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城市軌道交通沿線地下金屬管線的防護(hù)

文檔作者：朱萬方文檔來源：鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電化電信處		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年01月23日
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· 電力／電氣化·
城市軌道交通沿線地下金屬管線的防護(hù)
朱萬方
(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電化電信處，天津300251)
摘要：城市軌道交通供電系統(tǒng)采用直流供電制式，回流軌絕緣安裝，絕緣一旦破壞會(huì)有大量電流流入大地，對(duì)地
下金屬管線造成腐蝕。對(duì)如何確定城市軌道交通沿線地下金屬管線的防護(hù)范圍提出了計(jì)算方法，并對(duì)防護(hù)范圍的
最大取值給出了建議。
關(guān)鍵詞：城市軌道交通；雜散電流；雙邊供電； 回流
中圖分類號(hào)：U231 ．8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—2954(2011)09—0109—03
Corrosion Prevention for Undergr0und M etal Pipelines
along Urban Rail Transit Lines
Zhu W anfang
(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 30025 1)
Abstract：Urban rail transit adoptes DC electric power supply system with the return current rails
insulated．However，in case of insulation faults there are a lot of electric current entering into earth，which
will erode the underground metal pipelines． This paper puts forward a calculation method to fix the
protecting range for the underground metal pipelines and suggestions for how to choose the max protecting
range·
Key words：Urban rail transit；Stray curent；Bilateral power supply；Return current
目前我國城市軌道交通系統(tǒng)發(fā)展迅速，由于城軌
系統(tǒng)采用直流供電制式，隨著城市軌道交通系統(tǒng)的大
規(guī)模修建，直流系統(tǒng)帶來的雜散電流腐蝕越來越嚴(yán)重。
目前我國城市軌道交通設(shè)計(jì)對(duì)雜散電流防護(hù)主要采取
堵、排的措施，均在軌道交通內(nèi)部解決，而對(duì)于直流電
流一旦泄漏到大地后對(duì)地中管道的腐蝕具體采用何種
防護(hù)并未做詳細(xì)說明。尤其是對(duì)于路基段采用碎石道
床的線路，由于不能設(shè)置雜散電流排流網(wǎng)，一旦直流電
流泄漏后其危害更嚴(yán)重。主要針對(duì)城市軌道交通回流
系統(tǒng)絕緣破壞后直流電流泄漏至大地中，地中金屬管
道的防護(hù)進(jìn)行分析。
1 判別標(biāo)準(zhǔn)
關(guān)于直流電流泄漏至地下后金屬構(gòu)件的防護(hù)，我
國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高壓直流輸電線路大地返回運(yùn)行系
統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(DL／T 5224-2005)中規(guī)定：對(duì)非絕
緣的地下金屬管道、鎧裝電纜，在正常額定電流下，如
果泄漏電流密度大于1~A／cm ，或者累積腐蝕量(厚
收稿日期：2011—07—15
作者簡介：朱萬方(1979一)，男，工程師，2002年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)
院，工學(xué)學(xué)士。
鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)RAILWAY STANDARD DESIGN 2011(9)
度)影響到其安全運(yùn)行，應(yīng)采取保護(hù)措施。有關(guān)資料
指出，對(duì)泄漏電流密度為1 I~A／em ，每年對(duì)鐵的腐蝕
厚度是0．174 mm，是可以接受的。
在石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，《鋼質(zhì)管道及儲(chǔ)罐腐
蝕控制工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(SY 0007-1999)中明確規(guī)定：
(I)處在直流電氣化鐵路、陰極保護(hù)系統(tǒng)及其他
直流干擾源附近的管道，任意點(diǎn)上的管地電位較自然
電位偏移20 mV或管道土壤中直流地電位梯度大于
0．5 mV／m時(shí)，可確定管道存在直流干擾。
(2)可采用土壤電位梯度，按表1所列指標(biāo)判斷
