电气化铁路对埋地钢质燃气管道的交流干扰及其防护措施

摘 要

摘要：阐述了电气化铁路对埋地钢质燃气管道的交流干扰影响途径及其主要危害，提出了埋地钢质燃气管道交流干扰的判断指标及其防护措施。关键词：电气化铁路；钢质燃气管道；交流干扰；容
摘要：阐述了电气化铁路对埋地钢质燃气管道的交流干扰影响途径及其主要危害，提出了埋地钢质燃气管道交流干扰的判断指标及其防护措施。
关键词：电气化铁路；钢质燃气管道；交流干扰；容性耦合；阻性耦合；感性耦合
1 前言
    铁路是国家的重要基础设施，在综合运输体系中起着骨干作用。随着《中国铁路中长期发展规划》的出台，各地纷纷兴起高铁投资热潮。至2020年，中国将建成“四纵四横”高铁网，贯穿环渤海地区、长三角、珠三角三大城市群，这意味着，我国已正式步入高铁时代！
    与此同时，为满足各地不断增长的能源需求，我国油气管道的里程也与日俱增。在油气管道与电气化铁路的设计建设过程中，不可避免的出现并行或交叉穿跨越敷设的情况，埋地油气管道将会受到电气化铁路的交流干扰，若处理不当，将会形成较大危害。因此，探索电气化铁路对埋地油气管道的干扰规律并采取相应的预防措施，降低电气化铁路对埋地金属管道的干扰影响，对于保证油气管道的安全、平稳运行具有十分重要的意义。
    以杭州为例，目前在建的“杭甬铁路客运专线”“宁杭铁路客运专线”、“沪杭铁路客运专线”存在多处穿跨越或近距离平行于浙江省高压天然气管道、杭州绕城高压天然气管道以及杭州市中低压城市燃气管道。本文结合对“宁杭铁路客运专线”与杭州绕城高压天然气管道近距离平行或交叉穿跨越路段所进行的丁=程安全咨询评估的相关研究内容以及在实际建设过程中所采取的解决方案，浅析电气化铁路对埋地钢质燃气管道的交流干扰及其防护措施。
2 电气化铁路牵引供电方式及牵引网简介
    电气化铁路牵引供电电流种类可分为3种电流制：直流制、低频单相交流制和工频单相交流制。目前，我国电气化铁路均为采用工频单卡H25kV交流制。这种电流制式不需要在牵引变电所设置整流和变频设备，能直接从具有强大容量的电力系统取得电能，并以较高的电压向电力机车供电，使牵引变电所的供电设备简单化，牵引变电所间距离增大，接触导线截面缩小，减少了电能的损失，降低了建设投资和运营费用[1]。
    我国电气化铁路采用的牵引供电方式有3种：直接供电方式(DF供电方式)、吸流变压器-回流线供电方式(BT供电方式)和自耦变压器供电方式(AT供电方式)。目前，在建的“宁杭铁路客运号线”即为正线采刚AT供电方式，联络线及既有线改线部分采用带回流线的直接供电方式。
    最简单的牵引网是南馈电线、接触网、轨道和大地、回流线构成的供电网的总称。如图1所示，牵引电流从牵引变电所主变压器流出，经由馈电线送到接触网后，南受电弓引入机车，而后经机车接地电刷、轮轴，沿轨道和大地、回流线流同牵引变电所[2]。
3 电气化铁路对埋地燃气管道的交流干扰
3.1 交流干扰的产生
    按照电磁场理论分析，强电线路(含电气化铁路牵引系统)对金属管道的交流干扰主要是通过容性耦合、阻性耦合、感性耦合3种方式来进行。
    (1) 容性耦合的产生
    容性耦合是由于交流电场的影响在导体中产生的电位而形成的。容性耦合主要发生在管道施工期间，因为管道本身带有防腐绝缘层，使得输电系统的相线和管道、管道和大地之间存在电容，如果输电线路和金属管道平行，管道就有可能存在容性耦合电压。
    (2) 阻性耦合的产生
    阻性耦合主要是由于故障电流和杂散电流流过干扰源的接地体，造成大地电位上升，当管道通过这个区域时，管道本身相当于远方零电位，这样就在管道上产生一个电压差，以离接地体最近为最高。
