高導(dǎo)電率地質(zhì)區(qū)間地鐵雜散電流控制技術(shù)研究

0引言

雜散電流的產(chǎn)生源于鋼軌 自身固有的阻抗特性,且無(wú)法從材料和工藝解決鋼軌與大地的完全絕緣問(wèn)題,因此,雜散電流大量泄漏至大地^[1]。本文通過(guò)分析國(guó)內(nèi)某地鐵線(xiàn)路高導(dǎo)電率地質(zhì)和復(fù)雜管線(xiàn)區(qū)間軌道電阻和雜散電流收集效果,來(lái)控制過(guò)多的雜散電流對(duì)該區(qū)域附近交流供電系統(tǒng)的影響。

1 高導(dǎo)電率地質(zhì)區(qū)間對(duì)附近交流供電系統(tǒng)的影響

該地鐵線(xiàn)路自開(kāi)通運(yùn)營(yíng)初期起,在某一個(gè)區(qū)間軌電位值一直偏高,保護(hù)裝置頻繁動(dòng)作,向大地散去的雜散電流泄漏值偏大。與此同時(shí),該區(qū)間附近的一座國(guó)網(wǎng)220 kv變電站工作人員經(jīng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn), 自線(xiàn)路運(yùn)行以來(lái),主變偏磁一直超標(biāo),尤其是在列車(chē)開(kāi)行經(jīng)過(guò)該區(qū)段的時(shí)候偏高數(shù)倍。經(jīng)分析原因是泄漏的雜散電流通過(guò)特殊路徑竄入國(guó)網(wǎng)220 kv變電站接地中性點(diǎn),直流分量超標(biāo),導(dǎo)致變電站主變壓器偏磁超標(biāo)。

如圖1所示,對(duì)該區(qū)間周?chē)刭|(zhì)條件進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn),該區(qū)間線(xiàn)路縱向有兩條支干河流包圍,土質(zhì)富水且松軟,地下有多條燃?xì)夤艿馈⒔o水管道橫穿,區(qū)間地鐵隧道設(shè)計(jì)埋深為地下9 m,而國(guó)網(wǎng)變電站位于支干河流交叉位置。

以上調(diào)查情況表明,在高導(dǎo)電率地質(zhì)和復(fù)雜管線(xiàn)區(qū)間的地鐵雜散電流采用一般的防護(hù)措施作用不明顯。為解決此問(wèn)題,下文主要從區(qū)間軌道電阻和雜散電流收集效果來(lái)分析如何加強(qiáng)雜散電流控制^[2]。

2 區(qū)間鋼軌縱向電阻和過(guò)渡電阻的測(cè)試分析

過(guò)往研究表明,過(guò)渡電阻是影響雜散電流泄漏程度的最關(guān)鍵因素,是考察軌道絕緣的重要參數(shù)。CJJ49—1992《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定:“走行軌與隧道主體結(jié)構(gòu)鋼之間的過(guò)渡電阻,新建地鐵不應(yīng)小于15Ω·km,已運(yùn)營(yíng)地鐵不應(yīng)小于3Ω·km。”一般認(rèn)為,在過(guò)渡電阻大于15 Ω·km時(shí),雜散電流分布曲線(xiàn)幾乎沒(méi)什么變化;在過(guò)渡電阻大于3 Ω·km時(shí),雜散電流分布曲線(xiàn)近似于直線(xiàn),增幅較小;當(dāng)過(guò)渡電阻小于3 Ω·km時(shí),雜散電流分布曲線(xiàn)變化劇烈;當(dāng)過(guò)渡電阻小于0.5 Ω·km后,雜散電流將泄漏嚴(yán)重,必須采取有效措施進(jìn)行處理^[3]。

鋼軌的電阻直接影響鋼軌電位的高低和雜散電流的泄漏程度,而鋼軌縱向電阻測(cè)試是過(guò)渡電阻測(cè)試的基礎(chǔ)^[4],因此首先對(duì)該區(qū)間鋼軌縱向電阻進(jìn)行測(cè)試。線(xiàn)路軌道為60 kg規(guī)格的鋼軌,R_c=29.11×10^-3Ω/km。由于鋼軌無(wú)縫焊接工藝等的影響,實(shí)際通過(guò)焊接連接后的鋼軌縱向直流電阻均大于這一數(shù)值,一般在37×10^-3Ω/km左右,由于均回流電纜等因素的影響和條件限制,直接進(jìn)行軌道電阻測(cè)量比較困難,一般是采用伏安法進(jìn)行測(cè)試^[5]。

