會(huì)對(duì)埋地鋼管、金屬等產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕[4,5]，影響埋地輸油、輸氣的安全運(yùn)營(yíng)。本文以在建的蘭州地鐵2號(hào)線為研究對(duì)象，在費(fèi)家營(yíng)站進(jìn)行土壤取樣，并設(shè)計(jì)了雜散電流實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置，得出該土質(zhì)條件在不同影響因素下與雜散電流的關(guān)系，為蘭州地鐵2號(hào)線雜散電流防腐設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 蘭州地鐵2號(hào)線概況

蘭州軌道交通整體布局共規(guī)劃建設(shè)3條中心城區(qū)網(wǎng)線和3條市域網(wǎng)線，分別為：中心城區(qū)1號(hào)線、2號(hào)線、3號(hào)線、市域中川線、榆中線、青什線。2號(hào)線西起安寧區(qū)元臺(tái)子，途經(jīng)西客站、理工大學(xué)，沿慶陽(yáng)路經(jīng)東方紅廣場(chǎng)，再沿平?jīng)雎愤^(guò)火車(chē)站，線路過(guò)公交五公司站后轉(zhuǎn)向北沿瑞德大道直至雁北路，線路全長(zhǎng)約32km[6]。據(jù)資料顯示，2號(hào)線路安寧區(qū)段元臺(tái)子站至培黎廣場(chǎng)站之間為莊浪河古河道流過(guò)區(qū)域，地下水位豐富[7]。土壤含水量較高時(shí)，將加速電化學(xué)腐蝕過(guò)程中電子轉(zhuǎn)移過(guò)程，雜散電流更容易泄露至土壤中，影響埋地輸油、輸氣管道的正常運(yùn)行。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的裝土塑料容器尺寸為長(zhǎng)×寬×高=0.7×0.5×0.4m，為盡可能使電流泄漏至土壤中便于實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)采用鎳鉻2080電阻絲模擬走行軌，采用4分自來(lái)水管模擬埋地管道，采用WYJ-301000型直流電源模擬供電站，利用萬(wàn)用表測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所涉及的電壓、電流、電阻等值。

2.2 管地電位測(cè)量

將模擬管道埋至土壤0.18m處，并從管道一端連接導(dǎo)線引出。將Cu/CuSO4參比電極插入土壤中，為使參比電極與土壤有良好的接觸可在參比電極周?chē)m當(dāng)加水濕潤(rùn)。萬(wàn)用表一端連接參比電極接線端，另一端連接從土壤中引出連接管道的接線端，萬(wàn)用表顯示數(shù)據(jù)即為管地電位，測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 管地電位測(cè)量原理圖

2.3 土壤電阻率測(cè)量

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所用土壤樣本為費(fèi)家營(yíng)站土壤，由于該站處于古莊浪河道所經(jīng)過(guò)位置，地勢(shì)低洼且臨近黃河，故地下水位豐富[7]。為最大程度模擬地下土壤濕度，故實(shí)驗(yàn)過(guò)程中盡可能將土壤濕度增大。土壤電阻率測(cè)量方法采用等距四極法[8]，通過(guò)ZC-8接地電阻儀測(cè)得實(shí)驗(yàn)土壤電阻為41Ω，算得土壤電阻率ρ=25.76Ω·m。

3 測(cè)量結(jié)果與分析

3.1 不同供電方式對(duì)雜散電流的影響

通過(guò)由一個(gè)直流電源與模擬供電系統(tǒng)之間串聯(lián)而成的電路系統(tǒng)模擬單邊供電系統(tǒng)，通過(guò)由兩個(gè)直流電源與模擬供電系統(tǒng)之間并聯(lián)而成的電路系統(tǒng)模擬雙邊供電系統(tǒng)。由圖2可見(jiàn)，采用單、雙邊供電時(shí)，單邊供電情況下雜散電流隨著機(jī)車(chē)與供電站間間距的增大而增大，而采用雙邊供電時(shí)，該供電方式有明顯降低管道中的雜散電流的趨勢(shì)，使得隨著機(jī)車(chē)遠(yuǎn)離供電站時(shí)管道中的雜散電流大致保持在一較低水平范圍內(nèi)，極大的提高了管道的安全程度。結(jié)合牟龍華等人所推導(dǎo)出的雜散電流分布公式分析可知，雜散電流大小與機(jī)車(chē)供電站間距離的平方成正比[9]，且在圖中發(fā)現(xiàn)一定距離之后存在拐點(diǎn)，拐點(diǎn)之后雜散電流增長(zhǎng)趨勢(shì)加劇，這就使得雜散電流的存在成為了埋地輸油、輸氣管道的安全隱患。

