轨道交通杂散电流对天然气管道干扰的排除方法

深圳市燃气集团股份有限公司 沈 威 安成名 孟 伟 杨 光

在设计和建设轨道交通项目时，杂散电流的监测是其中需要重点考虑的问题，因为轨道交通金属结构在自然环境中容易受到腐蚀。轨道交通在运行过程中，通常采用直流供电的方式，如果列车的负荷量不停，也会在走行轨上形成数值不等的工作电流[1～3]。走行轨上的一部分电流还能够通过走行轨，与电源的负极构成电路闭环，进而使得一部分电流回流到电源负极；另一部分电流经由轨道接触到地面绝缘不良的位置处，会对周围的轨道交通道床、非介质或者四周的土壤造成电流污染，形成杂散电流[4～5]。由于杂散电流的存在，很容易对轨道交通的关键部件造成损害，严重时将危及轨道交通埋地燃气管线的安全，继而将酿成无法挽回的事故。

因此，在确保轨道交通建设、轨道交通运营能否正常运行时，如何防护杂散电流就是有待研究的关键技术问题。常规技术中多采用被动“堵截”和“疏导”的方式[6～7]，但是轨道交通走行轨上泄漏的杂散电流具有诸多不容易防护的特点，比如杂散电流样式繁多、分散性强、防护困难，难以预测等。针对上述问题，本文提出了电能补偿的方法来解决杂散电流，以克服上述问题。

1 杂散电流分布数学模型

列车在运行时，受电弓接受来自接触网的电流，在电流的驱动下列车前行，同时列车车轮将驱动电流通过接触走行轨传回至直流牵引变电所，如图1所示。

图1 轨道交通杂散电流干扰原理

轨道交通杂散电流等效电路示意如图2所示。列车至变电所的距离为L；回路系统总电流为I，其中x位置处走行轨传递的电流为i(x)；走行轨由于与地面接触，导致一部分电流以杂散电流的形式流入地下，这部分电流为is(x)。

图2 轨道交通杂散电流等效电路示意

基于轨道交通供电系统结构，取走行轨区间L中x——x+dx的一段电路结构，建立如图3所示的节点等效电路，其中图3(a)是节点电压、图3(b)是节点电流关系示意图。

图3 节点等效电路示意

如上所述，回路系统总电流I为x位置处的走行轨电流i(x)和该位置处的杂散电流is(x)之和，即：

图3中的走行轨电位为u(x)，走行轨单位长度电阻和对地绝缘电阻率分别为Rs和Rg。

根据图3的节点电压示意结构，可得：

将式(3)代入式(2)，整理得：

将式(4)两边对x求导，得：

根据图3的节点电流示意结构，可得：

将式(5)代入式(6)，整理得：

式(8)的通解为：

将式（4）移项可得：

考虑边界条件：①x=0，i(0)=I；②x=L，i(L)=I。代入式(9)可得：

将式(11)、式(12)代入式(9)可得：

从而可得列车的走行轨电流 i(x)和泄漏到地下的杂散电流i(x)，即：

用MATLAB进行分析后发现，在长L的走行轨上，两端杂散电流为零，中间达到最大值。

2 减小杂散电流干扰的方法

根据上述理论建模研究的结果，可以参照杂散电流is(x)表达式中is(x)随各参数变化而变化的规律来研究如何减少杂散电流的干扰。

2.1 接触轨长度L

由于is在x=L/2处达到最大值，因此研究x=L/2时is随L的变化情况。

将x=L/2代入式(15)，整理得：

由式(16)可以看出，L减小时，is(L/2)随之变小，is(x)与L呈正相关，即在走行轨L两端电压不变的情况下，L越小，土壤中的杂散电流越小，反之则越大。因此，在设计直流牵引变电所的位置时，应尽可能使变电所的数量多一些，距离密集一些，这样可以减少杂散电流is。

2.2 走行轨对地绝缘电阻Rg

一般来说，走行轨选定后，其单位长度电阻值Rs也就确定了，由式(17)可知，增加对地绝缘电阻Rg的值，可以使得杂散电流is值显著减少。假定轨道单位长度电阻Rs=0.03 Ω，供电区间L=2 km，总电流 I=700 A，用 MATLAB作出杂散电流峰值is(L/2)随轨地过渡电阻Rg的曲线图，如图4所示。