    在正常供电方式时，干扰源杂散电流一般很小，但对于“二线一地”或“一线一地”的供电方式，其接地极是工作电流的通道，当管道靠近接地电极时，由于金属管道本身良好的导电性能，管道上将有杂散电流存在。
    在故障情况下，由于故障电流引起的大地电位上升是很危险的。由于故障电流大，几百安培或几千安培通过接地体入地，在其周围形成一个强大电场，它可能产生电弧烧穿金属管道，击毁管道防腐绝缘层和阴极保护设备，当强大的电场作用在管道覆盖层的缺陷处时更会导致电弧的形成，当电弧达到足够的量和较长时间的流通时便会造成钢管融化。如果钢管离接地体的距离太小，可能会直接引起相当于高电流的电弧击穿，而钢管上的覆盖层限制了电弧的转移，这样，电弧作用集中在微小的一块面积上，增加了融化的危险。
    (3) 感性耦合的产生
    感性耦合是当管道和强电线路近距离平行接近或斜接近时，当电流在一条相导线中流动时，在导线周同即可产生交变磁场，该磁场作用在管道上产生干扰电压。在三相输电系统中，若三相电流相等，且三相架空导线与管道轴线距离相等，则在管道上产生的综合感应电压为零。但在大多数结构中，三相导线与管道是不对称的，管道中会形成一定的感应电压。感应电压的大小和平行于强电线路的管道长度、输电线路不平衡电流的大小、输电线路的频率、导线和线路的距离、管道覆盖层的电阻、管道周同的土壤电阻率、管道的纵线电阻、干扰源的系统性质等有关。
根据上述分析，当管道埋入地下后，电气化铁路对钢质燃气管道的容性耦合干扰可以忽略不计，在着一定程度的阻性耦合干扰和感性耦合十扰。
3.2 交流干扰的危害
强电线路(含电气化铁路牵引系统)对埋地钢质燃气管道的交流干扰危害主要有两个方面，一是长期存在的交流电压的交流腐蚀影响，一般认为交流电的存在可引起电极表面的去极化作用，加剧管道腐蚀，交流干扰可加速防腐层的老化，引起防腐层的剥离，干扰阴极保护系统的正常运行，使牺牲阳极系统发生极性逆转，降低牺牲阳极的电流效率，致使管道得不到有效的防腐保护。二是故障状态下瞬间感应电压的危险影响，造成的瞬间高感应电压可能击穿绝缘层，击穿绝缘法兰，甚至击穿阴极保护设备，并对操作人员的人身安全造成危险。
4 埋地钢质燃气管道交流干扰判断指标
能最直接反映出电气化铁路对埋地钢质燃气管道交流干扰腐蚀的是交流杂散电流的大小，但由于实际条件限制，电气化铁路交流杂散电流无法直接测出。因此，管道受干扰腐蚀程度的主要判据为管地电位差、土壤电位梯度，该方法称为电气判别法。其中管地电位是最重要的参数，因为它既可以反映管道的腐蚀特性，又可以反映杂散电流的干扰特性。
在没有增加电流源的情况下，管地电位的提高是杂散电流进入点的迹象，管地电位的下降通常为杂散电流放电点的指示。通过电压测量发现管地电位不稳定、管地电位严重偏离正常值或土壤电位梯度反常等问题时，说明有杂散电流存在，并通过土壤电位梯度能够分析出杂散电流流入、流出点及电流大小。
对电气化铁路而言，管地电位随机车负荷变化，机车运行时管地电位交变激烈，但深夜时波动可能明显减弱。阴极保护系统等的干扰比较稳定，所以，引起管地电位的变化亦很稳定，在机车停运时，干扰则消失。因此，埋地管道受到干扰与否，通常用管地电位的变化来进行判定。我围标准中规定：对于交流干扰，当管道任意点上管地电位持续1V以上时，确定为存在交流干扰；当中性土壤中的管道任意点上管地交流电位持续高于8V、碱性土壤中高于10V或酸性土壤中高于6V时，管道应采取交流排流保护或相应的其它保护措施。具体干扰程度判定指标见表1。
表1 埋地管道交流干扰判定指标