式中:R_10m為單位長(zhǎng)度10 m的軌道A段的縱向電阻,軌道B段類(lèi)似;I為測(cè)試流入的電流;U_on、U_off為軌道A/B段有無(wú)電流時(shí)的壓降。

采用此方法對(duì)該區(qū)間橫跨的高導(dǎo)電率地質(zhì)和復(fù)雜管線(xiàn)區(qū)段1060 m進(jìn)行了測(cè)試,選擇相鄰的兩條10m無(wú)縫鋼軌連續(xù)測(cè)量,以此測(cè)量計(jì)算數(shù)據(jù)平均值近似表示整個(gè)區(qū)段的鋼軌縱向電阻。

表1顯示,在橫跨高導(dǎo)電率地質(zhì)區(qū)的區(qū)間內(nèi),相鄰兩條鋼軌正極性測(cè)試的縱向電阻為28.514×10^-3Ω/km 和28.402×10^-3Ω/km,負(fù)極性測(cè)試的結(jié)果為28.667×10^-3 Ω/km和28.475 ×10^-3Ω/km,測(cè)量得到的鋼軌縱向電阻平均值為28.515 ×10^-3 Ω/km。從測(cè)試結(jié)果可 以發(fā)現(xiàn),鋼軌縱向平均值略低于標(biāo)準(zhǔn)鋼軌電阻值。

進(jìn)一步地,根據(jù)已測(cè)得的區(qū)段鋼軌縱向電阻值,采用圖2、圖3所示過(guò)渡電阻接線(xiàn)原理和接線(xiàn)方法^[6],測(cè)量計(jì)算區(qū)段過(guò)渡電阻。準(zhǔn)備直流電源HLY-200C智能回路電阻測(cè)試儀1臺(tái);毫伏電壓表3塊,串接在鋼軌和直流電源之間,分別選在測(cè)試區(qū)段首尾各1 m位置和區(qū)段中點(diǎn)位置;電流表1塊,檢測(cè)直流電源輸出電流。

測(cè)試區(qū)間過(guò)渡電阻RL計(jì)算公式為:

式中:I為測(cè)試流入的電流;I_A、I_B分別為流進(jìn)A和B端的電流;L為測(cè)量部分的長(zhǎng)度;ΔU_T為進(jìn)入軌道時(shí)軌道 與隧道間的電壓;ΔU_TA、ΔU_TB分別為A端和B端軌道與 隧道間的電壓。

表2所述電流為接觸電阻測(cè)試儀上的輸出電流,U_1A和U_2A分別是測(cè)量區(qū)段首尾兩段1m長(zhǎng)位置電壓水平,毫伏表測(cè)試的是過(guò)渡電壓值。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算,測(cè)試區(qū)間的軌道—主排流網(wǎng)的過(guò)渡電阻約為22.8625Ω.km。從測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),該區(qū)段過(guò)渡電阻大于新建線(xiàn)路15 Ω·km的標(biāo)準(zhǔn)。

從上述兩項(xiàng)測(cè)試結(jié)果來(lái)看,該高導(dǎo)電率地質(zhì)和復(fù)雜管線(xiàn)地鐵區(qū)間與普通區(qū)段的數(shù)值相差不大,證明常規(guī)的阻值標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法滿(mǎn)足該區(qū)段雜散電流的控制,下一步須采取相應(yīng)措施提升區(qū)段鋼軌過(guò)渡電阻水平,加強(qiáng)雜散電流收集水平。

3提升鋼軌過(guò)渡電阻和雜散電流收集水平

對(duì)于提升鋼軌過(guò)渡電阻,在該區(qū)段1.06 km范圍內(nèi)采取了優(yōu)化采用硅基絕緣納米復(fù)合絕緣墊片替換現(xiàn)有普通墊片、軌枕絕緣處理、絕緣墊塊外延尺寸不小于20 mm、設(shè)置絕緣套靴、道床下面鋪設(shè)耐久性絕緣層或素混凝土、鋼軌底面離道床面不小于30 mm等措施^[7]。

對(duì)于雜散電流收集水平的提升,關(guān)鍵點(diǎn)在于如何使直流電機(jī)產(chǎn)生的經(jīng)過(guò)鋼軌流出的雜散電流更多地通過(guò)電阻最小的路徑匯流到兩端車(chē)站變電所內(nèi)排流設(shè)備內(nèi)。一般而言,在車(chē)站區(qū)間兩端的排流端子與鋼筋結(jié)構(gòu)網(wǎng)相連接,鋼軌的雜散電流在車(chē)站端收集。現(xiàn)將整區(qū)段的鋼軌以每300 m疏散通道為分隔,用2×150mm² 的低壓電纜連續(xù)串聯(lián)連接,以保證絕大部分直流電車(chē)通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的雜散電流由鋼軌流通轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^(guò)電纜流通,提升雜散電流的收集水平。具體實(shí)施方法如圖4所示。