同時(shí)可以看出雙邊供電的明顯優(yōu)勢(shì)，相比單邊供電而言很大程度上降低了管道中的雜散電流。因此宜采用雙邊供電方式為機(jī)車(chē)供電，單、雙邊供電方式的區(qū)別主要在于各個(gè)供電站間的間距，雙邊供電即減小各個(gè)供電站間的間距。故在蘭州地鐵2號(hào)線建設(shè)過(guò)程中，綜合考慮其他因素后，盡可能最大程度的減小各供電站間的間距，以此來(lái)減小管道中雜散電流的大小，保證埋地輸油管道等的安全運(yùn)行。

圖2 機(jī)車(chē)與供電站間的距離

3.2 不同供電電壓對(duì)雜散電流的影響

當(dāng)改變直流電源電壓時(shí)供流電流也會(huì)隨其改變，為探究雜散電流變化是否與供電電壓值的改變與否有關(guān)，現(xiàn)依次取供電電壓值為22V、24V、26V、28V、30V,等情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

由圖3可見(jiàn)，雜散電流會(huì)隨著供電電壓的增大呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，且在每個(gè)供電電壓值下隨著機(jī)車(chē)距離的不斷增大而增大，結(jié)合胡宏亮[10]等人的研究可知隨著機(jī)車(chē)與供電站間的距離不斷增大，機(jī)車(chē)所處位置與供電站間的供電電壓不斷增大，供電電壓增大過(guò)程中而電阻并沒(méi)有明顯的增大，供流電流的增長(zhǎng)趨勢(shì)顯然大于走向軌電阻的，這就導(dǎo)致雜散電流的泄漏不斷增加，土壤中的雜散電流進(jìn)而不斷增大。

雖然圖示中極個(gè)別雜散電流隨機(jī)車(chē)距離增大而增大的趨勢(shì)不具有明顯規(guī)律，但總體上還是呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。供電電壓值與管道中雜散電流大小存在一個(gè)最優(yōu)值，當(dāng)電壓值取28V時(shí)在管道中所測(cè)得雜散電流值趨于一較低水平。國(guó)內(nèi)目前主要有DC1500V、DC750V兩種供電方式，根據(jù)已有的研究，DC1500V供電時(shí)的供流電流約為DC750V的一半[11]，是否在這兩值之間存在更優(yōu)值使得供流電流趨于更低水平需進(jìn)一步研究，由于實(shí)驗(yàn)條件限制無(wú)法在實(shí)際情況下深入研究。雜散電流無(wú)法完全消除[12]，一方面要盡可能的在源頭采取措施減少其泄漏，供流電壓應(yīng)包含于其中；另一方面盡可能采取防護(hù)措施使其保持在一安全范圍內(nèi)，不對(duì)周?chē)竦毓艿喇a(chǎn)生影響即可。

圖3 不同供電電壓對(duì)雜散電流影響

3.3 不同供流電流對(duì)雜散電流的影響

由于改變機(jī)車(chē)位置時(shí)，供流電流時(shí)刻發(fā)生改變，故每次取距起點(diǎn)40cm處的供流電流為標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)擬采用304網(wǎng)在0.4A、0.6A、0.8A的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。 由圖4可以看出管道中的雜散電流先是緩慢增長(zhǎng)，在一定距離后增長(zhǎng)速率增大，且隨著供流電流不斷增大，雜散電流增長(zhǎng)速率改變位置也隨之愈靠近起點(diǎn)位置，說(shuō)明雜散電流發(fā)生突增與供流電流大小有關(guān)。當(dāng)然，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制雜散電流發(fā)生突增的位置可能還與土壤的含水率、含鹽量、通透性以及所含石塊等雜質(zhì)存在一定聯(lián)系。

圖4 同供流電流對(duì)雜散電流的影響

3.4 敷設(shè)收集網(wǎng)層數(shù)對(duì)雜散電流的影響

在模擬鋼軌與埋地管道之間的土壤中敷設(shè)雜散電流收集網(wǎng)，雜散電流收集網(wǎng)由304不銹鋼制成。收集網(wǎng)的電阻遠(yuǎn)小于土壤電阻使得泄露至土壤中的雜散電流被收集網(wǎng)所收集再通過(guò)與收集網(wǎng)所連接的外電路將這部分電流泄流。圖5顯示了在模擬管道埋深為0.18m，牽引電流為0.8A時(shí)收集網(wǎng)中所收集的雜散電流的情況。首先在不敷設(shè)收集網(wǎng)情況下測(cè)得管地自然電位，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)若在敷設(shè)收集網(wǎng)或容器中放有金屬物件時(shí)會(huì)減小管地自然電位；其次在敷設(shè)收集網(wǎng)且通電的條件下測(cè)量管道通電電位。由于雜散電流無(wú)法直接測(cè)得[2,13]，故采用間接方式可得到雜散電流值大小。