直流電干擾腐蝕的程度。
表1 直流雜散電流干擾程度判斷指標(biāo)
雜散電流程度
土壤電位梯度／(mV／m)
小
5．0
(3)當(dāng)管道上任意點(diǎn)管地電位較自然電位正向偏
移100 mV時(shí)，或者該點(diǎn)管道鄰近土壤直流地電位梯度
大于2．5 mV／m時(shí)，應(yīng)采取防護(hù)措施。
由以上兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)可知，電力行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)以泄漏電
流密度的大小，而石油天然氣行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)以土壤電位
梯度評(píng)價(jià)金屬構(gòu)件腐蝕程度。
由于不同地區(qū)大地土壤電阻率存在差異，對(duì)于地
109
·
電力／電氣化· 朱萬方一城市軌道交通沿線地下金屬管線的防護(hù)
下金屬管道的防護(hù)，宜采用SY0007-1999標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)
定的限值確定接地極與地下金屬構(gòu)件的防護(hù)距離。
2 數(shù)學(xué)模型
城市軌道交通供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，由于回流
軌采用絕緣安裝，回流電阻很小而鋼軌對(duì)地電阻很大，
牽引電流基本都由回流軌返回牽引變電所負(fù)極，但隨
著軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)營，由于污穢、潮濕等因素的影響
可能造成鋼軌對(duì)地絕緣破壞，此時(shí)牽引電流泄漏至地
下的比例會(huì)增大，將對(duì)地下金屬管線造成腐蝕。牽引
電流在大地中的流通路徑如圖1所示。
走行軌陰極區(qū)(牽引站) 走行軌陽極區(qū)(負(fù)荷)
三 管線
、
＼
．
／
、 ===二==二=，／／
圖1 牽引電流沿走行軌、大地和地下設(shè)施流散示意
在進(jìn)行軌道交通線路附近地下金屬管道的防護(hù)
時(shí)，按可能出現(xiàn)的最壞情況進(jìn)行考慮。
針對(duì)城市軌道交通的實(shí)際運(yùn)行情況，進(jìn)行如下
假設(shè)：
(1)忽略碎石道床的電阻，認(rèn)為回流軌通過碎石
道床的接地面形成接地極；
(2)雖然土壤電阻率受環(huán)境的影響較大，但為了
簡化分析，認(rèn)為在一定的范圍內(nèi)土壤電阻率是相同的；
(3)忽略地下金屬結(jié)構(gòu)對(duì)電場(chǎng)分布的影響；
(4)使用球形電極模型分析周圍電場(chǎng)分布(使用
球電極模型在設(shè)定的土壤介質(zhì)各向同性條件下任意一
個(gè)方向泄漏的強(qiáng)度都是相等的；而且半球形電極由于
幾何上具有很強(qiáng)的對(duì)稱性，所以其電場(chǎng)較易分析)；
(5)認(rèn)為在地下金屬管線附近電流線是垂直于接
地極等效半球體表面并向外輻射的。
2．1 參數(shù)的設(shè)定
假設(shè)列車處于距離變電所z處，回流軌道電阻率為
P．，，為列車牽引電流，A、B 2點(diǎn)發(fā)生絕緣故障，，2為經(jīng)大
地流回的牽引電流，，．為經(jīng)回流軌流回的牽引電流，土壤
電阻率設(shè)為P：，接地極半徑設(shè)為r：。模型如圖2所示。
?？赸I，
，f
A 土
／ ，2 厶 ／
圖2 雜散電流回流示意
走行軌
道床
2．2 接地極周圍的電場(chǎng)分布
在土壤電阻率均勻的大地中，由于電流線是垂直
ll0
于接地極等效半球體表面并向外輻射的；大地中任意
半徑為r的半球表面上各點(diǎn)的電流密度均勻并且相等
(圖3)。
均勻
人地電流
接地極等效半球體 地面
、 、＼／ ●
一一 ＼ ／， ， ＼
、 ＼／ 、 ／’
＼ ／ ＼ ＼
／ ＼、
、
、
、 ：：
土壤電阻率p 、～～
一一 ，＼ 等電位面
’ l
圖3 土壤電阻率均勻時(shí)大地中的電流線
由此可計(jì)算任意半徑半球體表面的等效的電流
密度
，．
．， ==-_ (1)
式中，t， 為等效半球體表面的電流密度，A／m；，
為接地極人地電流，A；2axr 為等效半球體面積，m 。
假設(shè)土壤電阻率設(shè)為P ，任意半徑等效半球體表
面的土壤電位梯度為
E =P ’J =P 。 (2)
式中，E 為等效半球體表面的土壤電位梯度，
V／m；p 為土壤電阻率，Q ·m。
假設(shè)距接地電極距離為rn的位置電勢(shì)為零，因此
接地電極的電勢(shì)E可以通過導(dǎo)體球表面的場(chǎng)強(qiáng)線積
分來計(jì)算得到
E = 一： dr-- ~P2
z
I
竹d[1_寺
由歐姆定律可得接地電極的對(duì)地電阻為
Rz= E
= ( r2一 ) (4)
將圖2簡化，雜散電流回流簡化模型如圖4所示。
●
————————————___ 1
圖4 雜散電流回流簡化模型
按照最嚴(yán)重情況考慮，絕緣故障點(diǎn)A位于牽引所
處，A、B間距離為 ，絕緣故障點(diǎn)B至牽引變電所的回
流軌電阻為
R =P。· (5)
絕緣故障點(diǎn)A、B對(duì)地電阻R =R 。根據(jù)分流公
式可得
，．
，d 贏 (6)
鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)RAILWAY STANDARD DESIGN 201』(9)
朱萬方一城市軌道交通沿線地下金屬管線的防護(hù)
將式(4)，(5)代入式(6)，得
，d：—
P
?
