電氣化鐵路對埋地鋼質(zhì)燃氣管道的交流干擾及其防護措施

摘 要

摘要：闡述了電氣化鐵路對埋地鋼質(zhì)燃氣管道的交流干擾影響途徑及其主要危害，提出了埋地鋼質(zhì)燃氣管道交流干擾的判斷指標及其防護措施。關鍵詞：電氣化鐵路；鋼質(zhì)燃氣管道；交流干擾；容
摘要：闡述了電氣化鐵路對埋地鋼質(zhì)燃氣管道的交流干擾影響途徑及其主要危害，提出了埋地鋼質(zhì)燃氣管道交流干擾的判斷指標及其防護措施。
關鍵詞：電氣化鐵路；鋼質(zhì)燃氣管道；交流干擾；容性耦合；阻性耦合；感性耦合
1 前言
    鐵路是國家的重要基礎設施，在綜合運輸體系中起著骨干作用。隨著《中國鐵路中長期發(fā)展規(guī)劃》的出臺，各地紛紛興起高鐵投資熱潮。至2020年，中國將建成“四縱四橫”高鐵網(wǎng)，貫穿環(huán)渤海地區(qū)、長三角、珠三角三大城市群，這意味著，我國已正式步入高鐵時代！
    與此同時，為滿足各地不斷增長的能源需求，我國油氣管道的里程也與日俱增。在油氣管道與電氣化鐵路的設計建設過程中，不可避免的出現(xiàn)并行或交叉穿跨越敷設的情況，埋地油氣管道將會受到電氣化鐵路的交流干擾，若處理不當，將會形成較大危害。因此，探索電氣化鐵路對埋地油氣管道的干擾規(guī)律并采取相應的預防措施，降低電氣化鐵路對埋地金屬管道的干擾影響，對于保證油氣管道的安全、平穩(wěn)運行具有十分重要的意義。
    以杭州為例，目前在建的“杭甬鐵路客運專線”“寧杭鐵路客運專線”、“滬杭鐵路客運專線”存在多處穿跨越或近距離平行于浙江省高壓天然氣管道、杭州繞城高壓天然氣管道以及杭州市中低壓城市燃氣管道。本文結(jié)合對“寧杭鐵路客運專線”與杭州繞城高壓天然氣管道近距離平行或交叉穿跨越路段所進行的丁=程安全咨詢評估的相關研究內(nèi)容以及在實際建設過程中所采取的解決方案，淺析電氣化鐵路對埋地鋼質(zhì)燃氣管道的交流干擾及其防護措施。
2 電氣化鐵路牽引供電方式及牽引網(wǎng)簡介
    電氣化鐵路牽引供電電流種類可分為3種電流制：直流制、低頻單相交流制和工頻單相交流制。目前，我國電氣化鐵路均為采用工頻單卡H25kV交流制。這種電流制式不需要在牽引變電所設置整流和變頻設備，能直接從具有強大容量的電力系統(tǒng)取得電能，并以較高的電壓向電力機車供電，使牽引變電所的供電設備簡單化，牽引變電所間距離增大，接觸導線截面縮小，減少了電能的損失，降低了建設投資和運營費用[1]。
    我國電氣化鐵路采用的牽引供電方式有3種：直接供電方式(DF供電方式)、吸流變壓器-回流線供電方式(BT供電方式)和自耦變壓器供電方式(AT供電方式)。目前，在建的“寧杭鐵路客運號線”即為正線采剛AT供電方式，聯(lián)絡線及既有線改線部分采用帶回流線的直接供電方式。
    最簡單的牽引網(wǎng)是南饋電線、接觸網(wǎng)、軌道和大地、回流線構(gòu)成的供電網(wǎng)的總稱。如圖1所示，牽引電流從牽引變電所主變壓器流出，經(jīng)由饋電線送到接觸網(wǎng)后，南受電弓引入機車，而后經(jīng)機車接地電刷、輪軸，沿軌道和大地、回流線流同牽引變電所[2]。
3 電氣化鐵路對埋地燃氣管道的交流干擾
3.1 交流干擾的產(chǎn)生
    按照電磁場理論分析，強電線路(含電氣化鐵路牽引系統(tǒng))對金屬管道的交流干擾主要是通過容性耦合、阻性耦合、感性耦合3種方式來進行。
    (1) 容性耦合的產(chǎn)生
    容性耦合是由于交流電場的影響在導體中產(chǎn)生的電位而形成的。容性耦合主要發(fā)生在管道施工期間，因為管道本身帶有防腐絕緣層，使得輸電系統(tǒng)的相線和管道、管道和大地之間存在電容，如果輸電線路和金屬管道平行，管道就有可能存在容性耦合電壓。
    (2) 阻性耦合的產(chǎn)生
    阻性耦合主要是由于故障電流和雜散電流流過干擾源的接地體，造成大地電位上升，當管道通過這個區(qū)域時，管道本身相當于遠方零電位，這樣就在管道上產(chǎn)生一個電壓差，以離接地體最近為最高。