图4 杂散电流峰值is与轨地过渡电阻Rg之间的关系曲线

由图4可知，轨地过渡电阻Rg在小于10 Ω·km时，随着Rg的增大，杂散电流峰值is(L/2)随之急剧减小；轨地过渡电阻Rg在大于20 Ω·km时，杂散电流峰值曲线已经趋于平缓，减小值已经不太明显。当Rg为20 Ω·km时，根据式(17)可求得杂散电流峰值is(L/2)为0.524 7 A。因此，为了增大轨地过渡电阻，可以采取在走行轨与地面接触地方铺设绝缘层(绝缘道床)或在燃气管网表面覆盖一层绝缘材料的方法，如刷绝缘漆或者包裹绝缘塑料。

2.3 排流网

在列车轨道下层与土壤之间铺设钢结构排流网，实质上可以减小走行轨的Rs，如图5所示。

图5 轨地排流网的设置

由图5可知，当杂散电流从走行轨泄漏后流入排流网和埋地金属时，因土壤是良好导体相当于电解质，走行轨失电子为阳极区，排流网得电子为阴极区，走行轨、土壤和排流网、埋地燃气管线三者之间将构成两个电解池。由于排流网钢筋存在纵向电阻，泄漏至排流网钢筋的杂散电流不一定全部通过排流网回流，其中还有部分杂散电流继续从排流网钢筋中泄漏，泄漏至大地中的埋地燃气管线，此时排流网将作为阳极区，埋地金属作为阴极区，排流网、土壤和埋地燃气管线三者之间将构成一个电解池。当走行轨为阳极区时，将会对走行轨和扣件系统产生电化学腐蚀，当排流网为阳极区时，将会对排流网钢筋产生电化学腐蚀。

2.4 单设回流轨系统

根据上述分析，为解决杂散电流问题，采用了杂散电流腐蚀防护措施，但是受环境条件、施工措施、运营管理等多种因素影响，无法完全解决该问题。由于杂散电流主要通过走行轨泄漏至大地然后再从大地返回至牵引变电所，因此，采用回流轨，不利用走行轨回流是解决杂散电流及其危害的根本方法。该方法的根本思路是使得总电流等于走行轨电流，即从而使杂散电流为零，相当于切断了杂散电流的传播路径。该方案和走行轨回流的供电方案对比如图6所示。

图6 采用回流轨的列车牵引系统

由图6可以看出，走行轨回流系统电流通过牵引系统后通过车轮流到大地，不能与路基、道床完全绝缘。采用回流轨回流技术后，采用相应技术使牵引系统直接与回流轨相连，回流轨与大地完全绝缘，电流通过牵引系统后不通过车轮直接流入回流轨，可以保证电流不与走行轨接触，全部通过回流轨流回变电所阴极。与走行轨供电回流系统方案对比，回流轨回流供电技术中供电系统、车辆、轨道、站台门、限界、土建结构均有不同影响和变化。从系统结构、设备、施工等方面对回流轨回流技术与走行轨回流技术进行比较，结果显示采用回流轨回流技术后，城市轨道交通运行的安全性和经济性均有较高的提升。注意该方法需要重建一条回流轨线，初始投资比较大，而且回流轨线的位置要合理的确定以保证公共安全问题。

3 结语

本文用数学建模的方法分析了着地轨道交通走行轨在地面及土壤中产生的杂散电流分布及其对天然气金属埋地管道的腐蚀影响，可以通过模型公式中可变因素的改变来减少杂散电流的扩散。根据各可变因素，可以看出：增加变电所数量、减小电流回流路径L，在轨地之间铺设绝缘层，在金属燃气管道外表包裹绝缘材料等均是有效的方法；甚至可以在轨道下方土壤中铺设排流网，增大轨道和排流网与管道之间的夹角(最好是垂直铺设)也能够最大限度地减少杂散电流。当然排除杂散电流的终极方法还是摒弃走行轨导电而改为采用回流轨，传回电流才能从根本上消除轨道交通对地面产生的杂散电流。