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摘要：城轨普遍利用直流供电、走行轨回流方式。由于走行轨无法完全与大地理想绝缘，会有部分列车回流电流经走行轨泄漏至周边，形成杂散电流，对周边埋地金属管线产生电化学腐蚀，从而影响城市关键地下金属工程的运行安全。本文针对城轨杂散电流干扰的检测方法进行分析，根据被影响对象的不同，分别分析了主体结构钢筋受杂散电流干扰、埋地金属结构受杂散电流干扰、大地中杂散电流、管道中的电流等检测方法，为杂散电流干扰检测提供基础。
随着城市轨道交通大量投入使用，城轨已经逐渐成为城市交通的重要部分，其具有运量大，快速安全，能耗低，享有独立路权，占空间小，舒适快捷等优点，根据有关部门调查，越来越多的居民会选择城轨来完成一天城市内部的出行，相比于其他交通工具，城轨出行的优越性不言而喻，所以未来城轨迅猛发展已成趋势。目前直流牵引供电的城轨线路主要由牵引变电所、接触网、回流系统、列车等组成。首先，城市电网中的高压交流电经牵引变电所降压整流，转换成直流 750V 或 1500V 的电能运送到接触网，再通过接触网将牵引变电所正极电流送至列车，最后由回流系统回到牵引变电所负极。一般直流牵引供电系统悬浮接地，通过绝缘的走行轨回流，但因其存在纵向电阻，不能完全绝缘，只要有牵引电流通过走行轨时，就会形成一个钢轨电位。其中一部分电流会发生外泄，形成杂散电流。目前对国内线路进行检测发现线路中走行轨绝缘性普遍较低，经常出现钢轨电位、杂散电流异常变化的现象，对系统设备的安全运行及乘客的人身安全产生危害，对线路的正常安全运行也产生危害。杂散电流会对周边的关键地下金属结构，如钢轨、结构钢筋、埋地管道等产生腐蚀影响。杂散电流在钢轨泄漏处会发生氧化还原反应，在结构钢筋流入位置发生析氢反应，产生静压力，对管线发生穿孔局部腐蚀。虽然短时间内杂散电流泄漏带来的腐蚀效果并不明显，但如果不能做到有效防护，随着运营时间的增加，潮湿、污染等外界因素的作用，设施绝缘性就会降低，增大杂散电流泄漏水平，对周边关键埋地金属的影响会大大增加。因此，如何提高直流系统供电的安全性和可靠性，是城市轨道交通发展中必须要重视的问题。由于城轨杂散电流干扰范围较大，不同被干扰对象的杂散电流检测方法不同。本文总结分析了不同被干扰对象的杂散电流检测方法，为杂散电流干扰的现场检测提供基础。
一、不同被干扰对象杂散电流检测方法
从被干扰对象的角度，分别从主体结构钢筋受杂散电流干扰、埋地金属结构受杂散电流干扰、大地中杂散电流、管道中的电流等方面进行分析。
1-主体结构钢筋受杂散电流干扰检测
城轨主体结构钢筋是轨道杂散电流泄漏之后最容易受到腐蚀干扰的对象。由于主体结构钢筋位于混凝土环境中，在其受杂散电流干扰检测时，主要采用氧化钼参比电极检测其极化电位。利用数据采集装置近路结构极化电位原理如图 1 所示。氧化钼参比电极安装在结构钢筋附近，且尽量靠近被检测结构钢筋的表面，采集结构钢筋对氧化钼参比电极的极化电位。在检测过程中，由于氧化钼参比电极具有一定的本体电位1V ，因此，需要将检测的电位值与本体电位值相减。当夜间线路停止运营后，线路无杂散电流泄漏，此时检测的数据是参比电极的本体电位1V ，当线路运营后，存在杂散电流的情况下，结构钢筋极化电位，极化电位无法直接测量，需要利用检测到的结构钢筋对参比电极的电压与本体电位值相减后得出。由于极化电位检测一般仅限于安装电极附近的结构钢筋，如果针对大范围的结构钢筋受干扰的检测，需要针对不同位置设置不同的电极进行检测，这对广域结构钢筋受干扰的检测情况带来一定难度。