    在正常供電方式時，干擾源雜散電流一般很小，但對于“二線一地”或“一線一地”的供電方式，其接地極是工作電流的通道，當管道靠近接地電極時，由于金屬管道本身良好的導電性能，管道上將有雜散電流存在。
    在故障情況下，由于故障電流引起的大地電位上升是很危險的。由于故障電流大，幾百安培或幾千安培通過接地體入地，在其周圍形成一個強大電場，它可能產(chǎn)生電弧燒穿金屬管道，擊毀管道防腐絕緣層和陰極保護設備，當強大的電場作用在管道覆蓋層的缺陷處時更會導致電弧的形成，當電弧達到足夠的量和較長時間的流通時便會造成鋼管融化。如果鋼管離接地體的距離太小，可能會直接引起相當于高電流的電弧擊穿，而鋼管上的覆蓋層限制了電弧的轉(zhuǎn)移，這樣，電弧作用集中在微小的一塊面積上，增加了融化的危險。
    (3) 感性耦合的產(chǎn)生
    感性耦合是當管道和強電線路近距離平行接近或斜接近時，當電流在一條相導線中流動時，在導線周同即可產(chǎn)生交變磁場，該磁場作用在管道上產(chǎn)生干擾電壓。在三相輸電系統(tǒng)中，若三相電流相等，且三相架空導線與管道軸線距離相等，則在管道上產(chǎn)生的綜合感應電壓為零。但在大多數(shù)結(jié)構(gòu)中，三相導線與管道是不對稱的，管道中會形成一定的感應電壓。感應電壓的大小和平行于強電線路的管道長度、輸電線路不平衡電流的大小、輸電線路的頻率、導線和線路的距離、管道覆蓋層的電阻、管道周同的土壤電阻率、管道的縱線電阻、干擾源的系統(tǒng)性質(zhì)等有關。
根據(jù)上述分析，當管道埋入地下后，電氣化鐵路對鋼質(zhì)燃氣管道的容性耦合干擾可以忽略不計，在著一定程度的阻性耦合干擾和感性耦合十擾。
3.2 交流干擾的危害
強電線路(含電氣化鐵路牽引系統(tǒng))對埋地鋼質(zhì)燃氣管道的交流干擾危害主要有兩個方面，一是長期存在的交流電壓的交流腐蝕影響，一般認為交流電的存在可引起電極表面的去極化作用，加劇管道腐蝕，交流干擾可加速防腐層的老化，引起防腐層的剝離，干擾陰極保護系統(tǒng)的正常運行，使犧牲陽極系統(tǒng)發(fā)生極性逆轉(zhuǎn)，降低犧牲陽極的電流效率，致使管道得不到有效的防腐保護。二是故障狀態(tài)下瞬間感應電壓的危險影響，造成的瞬間高感應電壓可能擊穿絕緣層，擊穿絕緣法蘭，甚至擊穿陰極保護設備，并對操作人員的人身安全造成危險。
4 埋地鋼質(zhì)燃氣管道交流干擾判斷指標
能最直接反映出電氣化鐵路對埋地鋼質(zhì)燃氣管道交流干擾腐蝕的是交流雜散電流的大小，但由于實際條件限制，電氣化鐵路交流雜散電流無法直接測出。因此，管道受干擾腐蝕程度的主要判據(jù)為管地電位差、土壤電位梯度，該方法稱為電氣判別法。其中管地電位是最重要的參數(shù)，因為它既可以反映管道的腐蝕特性，又可以反映雜散電流的干擾特性。
在沒有增加電流源的情況下，管地電位的提高是雜散電流進入點的跡象，管地電位的下降通常為雜散電流放電點的指示。通過電壓測量發(fā)現(xiàn)管地電位不穩(wěn)定、管地電位嚴重偏離正常值或土壤電位梯度反常等問題時，說明有雜散電流存在，并通過土壤電位梯度能夠分析出雜散電流流入、流出點及電流大小。
對電氣化鐵路而言，管地電位隨機車負荷變化，機車運行時管地電位交變激烈，但深夜時波動可能明顯減弱。陰極保護系統(tǒng)等的干擾比較穩(wěn)定，所以，引起管地電位的變化亦很穩(wěn)定，在機車停運時，干擾則消失。因此，埋地管道受到干擾與否，通常用管地電位的變化來進行判定。我圍標準中規(guī)定：對于交流干擾，當管道任意點上管地電位持續(xù)1V以上時，確定為存在交流干擾；當中性土壤中的管道任意點上管地交流電位持續(xù)高于8V、堿性土壤中高于10V或酸性土壤中高于6V時，管道應采取交流排流保護或相應的其它保護措施。具體干擾程度判定指標見表1。
表1 埋地管道交流干擾判定指標