 

级别
严重程度
土壤类别
弱
中
强
碱性土壤(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，土壤中若存在大量杂散电流，必然会引起大地电位梯度的变化。因此，可根据地电位梯度来判定土壤中是否存在杂散电流及其严重程度，并据此推断管道受干扰的可能性。地电位梯度与杂散电流干扰强度的关系见表2。
表2 地电位梯度与杂散电流干扰强度的关系

 

地电位梯度，mV/m
杂散电流干扰程度
＜0.5
弱
0.5～5
中等
＞5
强

 

5 交流干扰的防护措施
5.1 相关规范及标准
目前，国内已制定管道交流干扰保护的相关规范及标准，在电气化铁路和埋地油气管道建设过程中主要采用的技术标准如下：《埋地钢质管道交流排流保护技术标准》SY/T0032—2000、《交流电气化铁道对油(气)管道(含油库)的影响容许值及防护措施》TB/T2832—1997、《油气管道管理与维护规程》(Q/SY GD0008—2001)、《钢质管道穿越铁路和公路推荐做法》SY/T 0325—2001、《原油、天然气长输管道与铁路相互关系的若干规定》(石油部(87)油建第505号文、铁道部铁基(1987)780号文)、《城镇燃气设计规范》(GB50028—2006)、《输气管道工程设计规范》(GB50251—2003)及《石油库设计规范》(GB50074—2002)。
5.2 防护措施
总体来说，对交流干扰的防护，铁路方面可采取尽量减少电流流失的相关措施；管道方面可采取屏蔽、分段隔离、直接接地、钳位式排流等综合治理措施。目前，对交流干扰的防护已向干扰方、被干扰方及其他有关方面按“四统一分”(统一测试、统一设计、统一管理、统一评价、分别实施)原则联合防护的方向发展。
    根据前面分析，容性耦合主要发生在管道施工期间，因此，对容性耦合的防护只要在管道施工期间采取适当的接地措施就可避免。施工时应严格按照《埋地钢质管道交流排流保护技术标准》SY/T0032—2000第3.0.6条规定执行。
    当管道埋入地下后，电气化铁路对埋地钢制燃气管道的干扰则主要为通过阻性耦合和感性耦合来进行，其中，对于与铁路近距平行的埋地钢制燃气管道，感性耦合是其最主要的干扰方式。
    对阻性耦合和感性耦合的防护，目前在实际工程中主要是通过加大管道与接地体的距离，减少干扰源的杂散电流，以及采取屏蔽、分段隔离、直接接地、钳位式排流等综合治理措施。
    根据实际工程运行经验及检测结果，当电气化铁路单纯跨越埋地钢质燃气管道时，一般杂散电流很小，在埋地燃气管道与交流接地体的安全距离符合表3的要求时，一般不需要增加排流防护措施，但需在管道穿越处增加一处综合测试桩，以检测铁路投运后管道电位的变化。若测得电压值超过规范《埋地钢质管道交流排流保护技术标准SY/T 0032—2000》管道交流干扰判断指标，或超过阴极保护设备交流干扰能力则必须采取排流保护的措施。因此，对于交流干扰下的管道，正常的阴极保护非常重要，阴极保护设备应具有一定的交流抗干扰能力。
表3 埋地管道与交流接地体的安全距离

 

接地形式
电力等级(kV)
10
35
110
220
安全距离(m)
临时接地
0.5
1.0
3.0
5.0
铁塔或电杆接地
1.0
3.0
5.0
5.0

 

当电气化铁路与埋地燃气管道近距离平行时，必须增加排流防护措施。其中，德国标准给出了涂敷良好的管道与50HZ电气化铁路平行时的限制长度，它是平行间距和干扰电流的丽数。如表4所示。
表4 涂敷良好的管道与50HZ电气化铁路平型时的限制长度(km)

 

间距(m)
有效干扰电流(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
 
 
 
 
 
 
 
 

 

    管道本身交流干扰防护措施，主要有接地排流，但直接排流会对原有的阴极保护产生影响，因此，需要在管道和接地体间串隔直环节，主要有钳位式排流器、电容排流器、二极管排流器。其中，根据哈大电气化铁路与东北输油网在近距离平行或交越时所采取的排流措施以及多年来的测试结果，钳位式排流是行之有效的防护措施。需要特别注意的是在采用钳位式排流时，接地极的接地电阻应小于该处管道的接地电阻，否则排流效果不明显。
6 结束语
随着国内经济的发展，今后必将建设更多的管道、铁路、公路及高压输电线路，新建或已建油气管道受交流十扰的可能性也将更大。本文通过对交流干扰的产生原因进行了分析，并提出了相应的防护措施，可为今后相关工程建设时的排流设计提供一定的参考。
参考文献：
1 冯金柱.电气化铁路有哪几种电流制[J].铁道知识，2004；4：47
2 黄元才，吴良治.交流电气化铁道接触网[M].北京：中国铁道出版社，1988
3 胡士信.阴极保护工程手册[M].北京：化学工业出版社，1999：213：221～222
4 尹国耀，魏振宏.杂散电流腐蚀与防护，焊管，2008；31(4)：74～76
5 闰明珍等.忠县-武汉输气管道遇到的交直流干扰及防护措施.腐蚀与防护，2008；29(2)：95～97
6 袁艺.文架空线路与地埋输气管道间安全距离的风险研究，湖北电力，2009；33(4)：57～58
 
(本文作者：孙佩奇 杭州市城乡建设设计院有限公司 310004)