收集網(wǎng)中所收集的雜散電流可通過(guò)下式算得[14]。

式中ρ為土壤電阻率；h為管道埋深。

由圖5可見(jiàn)，當(dāng)敷設(shè)收集網(wǎng)層數(shù)為3層時(shí)收集網(wǎng)中所收集的雜散電流最大，此時(shí)收集效果最佳。收集網(wǎng)中所收集雜散電流的趨勢(shì)呈現(xiàn)先增后減，當(dāng)收集網(wǎng)層數(shù)超過(guò)3層時(shí)收集網(wǎng)中收集的雜散電流反而下降。分析可能是由于敷設(shè)收集網(wǎng)層數(shù)過(guò)多，實(shí)質(zhì)上是增加了土壤中結(jié)構(gòu)鋼筋[15]，這樣使得最下層收集網(wǎng)接近埋地管道導(dǎo)致收集網(wǎng)中收集的雜散電流反而泄漏至管道中。

因此，雖然通過(guò)敷設(shè)收集網(wǎng)可以收集泄露至土壤中的雜散電流從而減小其對(duì)埋地管道的影響，但是在敷設(shè)收集網(wǎng)時(shí)還應(yīng)注意其層數(shù)的影響，層數(shù)并非越多越好，過(guò)多時(shí)反而會(huì)使管道中的雜散電流增加，影響管道安全運(yùn)營(yíng)。

圖5 收集網(wǎng)層數(shù)

3.5 收集網(wǎng)網(wǎng)格面積對(duì)雜散電流的影響

由于隨著機(jī)車(chē)位置的改變走行軌中的電流時(shí)刻在發(fā)生改變，于是將直流電源的電壓值設(shè)定為22V，在距起點(diǎn)40cm處的電流設(shè)定為0.6A，模擬管道埋于土壤0.18m深度處，收集網(wǎng)采用304不銹鋼絲網(wǎng)格。依次取收集網(wǎng)網(wǎng)格面積為4cm2、9cm2、16cm2、25cm2、36cm2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

由圖6可見(jiàn)，在其他條件不變的情況下，隨著收集網(wǎng)網(wǎng)格面積不斷的增加，管道中的雜散電流呈先減小后增大趨勢(shì)，即收集網(wǎng)中所收集的雜散電流先增大后減小。表明收集網(wǎng)格面積對(duì)收集網(wǎng)收集雜散電流效果會(huì)產(chǎn)生影響，且當(dāng)收集網(wǎng)網(wǎng)格面積取16cm2時(shí)，收集效果最好。利用極限思想分析產(chǎn)生這種情況的原因可能是由于當(dāng)收集網(wǎng)格面積過(guò)小時(shí)，收集網(wǎng)網(wǎng)格間的間隙可以忽略，此時(shí)收集網(wǎng)可視為一塊金屬導(dǎo)體埋入土壤中減小其電位降，增大了管道中的雜散電流。與此相反的是當(dāng)網(wǎng)格面積過(guò)大時(shí)，電流不能很好地被收集網(wǎng)所收集而是通過(guò)網(wǎng)格間較大的間隙泄露至管道中，收集網(wǎng)作用微乎其微。

圖6 收集網(wǎng)網(wǎng)格面積對(duì)雜散電流的影響

4 結(jié)論

（1）雜散電流會(huì)隨著機(jī)車(chē)與供電站的距離增大而增大，且隨機(jī)車(chē)供流電流的改變突增位置也隨之發(fā)生改變，供流電流越大雜散電流突增位置越靠近機(jī)車(chē)起點(diǎn)。在選擇供電電壓時(shí)存在最優(yōu)值使得雜散電流的泄露趨勢(shì)減小，而并非越大越好。雙邊供電較單邊供電有著明顯降低雜散電流泄露的效果，在建設(shè)過(guò)程中綜合考慮其他因素的條件下盡可能增設(shè)供電站；

（2）在走行軌下方敷設(shè)收集網(wǎng)后管道中雜散電流明顯減少，且收集網(wǎng)層數(shù)與雜散電流呈拋物線關(guān)系，收集網(wǎng)層數(shù)并非越多越好；收集網(wǎng)網(wǎng)格面積與雜散電流收集效果存在密切關(guān)系，收集網(wǎng)網(wǎng)格面積為16cm2取得最佳收集效果，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中考慮敷設(shè)收集網(wǎng)時(shí)應(yīng)綜合考慮其各種影響因素，得出最佳敷設(shè)方案；

（3）本文只是以實(shí)驗(yàn)的研究方式研究了蘭州地鐵2號(hào)線雜散電流對(duì)埋地金屬管道等的影響，在實(shí)際投入運(yùn)行后還需要記錄大量數(shù)據(jù)作為研究基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際情況采用最佳的防措施。