2-埋地金属结构受杂散电流干扰检测
埋地金属结构主要包括埋地管道、埋地金属等。由于是处于土壤中，要有效检测其受杂散电流的干扰情况，需要使用长效的硫酸铜参比电极提供参考电位，在不受杂散电流干扰时，测量电位稳定在本体电位 Uc，在受杂散电流干扰时，测量电位出现偏离电位 Uc的情况，此时测试电位为 U，偏离值为△ U，从而得到埋地金属管道受杂散电流干扰情况的检测值。检测方法如图 2 所示。在实际管道中，通常会隔一定间距设置一个检测桩，检测桩中设置一测试端子连接到管道上，为日常巡检和检测提供条件。
3-大地杂散电流干扰检测
大地中杂散电流会引起土壤的地电位梯度发生变化，GB 50991-2014 等相关标准规定，可以通过地电位梯度的大小判断杂散电流受直流干扰的情况。当地电位梯度低于0.5m V/m 时，可以认为不存在直流杂散电流。其检测方法如图 3 所示，选择具有代表性的地段，选择十字交叉的四个检测点 a、b、c、d，ac 与 bd 的距离相等且对称分布，间距可设置为 5m 或者 10m。四个检测点位置设置硫酸铜参比电极，并检测对参比电极之间的电位差，接入数据记录仪，以蓄电池为数据记录仪供电，测试持续一段时间后，拆除设备，进行数据处理，同时对应建立直角坐标系，可以计算出各分量的土壤电位梯度，并计算出大地中杂散电流的方向。在实际现场检测过程中，由于杂散电流的方向会不断改变，两个坐标轴的分量大小和方向均会不断改变，需要不断计算各个分量的大小，来折合杂散电流的大小和方向。
4-管道中杂散电流的检测
为有效评估埋地金属管线中杂散电流水平和变化情况，管道中杂散电流检测尤为重要。但管道埋入地下后难以开挖，并且埋地管道覆盖面广，传统的电流检测方法难以应用于埋地管道杂散电流的检测。管地电位、土壤电位梯度等参数的检测被用于间接反映埋地管道受杂散电流的干扰水平。但这些参数只能间接反映杂散电流的影响，而无法直接定量评估管道中杂散电流水平。取一段长度管道校准其纵向电阻后，取该两点电位可以反映管道中杂散电流大小。该方法可以比较简单地测得管道纵向压降进而计算出管道中的电流大小。但也存在需要设置电气连接点、不够便携等问题。如果是已经运行的管道，再进行开挖及设置电气连接点会耗费较大的人力、物力。相关的霍尔电流传感器无法有效应用到管道交直流电流检测中。针对埋地管道交直流杂散电流，可以基于管道电流的电磁特性，设计利用磁力仪传感器，非接触式检测管道中电流的大小。相关文献表明，由于存在地磁影响，需要设计多个磁力仪传感器，消除地磁干扰，同时检测出管道中电流引起的磁场大小。与此同时，由于管道深度未知，需利用检测信号判断被检测位置管道埋深。利用磁力仪检测管道中电流产生的磁场时，检测到的磁场并不仅是管道中电流产生，还会存在地磁、地中其他电流产生的电磁场，如何避免周边电磁场的干扰是准确检测管道中电流的重点。在当前电力系统类型复杂的情况下，管道的干扰类型也增多，存在交流干扰、直流干扰以及其他一些动态变化的干扰。在进行检测时，应能准确区分不同的干扰源的大小，以分别评估不同类型干扰源对管道的影响，因此，应针对埋地管道交直流混合干扰进行检测及分离。单一磁力仪探头无法准确、有效的检测到管道中电流产生的磁场，传感器的阵列方式及阵列方式下电磁场的准确计算需进行研究。
二、总结
本文针对城市轨道交通杂散电流干扰的检测方法开展分析，阐述了杂散电流的危害和影响，分别从主体结构钢筋受杂散电流干扰、埋地金属结构受杂散电流干扰、大地中杂散电流干扰、管道中的电流等不同对象进行分析，总结了各干扰对象的杂散电流检测方法，为杂散电流的防护提供依据。
作者：吴德明 单位：宁波市轨道交通集团有限公司运营分公司