 

級別
嚴重程度
土壤類別
弱
中
強
堿性土壤(V)
＜10
10～20
＞20
巾性土壤(V)
＜8
8～15
＞15
酸性土壤(V)
＜6
6.10
＞10

 

另外，土壤中若存在大量雜散電流，必然會引起大地電位梯度的變化。因此，可根據(jù)地電位梯度來判定土壤中是否存在雜散電流及其嚴重程度，并據(jù)此推斷管道受干擾的可能性。地電位梯度與雜散電流干擾強度的關系見表2。
表2 地電位梯度與雜散電流干擾強度的關系

 

地電位梯度，mV/m
雜散電流干擾程度
＜0.5
弱
0.5～5
中等
＞5
強

 

5 交流干擾的防護措施
5.1 相關規(guī)范及標準
目前，國內(nèi)已制定管道交流干擾保護的相關規(guī)范及標準，在電氣化鐵路和埋地油氣管道建設過程中主要采用的技術(shù)標準如下：《埋地鋼質(zhì)管道交流排流保護技術(shù)標準》SY/T0032—2000、《交流電氣化鐵道對油(氣)管道(含油庫)的影響容許值及防護措施》TB/T2832—1997、《油氣管道管理與維護規(guī)程》(Q/SY GD0008—2001)、《鋼質(zhì)管道穿越鐵路和公路推薦做法》SY/T 0325—2001、《原油、天然氣長輸管道與鐵路相互關系的若干規(guī)定》(石油部(87)油建第505號文、鐵道部鐵基(1987)780號文)、《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》(GB50028—2006)、《輸氣管道工程設計規(guī)范》(GB50251—2003)及《石油庫設計規(guī)范》(GB50074—2002)。
5.2 防護措施
總體來說，對交流干擾的防護，鐵路方面可采取盡量減少電流流失的相關措施；管道方面可采取屏蔽、分段隔離、直接接地、鉗位式排流等綜合治理措施。目前，對交流干擾的防護已向干擾方、被干擾方及其他有關方面按“四統(tǒng)一分”(統(tǒng)一測試、統(tǒng)一設計、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一評價、分別實施)原則聯(lián)合防護的方向發(fā)展。
    根據(jù)前面分析，容性耦合主要發(fā)生在管道施工期間，因此，對容性耦合的防護只要在管道施工期間采取適當?shù)慕拥卮胧┚涂杀苊狻Ｊ┕r應嚴格按照《埋地鋼質(zhì)管道交流排流保護技術(shù)標準》SY/T0032—2000第3.0.6條規(guī)定執(zhí)行。
    當管道埋入地下后，電氣化鐵路對埋地鋼制燃氣管道的干擾則主要為通過阻性耦合和感性耦合來進行，其中，對于與鐵路近距平行的埋地鋼制燃氣管道，感性耦合是其最主要的干擾方式。
    對阻性耦合和感性耦合的防護，目前在實際工程中主要是通過加大管道與接地體的距離，減少干擾源的雜散電流，以及采取屏蔽、分段隔離、直接接地、鉗位式排流等綜合治理措施。
    根據(jù)實際工程運行經(jīng)驗及檢測結(jié)果，當電氣化鐵路單純跨越埋地鋼質(zhì)燃氣管道時，一般雜散電流很小，在埋地燃氣管道與交流接地體的安全距離符合表3的要求時，一般不需要增加排流防護措施，但需在管道穿越處增加一處綜合測試樁，以檢測鐵路投運后管道電位的變化。若測得電壓值超過規(guī)范《埋地鋼質(zhì)管道交流排流保護技術(shù)標準SY/T 0032—2000》管道交流干擾判斷指標，或超過陰極保護設備交流干擾能力則必須采取排流保護的措施。因此，對于交流干擾下的管道，正常的陰極保護非常重要，陰極保護設備應具有一定的交流抗干擾能力。
表3 埋地管道與交流接地體的安全距離

