高导电率地质区间地铁杂散电流控制技术研究

0引言

杂散电流的产生源于钢轨 自身固有的阻抗特性,且无法从材料和工艺解决钢轨与大地的完全绝缘问题,因此,杂散电流大量泄漏至大地^[1]。本文通过分析国内某地铁线路高导电率地质和复杂管线区间轨道电阻和杂散电流收集效果,来控制过多的杂散电流对该区域附近交流供电系统的影响。

1 高导电率地质区间对附近交流供电系统的影响

该地铁线路自开通运营初期起,在某一个区间轨电位值一直偏高,保护装置频繁动作,向大地散去的杂散电流泄漏值偏大。与此同时,该区间附近的一座国网220 kv变电站工作人员经观测发现, 自线路运行以来,主变偏磁一直超标,尤其是在列车开行经过该区段的时候偏高数倍。经分析原因是泄漏的杂散电流通过特殊路径窜入国网220 kv变电站接地中性点,直流分量超标,导致变电站主变压器偏磁超标。

如图1所示,对该区间周围地质条件进行调查发现,该区间线路纵向有两条支干河流包围,土质富水且松软,地下有多条燃气管道、给水管道横穿,区间地铁隧道设计埋深为地下9 m,而国网变电站位于支干河流交叉位置。

以上调查情况表明,在高导电率地质和复杂管线区间的地铁杂散电流采用一般的防护措施作用不明显。为解决此问题,下文主要从区间轨道电阻和杂散电流收集效果来分析如何加强杂散电流控制^[2]。

2 区间钢轨纵向电阻和过渡电阻的测试分析

过往研究表明,过渡电阻是影响杂散电流泄漏程度的最关键因素,是考察轨道绝缘的重要参数。CJJ49—1992《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》规定:“走行轨与隧道主体结构钢之间的过渡电阻,新建地铁不应小于15Ω·km,已运营地铁不应小于3Ω·km。”一般认为,在过渡电阻大于15 Ω·km时,杂散电流分布曲线几乎没什么变化;在过渡电阻大于3 Ω·km时,杂散电流分布曲线近似于直线,增幅较小;当过渡电阻小于3 Ω·km时,杂散电流分布曲线变化剧烈;当过渡电阻小于0.5 Ω·km后,杂散电流将泄漏严重,必须采取有效措施进行处理^[3]。

钢轨的电阻直接影响钢轨电位的高低和杂散电流的泄漏程度,而钢轨纵向电阻测试是过渡电阻测试的基础^[4],因此首先对该区间钢轨纵向电阻进行测试。线路轨道为60 kg规格的钢轨,R_c=29.11×10^-3Ω/km。由于钢轨无缝焊接工艺等的影响,实际通过焊接连接后的钢轨纵向直流电阻均大于这一数值,一般在37×10^-3Ω/km左右,由于均回流电缆等因素的影响和条件限制,直接进行轨道电阻测量比较困难,一般是采用伏安法进行测试^[5]。

式中:R_10m为单位长度10 m的轨道A段的纵向电阻,轨道B段类似;I为测试流入的电流;U_on、U_off为轨道A/B段有无电流时的压降。

采用此方法对该区间横跨的高导电率地质和复杂管线区段1060 m进行了测试,选择相邻的两条10m无缝钢轨连续测量,以此测量计算数据平均值近似表示整个区段的钢轨纵向电阻。

表1显示,在横跨高导电率地质区的区间内,相邻两条钢轨正极性测试的纵向电阻为28.514×10^-3Ω/km 和28.402×10^-3Ω/km,负极性测试的结果为28.667×10^-3 Ω/km和28.475 ×10^-3Ω/km,测量得到的钢轨纵向电阻平均值为28.515 ×10^-3 Ω/km。从测试结果可 以发现,钢轨纵向平均值略低于标准钢轨电阻值。

进一步地,根据已测得的区段钢轨纵向电阻值,采用图2、图3所示过渡电阻接线原理和接线方法^[6],测量计算区段过渡电阻。准备直流电源HLY-200C智能回路电阻测试仪1台;毫伏电压表3块,串接在钢轨和直流电源之间,分别选在测试区段首尾各1 m位置和区段中点位置;电流表1块,检测直流电源输出电流。

测试区间过渡电阻RL计算公式为:

式中:I为测试流入的电流;I_A、I_B分别为流进A和B端的电流;L为测量部分的长度;ΔU_T为进入轨道时轨道 与隧道间的电压;ΔU_TA、ΔU_TB分别为A端和B端轨道与 隧道间的电压。

