地铁杂散电流对埋地管道的影响与防护

魏洲邦 刘广桥 曹 刚

（兰州城市学院，甘肃 兰州 730070）

0 引言

目前，城市轨道交通运输系统中，一般采用直流牵引、经走行轨回流[1-3]，走行轨具有一定的电阻且与大地无法做到完全绝缘致使部分直流电流泄漏至土壤中形成直流杂散电流。由于兰州南北群山相夹、东西黄河穿城而过的狭窄地理位置的限制，使得地铁建设过程中轨道难免会与埋地管道交叉敷设，且作为西部石油工业基地，西气东输重要枢纽，市区内埋地输油输气管道遍布。而杂散电流会对埋地钢管、金属等产生严重腐蚀[4,5]，影响埋地输油、输气的安全运营。本文以在建的兰州地铁2号线为研究对象，在费家营站进行土壤取样，并设计了杂散电流实验模拟装置，得出该土质条件在不同影响因素下与杂散电流的关系，为兰州地铁2号线杂散电流防腐设计提供一定的参考。

1 兰州地铁2号线概况

兰州轨道交通整体布局共规划建设3条中心城区网线和3条市域网线，分别为：中心城区1号线、2号线、3号线、市域中川线、榆中线、青什线。2号线西起安宁区元台子，途经西客站、理工大学，沿庆阳路经东方红广场，再沿平凉路过火车站，线路过公交五公司站后转向北沿瑞德大道直至雁北路，线路全长约32km[6]。据资料显示，2号线路安宁区段元台子站至培黎广场站之间为庄浪河古河道流过区域，地下水位丰富[7]。土壤含水量较高时，将加速电化学腐蚀过程中电子转移过程，杂散电流更容易泄露至土壤中，影响埋地输油、输气管道的正常运行。

2 实验过程

2.1 实验装置

本实验设计的装土塑料容器尺寸为长×宽×高=0.7×0.5×0.4m，为尽可能使电流泄漏至土壤中便于实验研究，实验采用镍铬2080电阻丝模拟走行轨，采用4分自来水管模拟埋地管道，采用WYJ-301000型直流电源模拟供电站，利用万用表测量实验过程中所涉及的电压、电流、电阻等值。

2.2 管地电位测量

将模拟管道埋至土壤0.18m处，并从管道一端连接导线引出。将Cu/CuSO4参比电极插入土壤中，为使参比电极与土壤有良好的接触可在参比电极周围适当加水湿润。万用表一端连接参比电极接线端，另一端连接从土壤中引出连接管道的接线端，万用表显示数据即为管地电位，测量原理如图1所示。

图1 管地电位测量原理图

2.3 土壤电阻率测量

实验过程中所用土壤样本为费家营站土壤，由于该站处于古庄浪河道所经过位置，地势低洼且临近黄河，故地下水位丰富[7]。为最大程度模拟地下土壤湿度，故实验过程中尽可能将土壤湿度增大。土壤电阻率测量方法采用等距四极法[8]，通过ZC-8接地电阻仪测得实验土壤电阻为41Ω，算得土壤电阻率ρ=25.76Ω·m。

3 测量结果与分析

3.1 不同供电方式对杂散电流的影响

通过由一个直流电源与模拟供电系统之间串联而成的电路系统模拟单边供电系统，通过由两个直流电源与模拟供电系统之间并联而成的电路系统模拟双边供电系统。由图2可见，采用单、双边供电时，单边供电情况下杂散电流随着机车与供电站间间距的增大而增大，而采用双边供电时，该供电方式有明显降低管道中的杂散电流的趋势，使得随着机车远离供电站时管道中的杂散电流大致保持在一较低水平范围内，极大的提高了管道的安全程度。结合牟龙华等人所推导出的杂散电流分布公式分析可知，杂散电流大小与机车供电站间距离的平方成正比[9]，且在图中发现一定距离之后存在拐点，拐点之后杂散电流增长趋势加剧，这就使得杂散电流的存在成为了埋地输油、输气管道的安全隐患。

同时可以看出双边供电的明显优势，相比单边供电而言很大程度上降低了管道中的杂散电流。因此宜采用双边供电方式为机车供电，单、双边供电方式的区别主要在于各个供电站间的间距，双边供电即减小各个供电站间的间距。故在兰州地铁2号线建设过程中，综合考虑其他因素后，尽可能最大程度的减小各供电站间的间距，以此来减小管道中杂散电流的大小，保证埋地输油管道等的安全运行。

图2 机车与供电站间的距离

3.2 不同供电电压对杂散电流的影响

当改变直流电源电压时供流电流也会随其改变，为探究杂散电流变化是否与供电电压值的改变与否有关，现依次取供电电压值为22V、24V、26V、28V、30V,等情况进行实验研究。

由图3可见，杂散电流会随着供电电压的增大呈现先增大后减小趋势，且在每个供电电压值下随着机车距离的不断增大而增大，结合胡宏亮[10]等人的研究可知随着机车与供电站间的距离不断增大，机车所处位置与供电站间的供电电压不断增大，供电电压增大过程中而电阻并没有明显的增大，供流电流的增长趋势显然大于走向轨电阻的，这就导致杂散电流的泄漏不断增加，土壤中的杂散电流进而不断增大。