 

接地形式
電力等級(kV)
10
35
110
220
安全距離(m)
臨時接地
0.5
1.0
3.0
5.0
鐵塔或電桿接地
1.0
3.0
5.0
5.0

 

當電氣化鐵路與埋地燃氣管道近距離平行時，必須增加排流防護措施。其中，德國標準給出了涂敷良好的管道與50HZ電氣化鐵路平行時的限制長度，它是平行間距和干擾電流的麗數(shù)。如表4所示。
表4 涂敷良好的管道與50HZ電氣化鐵路平型時的限制長度(km)

 

間距(m)
有效干擾電流(kA)
10
9
8
7
6
5
4
3
2
20
0.6
0.65
0.75
0.85
1.0
1 25
1.6
2.4
4.2
50
0.9
0.9
1.0
1.1
1.3
1 6
2.2
3.4
7.7
100
1.1
1.2
1.5
1.8
2.1
2.5
3.4
5.6
 
200
1.8
2.0
2.3
2.7
3.4
4.4
7.7
 
 
300
2.4
2.8
3.3
4.1
5.4
 
 
 
 
400
3.3
3.9
4.7
63
 
 
 
 
 
500
4.6
5.7
8.2
 
 
 
 
 
 
600
7.7
 
 
 
 
 
 
 
 
＞600
不限
 
 
 
 
 
 
 
 

 

    管道本身交流干擾防護措施，主要有接地排流，但直接排流會對原有的陰極保護產(chǎn)生影響，因此，需要在管道和接地體間串隔直環(huán)節(jié)，主要有鉗位式排流器、電容排流器、二極管排流器。其中，根據(jù)哈大電氣化鐵路與東北輸油網(wǎng)在近距離平行或交越時所采取的排流措施以及多年來的測試結(jié)果，鉗位式排流是行之有效的防護措施。需要特別注意的是在采用鉗位式排流時，接地極的接地電阻應小于該處管道的接地電阻，否則排流效果不明顯。
6 結(jié)束語
隨著國內(nèi)經(jīng)濟的發(fā)展，今后必將建設更多的管道、鐵路、公路及高壓輸電線路，新建或已建油氣管道受交流十擾的可能性也將更大。本文通過對交流干擾的產(chǎn)生原因進行了分析，并提出了相應的防護措施，可為今后相關工程建設時的排流設計提供一定的參考。
參考文獻：
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(本文作者：孫佩奇 杭州市城鄉(xiāng)建設設計院有限公司 310004)