表2所述电流为接触电阻测试仪上的输出电流,U_1A和U_2A分别是测量区段首尾两段1m长位置电压水平,毫伏表测试的是过渡电压值。根据试验数据计算,测试区间的轨道—主排流网的过渡电阻约为22.8625Ω.km。从测试结果可以发现,该区段过渡电阻大于新建线路15 Ω·km的标准。

从上述两项测试结果来看,该高导电率地质和复杂管线地铁区间与普通区段的数值相差不大,证明常规的阻值标准无法满足该区段杂散电流的控制,下一步须采取相应措施提升区段钢轨过渡电阻水平,加强杂散电流收集水平。

3提升钢轨过渡电阻和杂散电流收集水平

对于提升钢轨过渡电阻,在该区段1.06 km范围内采取了优化采用硅基绝缘纳米复合绝缘垫片替换现有普通垫片、轨枕绝缘处理、绝缘垫块外延尺寸不小于20 mm、设置绝缘套靴、道床下面铺设耐久性绝缘层或素混凝土、钢轨底面离道床面不小于30 mm等措施^[7]。

对于杂散电流收集水平的提升,关键点在于如何使直流电机产生的经过钢轨流出的杂散电流更多地通过电阻最小的路径汇流到两端车站变电所内排流设备内。一般而言,在车站区间两端的排流端子与钢筋结构网相连接,钢轨的杂散电流在车站端收集。现将整区段的钢轨以每300 m疏散通道为分隔,用2×150mm² 的低压电缆连续串联连接,以保证绝大部分直流电车通过时产生的杂散电流由钢轨流通转变为通过电缆流通,提升杂散电流的收集水平。具体实施方法如图4所示。

如图5所示,区间增设杂散均流电缆,实际现场与实施对策保持一致,即在单边钎焊一块4孔母线排,另一边钎焊一块2孔母线排,两根2× 150 mm² 的低压电缆将左右两轨串接,在4孔母线排连接两根300mm²的低压电缆与变电所内轨电位柜相连。

上述钢轨过渡电阻提升和杂散电流收集措施实施后,再一次对该高导电率地质和复杂管线地铁区间进行了测试,结果如表3所示。

根据测量试验数据计算,测试区间的轨道—主排流网的过渡电阻约为36.559 Ω·km,较之前有较大的提升。

经附近国网变电站监测人员监控变压器偏磁状态,杂散电流泄漏排查及治理取得了阶段性成果,对国网变电所的电流干扰已控制在标准范围内,取得了国网相关部门认可。

4 高导电率地质和复杂管线位置杂散电流 加强控制建议

1)研发出轨道交通用轨道绝缘技术。地铁牵引一般以直流方式供电,现有设计中虽然对支撑钢轨的扣件系统进行了绝缘处理,但对地仍然无法做到完全绝缘,尤其是扣件在脏污、潮湿状态下绝缘性能将受到影响。当牵引电流流经钢轨时会在其与大地之间形成电位差,导致部分牵引电流进入大地,进而对轨道周围的部分金属构件产生电化学腐蚀。鉴于此,有必要研究提高轨道绝缘性能的技术措施,以增大钢轨对地电阻^[8]。

2)研究第四轨回流技术在线网的适用性。采用专用回流通路,不利用走行轨回流,可以从根本上解决走行轨回流所产生的杂散电流及其危害,并可以不再限制走行轨电位,采用专用回流轨将不用考虑杂散电流腐蚀影响^[9]。

3)研制杂散电流便携式检测系统。研制城市轨道交通杂散电流便携式检测系统,通过实时检测金属极化电位、钢轨电位和过渡电阻等指标,从数据关联的角度实现杂散电流异常状态的判定和报警,有利于维护地铁运行及线路周围建筑的安全。

4)提出城市轨道交通回流系统广域安全监测系统理念。对线路运营时,全线广域范围内轨道泄漏电流、绝缘电阻进行连续在线监测,可为回流系统运营安全状态判断提供直接数据支撑,监测供电区间不同监测区段的泄漏电流、电流泄漏比例、过渡电阻、钢轨电位等回流安全直接相关的参数,能够反映系统供电安全情况^[10]。

5 结束语

根据对高导电率地质和复杂管线位置地铁区间 杂散电流对外部交流供电系统的影响测试,结合本文研究,采取提升区段钢轨过渡电阻水平和加强杂散电流收集水平措施,解决了该区段的问题。根据杂散电流加强控制建议开展下一步研究,可以从地铁内部解决当前城轨供电系统钢轨电位与杂散电流控制的难题。

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2024年第11期第22篇