虽然图示中极个别杂散电流随机车距离增大而增大的趋势不具有明显规律，但总体上还是呈增长趋势。供电电压值与管道中杂散电流大小存在一个最优值，当电压值取28V时在管道中所测得杂散电流值趋于一较低水平。国内目前主要有DC1500V、DC750V两种供电方式，根据已有的研究，DC1500V供电时的供流电流约为DC750V的一半[11]，是否在这两值之间存在更优值使得供流电流趋于更低水平需进一步研究，由于实验条件限制无法在实际情况下深入研究。杂散电流无法完全消除[12]，一方面要尽可能的在源头采取措施减少其泄漏，供流电压应包含于其中；另一方面尽可能采取防护措施使其保持在一安全范围内，不对周围埋地管道产生影响即可。

图3 不同供电电压对杂散电流影响

3.3 不同供流电流对杂散电流的影响

由于改变机车位置时，供流电流时刻发生改变，故每次取距起点40cm处的供流电流为标准。实验拟采用304网在0.4A、0.6A、0.8A的情况下进行实验研究。 由图4可以看出管道中的杂散电流先是缓慢增长，在一定距离后增长速率增大，且随着供流电流不断增大，杂散电流增长速率改变位置也随之愈靠近起点位置，说明杂散电流发生突增与供流电流大小有关。当然，由于实验条件的限制杂散电流发生突增的位置可能还与土壤的含水率、含盐量、通透性以及所含石块等杂质存在一定联系。

图4 同供流电流对杂散电流的影响

3.4 敷设收集网层数对杂散电流的影响

在模拟钢轨与埋地管道之间的土壤中敷设杂散电流收集网，杂散电流收集网由304不锈钢制成。收集网的电阻远小于土壤电阻使得泄露至土壤中的杂散电流被收集网所收集再通过与收集网所连接的外电路将这部分电流泄流。图5显示了在模拟管道埋深为0.18m，牵引电流为0.8A时收集网中所收集的杂散电流的情况。首先在不敷设收集网情况下测得管地自然电位，实验过程中发现若在敷设收集网或容器中放有金属物件时会减小管地自然电位；其次在敷设收集网且通电的条件下测量管道通电电位。由于杂散电流无法直接测得[2,13]，故采用间接方式可得到杂散电流值大小。

收集网中所收集的杂散电流可通过下式算得[14]。

式中ρ为土壤电阻率；h为管道埋深。

由图5可见，当敷设收集网层数为3层时收集网中所收集的杂散电流最大，此时收集效果最佳。收集网中所收集杂散电流的趋势呈现先增后减，当收集网层数超过3层时收集网中收集的杂散电流反而下降。分析可能是由于敷设收集网层数过多，实质上是增加了土壤中结构钢筋[15]，这样使得最下层收集网接近埋地管道导致收集网中收集的杂散电流反而泄漏至管道中。

因此，虽然通过敷设收集网可以收集泄露至土壤中的杂散电流从而减小其对埋地管道的影响，但是在敷设收集网时还应注意其层数的影响，层数并非越多越好，过多时反而会使管道中的杂散电流增加，影响管道安全运营。

图5 收集网层数

3.5 收集网网格面积对杂散电流的影响

由于随着机车位置的改变走行轨中的电流时刻在发生改变，于是将直流电源的电压值设定为22V，在距起点40cm处的电流设定为0.6A，模拟管道埋于土壤0.18m深度处，收集网采用304不锈钢丝网格。依次取收集网网格面积为4cm2、9cm2、16cm2、25cm2、36cm2进行实验。

由图6可见，在其他条件不变的情况下，随着收集网网格面积不断的增加，管道中的杂散电流呈先减小后增大趋势，即收集网中所收集的杂散电流先增大后减小。表明收集网格面积对收集网收集杂散电流效果会产生影响，且当收集网网格面积取16cm2时，收集效果最好。利用极限思想分析产生这种情况的原因可能是由于当收集网格面积过小时，收集网网格间的间隙可以忽略，此时收集网可视为一块金属导体埋入土壤中减小其电位降，增大了管道中的杂散电流。与此相反的是当网格面积过大时，电流不能很好地被收集网所收集而是通过网格间较大的间隙泄露至管道中，收集网作用微乎其微。

图6 收集网网格面积对杂散电流的影响

4 结论

（1）杂散电流会随着机车与供电站的距离增大而增大，且随机车供流电流的改变突增位置也随之发生改变，供流电流越大杂散电流突增位置越靠近机车起点。在选择供电电压时存在最优值使得杂散电流的泄露趋势减小，而并非越大越好。双边供电较单边供电有着明显降低杂散电流泄露的效果，在建设过程中综合考虑其他因素的条件下尽可能增设供电站；

（2）在走行轨下方敷设收集网后管道中杂散电流明显减少，且收集网层数与杂散电流呈抛物线关系，收集网层数并非越多越好；收集网网格面积与杂散电流收集效果存在密切关系，收集网网格面积为16cm2取得最佳收集效果，实际应用过程中考虑敷设收集网时应综合考虑其各种影响因素，得出最佳敷设方案；

（3）本文只是以实验的研究方式研究了兰州地铁2号线杂散电流对埋地金属管道等的影响，在实际投入运行后还需要记录大量数据作为研究基础，根据实际情况采用最佳的防措施。