2(L
：
一寺)
· 電力／電氣化·
地極半徑取r：=2 m(由于道床寬度約為4 m，按最壞情
? 況下道床橫斷面發(fā)生整體絕緣故障，因此取r =2 m)，
將上述參數(shù)帶人公式(10)，可得回流軌各種電流情況
下地中金屬管線的最小防護(hù)范圍，如表3所示。
根據(jù)式(2)知，任意半徑等效半球體表面的土壤
電位梯度為
E ：— — 旦 ．- (8)
2盯r [ ( 1"2一寺)+p ‘ ]
一般認(rèn)為1"o》r ，因此公式(8)中 這一項(xiàng)可以忽
略不計(jì)，可以將公式(8)進(jìn)一步化簡如下
(9)
根據(jù)SY 0007-1999規(guī)程要求，埋地管線處若電
位梯度E 大于2．5 mV／m，則應(yīng)采取防護(hù)措施，因此地
中管線的防護(hù)范圍(半徑)
(10)
(5)～(10)式中， 為回流軌電阻，n；， 為回流
軌分流，A；E 為土壤電位梯度，V／m；r為管線防護(hù)范
圍，m。
3 計(jì)算實(shí)例
城市軌道交通正常運(yùn)行時(shí)，每個(gè)供電區(qū)問會(huì)有多
個(gè)列車運(yùn)行，且每列車在運(yùn)行過程中有牽引、制動(dòng)、惰
性3種狀態(tài)，其中只有牽引時(shí)列車從接觸網(wǎng)取流由走
行軌回流。利用文獻(xiàn)[3]結(jié)論，以大連市202路軌道
線路延伸工程黃泥JiI至龍王塘區(qū)間為例，對(duì)其地下金
屬管線的防護(hù)范圍進(jìn)行計(jì)算。
黃泥Ji『一龍王塘區(qū)間基礎(chǔ)參數(shù)：
走行距離5 475．5 m，
全走行時(shí)間321．55 S，
牽引時(shí)間 160．7 S，
牽引能耗74．54 kW／h，
列車運(yùn)行速度47 km／h，
發(fā)車間隔3 rain。
經(jīng)供電計(jì)算可知：供電區(qū)間列車數(shù)2．22個(gè)，取整
后可設(shè)區(qū)間列車數(shù)為3，列車牽引概率a=160．7／
321．55=0．50，非牽引概率b=1一a=0．50，列車牽引電
流i=1 1 13．2 A?；亓鬈夒娏骷俺掷m(xù)時(shí)間如表2所示。
按最嚴(yán)重情況考慮，絕緣故障點(diǎn)B位于供電區(qū)間
中點(diǎn) ：2．737 km；回流軌電阻率P．=0．014 n／km；大
連地區(qū)土壤電阻率P =70 O／m；絕緣故障點(diǎn)半球形接
鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)RA兒WAY STANDARD DESIGN 2011(9)
表2 回流軌電流大小及持續(xù)時(shí)間
注：城市軌道交通一般采用雙邊供電，因此回流軌最大電流為列車
牽引電流的1／2，對(duì)單邊供電區(qū)間回流軌最大電流即列車牽引電流。
表3 地中金屬管線防護(hù)范圍
回流軌電流／A 地中管線防護(hù)范圍／m
1 669．8
l 113．2
556．6
159．7
l3O．4
92．2
從本例可以看出黃泥川至龍王塘區(qū)間，回流軌最大
牽引電流持續(xù)時(shí)間較長，其出現(xiàn)的概率超過了10％ ，因
此地下金屬管線防護(hù)范圍應(yīng)取最大值，不小于160 m。
4 結(jié)語
城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)地下金屬管線的
防護(hù)，需考慮的因素很多，且需建立合適的模型。以土
壤電位梯度為判別標(biāo)準(zhǔn)，按照走行軌2點(diǎn)絕緣破壞后最
嚴(yán)重情況進(jìn)行計(jì)算，給出地下金屬管線需防護(hù)的范圍。
需特別說明的是由于各條軌道交通線路運(yùn)行狀態(tài)
不盡相同，尤其對(duì)高密度、小站間距的地鐵線路，回流
軌最大電流出現(xiàn)的概率及持續(xù)時(shí)間往往很小，若按照
最大電流進(jìn)行地下金屬管線的防護(hù)，其防護(hù)范圍將會(huì)
十分巨大。筆者認(rèn)為地下金屬管線若能躲過95％ 的
腐蝕電流即可確定是安全的，因此建議回流軌最大電
流按照5％ 出現(xiàn)的概率進(jìn)行取值，本取值供各設(shè)計(jì)同
仁參考，設(shè)計(jì)人員在實(shí)際應(yīng)用中可結(jié)合不同的工程特
點(diǎn)，合理選取最大電流值。
參考文獻(xiàn)：
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111

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