埋地金属管线的杂散电流防护方案

摘要：采用接触网供电、走行轨回流方式的地铁线路，走行轨无法与道床完全绝缘，导致回流电流通过走行轨泄漏至大地，形成杂散电流。当杂散电流泄漏量超标，会对城市轨道交通系统内外的金属管线产生一定的危害和影响，严重情况下，埋地金属管线腐蚀穿孔，造成漏水或煤气、燃气泄漏。因此，需要加强对杂散电流的防护与监测。现结合工程实际，在地铁常规杂散电流防护方案基础上，提出了两种杂散电流加强防护设计方案，通过详细的分析对比，提出了最优防护方案，为设计、建设部门的地铁线路内外部埋地金属管线的杂散电流防护提供参考。

关键词：地铁;杂散电流;埋地金属管线;防护方案

0 引言

目前，城市地铁供电系统基本采用接触网（轨）供电、走行轨回流方式。地铁运营初期，走行轨与道床之间的绝缘程度较高，即走行轨对地的过渡电阻值较大，由走行轨泄漏到周围土壤介质中的杂散电流也较少。但是随着地铁运营年限的增长，钢轨的轨地绝缘性能降低，由走行轨泄漏到周围土壤介质中的杂散电流会明显增大。近年来，北京、广州、深圳、上海等多个城市的燃气管网以及环城长输油气管道，频繁出现由轨道交通杂散电流干扰引起的管道腐蚀与防护问题，引起了管道企业的广泛关注。

本文针对利用走行轨回流方式的地铁线路，在地铁常规杂散电流防护设计方案基础上，提出了最优杂散电流加强防护方案，以最大程度地减少地铁杂散电流对埋地金属管线的影响。

1 地铁正线杂散电流常规防护方案

1.1    防护方案

（1）正线牵引变电所均匀布置，平均间距2.65 km，距离不远，可有效减小杂散电流值。

（2）牵引网采用双边供电方式，较单边供电方式，可有效减小杂散电流值，杂散电流值仅为单边供电的1/4。

（3）走行轨下设置绝缘垫;道床面至走行轨底面的间隙大于30 mm，走行轨对地保持一定间隙;道床两侧设置排水沟，保证排水通畅，保持道床混凝土干燥;尽量增加道床混凝土厚度;采用以上措施，加强走行轨对地绝缘，减小走行轨对地过渡电阻值，同时加强轨道运营维护，可有效减少杂散电流的泄漏。

（4）走行軌选用60 kg钢轨，全线尽量采用长钢轨，钢轨接头处设置连接电缆，同时正线上、下行走行轨间设置均流电缆，牵引变电所至上、下行走行轨间设置回流电缆，车辆基地内设置多处回流点，使牵引电流就近回流，保证牵引回流通路通畅，有效减少杂散电流的泄漏。

（5）负回流电缆采用截面为150 mm2的直流铜芯电缆，与走行轨连接后引至回流电缆转换箱，然后用截面为400 mm2的直流铜芯电缆引至牵引变电所负母线，回流电缆数量应根据牵引供电计算结果确定，且应保证当其中一根电缆出现故障时，其余电缆也能满足导电截面的要求。

（6）在车站两端和区间联络通道处设置上、下行均流电缆，在设置牵引变电所的车站一端，不再设置均流电缆。均流电缆采用2×1×150 mm2的直流铜芯电缆。

1.2    排流方案

区间及区间两侧车站整体道床中，设置杂散电流排流钢筋网、整体道床结构伸缩缝连接端子和电气连接电缆，区间两侧牵引变电所附近整体道床上设置排流端子，同时在变电所内设置排流柜。

1.3    监测方案

区间及区间两侧车站整体道床中，设置杂散电流监测钢筋网、整体道床钢筋电位测量端子、参比电极和智能传感器，变电所内设置杂散电流监测装置，智能分析趋势并存储相关数据。

2 埋地金属管线的杂散电流加强防护方案

2.1    钢轨并联电缆防护方案

在区间（CK18+911～CK19+101）左、右线钢轨最外侧并联直流铜芯电缆（5×1×150 mm2），减少杂散电流的泄漏。钢轨并联电缆防护方案如图1所示。

2.2    单向导通装置及连接电缆防护方案

在区间联络通道小里程方向90 m和大里程方向100 m处的左、右线钢轨（CK18+911～CK19+101）上分别设置一对钢轨绝缘节，并在钢轨绝缘节两侧设置单向导通装置（安装于区间联络通道内）及连接电缆（10×1×150 mm2），单向导通装置的导通方向为天然气管道与隧道平行区域导向非平行区域，并在左、右线钢轨最外侧采用连接电缆（5×1×150 mm2）将绝缘节两端连接，保证回流通畅。单向导通装置及连接电缆防护方案如图2所示。