如圖5所示,區(qū)間增設(shè)雜散均流電纜,實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)與實(shí)施對(duì)策保持一致,即在單邊釬焊一塊4孔母線(xiàn)排,另一邊釬焊一塊2孔母線(xiàn)排,兩根2× 150 mm² 的低壓電纜將左右兩軌串接,在4孔母線(xiàn)排連接兩根300mm²的低壓電纜與變電所內(nèi)軌電位柜相連。

上述鋼軌過(guò)渡電阻提升和雜散電流收集措施實(shí)施后,再一次對(duì)該高導(dǎo)電率地質(zhì)和復(fù)雜管線(xiàn)地鐵區(qū)間進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果如表3所示。

根據(jù)測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算,測(cè)試區(qū)間的軌道—主排流網(wǎng)的過(guò)渡電阻約為36.559 Ω·km,較之前有較大的提升。

經(jīng)附近國(guó)網(wǎng)變電站監(jiān)測(cè)人員監(jiān)控變壓器偏磁狀態(tài),雜散電流泄漏排查及治理取得了階段性成果,對(duì)國(guó)網(wǎng)變電所的電流干擾已控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),取得了國(guó)網(wǎng)相關(guān)部門(mén)認(rèn)可。

4 高導(dǎo)電率地質(zhì)和復(fù)雜管線(xiàn)位置雜散電流 加強(qiáng)控制建議

1)研發(fā)出軌道交通用軌道絕緣技術(shù)。地鐵牽引一般以直流方式供電,現(xiàn)有設(shè)計(jì)中雖然對(duì)支撐鋼軌的扣件系統(tǒng)進(jìn)行了絕緣處理,但對(duì)地仍然無(wú)法做到完全絕緣,尤其是扣件在臟污、潮濕狀態(tài)下絕緣性能將受到影響。當(dāng)牽引電流流經(jīng)鋼軌時(shí)會(huì)在其與大地之間形成電位差,導(dǎo)致部分牽引電流進(jìn)入大地,進(jìn)而對(duì)軌道周?chē)牟糠纸饘贅?gòu)件產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。鑒于此,有必要研究提高軌道絕緣性能的技術(shù)措施,以增大鋼軌對(duì)地電阻^[8]。

2)研究第四軌回流技術(shù)在線(xiàn)網(wǎng)的適用性。采用專(zhuān)用回流通路,不利用走行軌回流,可以從根本上解決走行軌回流所產(chǎn)生的雜散電流及其危害,并可以不再限制走行軌電位,采用專(zhuān)用回流軌將不用考慮雜散電流腐蝕影響^[9]。

3)研制雜散電流便攜式檢測(cè)系統(tǒng)。研制城市軌道交通雜散電流便攜式檢測(cè)系統(tǒng),通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)金屬極化電位、鋼軌電位和過(guò)渡電阻等指標(biāo),從數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的角度實(shí)現(xiàn)雜散電流異常狀態(tài)的判定和報(bào)警,有利于維護(hù)地鐵運(yùn)行及線(xiàn)路周?chē)ㄖ陌踩?

4)提出城市軌道交通回流系統(tǒng)廣域安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)理念。對(duì)線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)時(shí),全線(xiàn)廣域范圍內(nèi)軌道泄漏電流、絕緣電阻進(jìn)行連續(xù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè),可為回流系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)安全狀態(tài)判斷提供直接數(shù)據(jù)支撐,監(jiān)測(cè)供電區(qū)間不同監(jiān)測(cè)區(qū)段的泄漏電流、電流泄漏比例、過(guò)渡電阻、鋼軌電位等回流安全直接相關(guān)的參數(shù),能夠反映系統(tǒng)供電安全情況^[10]。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)對(duì)高導(dǎo)電率地質(zhì)和復(fù)雜管線(xiàn)位置地鐵區(qū)間 雜散電流對(duì)外部交流供電系統(tǒng)的影響測(cè)試,結(jié)合本文研究,采取提升區(qū)段鋼軌過(guò)渡電阻水平和加強(qiáng)雜散電流收集水平措施,解決了該區(qū)段的問(wèn)題。根據(jù)雜散電流加強(qiáng)控制建議開(kāi)展下一步研究,可以從地鐵內(nèi)部解決當(dāng)前城軌供電系統(tǒng)鋼軌電位與雜散電流控制的難題。

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2024年第11期第22篇