3 杂散电流防护方案比较分析

3.1    方案一：常规设计方案

地铁行驶在天然气管道与地铁隧道平行及其他区域时，回流电流全程通过钢轨回流至就近牵引变电所负极，由于安装了走行轨绝缘，理论上无杂散电流，不会对埋地金属管线产生影响。

随着地铁运营年限的增长，当走行轨与道床之间绝缘变差，杂散电流不可避免地由走行轨泄漏至大地，有可能对埋地金属管线产生影响。

3.2    方案二：钢轨并联电缆防护方案

（1）埋地金属管线和地铁区间隧道结构平行区域：利用钢轨和并联电缆回流，一部分回流功能由并联电缆代替，钢轨中回流电流总量减少。正线钢轨型号为60 kg/m，其电阻值约为0.037 Ω/km，5根150 mm2截面的直流1 500 V铜芯电缆的电阻值约为0.025 8 Ω/km。由于钢轨和电缆为并联关系，对于同一并联区段，在电压相等的情况下，钢轨上和电缆上分别流过的电流大小与其电阻值成反比。经估算，并联5根150 mm2截面的电缆后，钢轨的回流电流为未并联电缆时的41.1%。理论上，杂散电流向地铁外部的泄漏量也降低为原来的41.1%。理论上，杂散电流向地铁外部的泄漏量降低41%。

（2）埋地金属管线和地铁区间隧道结构非平行区域：利用钢轨回流，杂散电流可能会从埋地金属管线向钢轨流动，无法避免杂散电流对地下埋地金属管线造成影响。

3.3    方案三：单向导通装置及连接电缆防护方案

（1）埋地金属管线和地铁区间隧道结构平行区域：当地铁车辆行驶在天然气管道与地铁隧道平行区域时，回流电流通过钢轨、单向导通装置及10根截面为150 mm2的单芯直流铜芯电缆回流至变电所负极。此时，与天然气管道平行区域的钢轨电位为正，若有杂散电流，则由钢轨流向下方埋地金属管线，埋地金属管线处于阴极保护状态。

（2）埋地金属管线和地铁区间隧道结构非平行区域：当地铁车辆行驶在埋地金属管线与地铁隧道平行区域外时，正常情况下，与埋地金属管线平行的钢轨电位可能为正，也可能为负，当钢轨电位为正时，分析原理同上;当钢轨电位为负时，杂散电流由埋地金属管线向负电位的钢轨流动，但是本方案与埋地金属管线平行的钢轨设置了钢轨绝缘节以及10根截面为150 mm2的连接电缆，杂散电流无法从埋地金属管线向钢轨流动，从而避免埋地金属管线产生阳极腐蚀，可最大程度地减小本工程杂散电流对埋地金属管线的影响。

3.4    方案比选分析

方案一的鋼轨全程参与牵引供电系统回流，当走行轨与道床之间绝缘变差时，杂散电流不可避免地由钢轨泄漏至大地，该方案虽然不增加投资，但有杂散电流泄漏的风险。

方案二的钢轨全程参与牵引供电系统回流，局部钢轨并联电缆，从理论上可以减少并列电缆区段的杂散电流向地铁外部的泄漏量，但是无法完全消除杂散电流对地下埋地金属管线的影响。

方案三的局部钢轨的回流功能由并联的电缆和单向导通装置代替，从理论上可以最大程度地减少与地铁线路平行段的埋地金属管线受地铁牵引供电系统杂散电流的影响。

4 结语

综上所述，为最大程度地减少杂散电流对地下埋地金属管线的影响，推荐采用方案三，即采用单向导通装置及连接电缆防护方案，作为埋地金属管线的杂散电流加强防护设计方案。同时，杂散电流具有不可预测性和不确定性，鉴于工程实际应用情况，建议与地铁隧道平行段的埋地金属管线，应根据相关规范要求，采取必要的阴极防护等主动性防护措施。

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[7] 埋地钢质管道阴极保护技术规范：GB/T 21448—2017[S].

[8] 埋地钢质管道直流干扰防护技术标准：GB 50991—2014[S].

收稿日期：2020-06-24

作者简介：彭青（1987—），女，甘肃张掖人，工程师，主要从事轨道交通供配电系统工程设计、科研、管理工作。