電氣化鐵路對(duì)埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖慕涣鞲蓴_及其防護(hù)措施

摘 要

摘要：闡述了電氣化鐵路對(duì)埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖慕涣鞲蓴_影響途徑及其主要危害，提出了埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿澜涣鞲蓴_的判斷指標(biāo)及其防護(hù)措施。關(guān)鍵詞：電氣化鐵路；鋼質(zhì)燃?xì)夤艿?；交流干擾；容
摘要：闡述了電氣化鐵路對(duì)埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖慕涣鞲蓴_影響途徑及其主要危害，提出了埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿澜涣鞲蓴_的判斷指標(biāo)及其防護(hù)措施。
關(guān)鍵詞：電氣化鐵路；鋼質(zhì)燃?xì)夤艿溃唤涣鞲蓴_；容性耦合；阻性耦合；感性耦合
1 前言
    鐵路是國(guó)家的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在綜合運(yùn)輸體系中起著骨干作用。隨著《中國(guó)鐵路中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》的出臺(tái)，各地紛紛興起高鐵投資熱潮。至2020年，中國(guó)將建成“四縱四橫”高鐵網(wǎng)，貫穿環(huán)渤海地區(qū)、長(zhǎng)三角、珠三角三大城市群，這意味著，我國(guó)已正式步入高鐵時(shí)代！
    與此同時(shí)，為滿足各地不斷增長(zhǎng)的能源需求，我國(guó)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(shè)計(jì)建設(shè)過(guò)程中，不可避免的出現(xiàn)并行或交叉穿跨越敷設(shè)的情況，埋地油氣管道將會(huì)受到電氣化鐵路的交流干擾，若處理不當(dāng)，將會(huì)形成較大危害。因此，探索電氣化鐵路對(duì)埋地油氣管道的干擾規(guī)律并采取相應(yīng)的預(yù)防措施，降低電氣化鐵路對(duì)埋地金屬管道的干擾影響，對(duì)于保證油氣管道的安全、平穩(wěn)運(yùn)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(yùn)專線”“寧杭鐵路客運(yùn)專線”、“滬杭鐵路客運(yùn)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?xì)夤艿馈１疚慕Y(jié)合對(duì)“寧杭鐵路客運(yùn)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(jìn)行的丁=程安全咨詢?cè)u(píng)估的相關(guān)研究?jī)?nèi)容以及在實(shí)際建設(shè)過(guò)程中所采取的解決方案，淺析電氣化鐵路對(duì)埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖慕涣鞲蓴_及其防護(hù)措施。
2 電氣化鐵路牽引供電方式及牽引網(wǎng)簡(jiǎn)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(guó)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(shè)置整流和變頻設(shè)備，能直接從具有強(qiáng)大容量的電力系統(tǒng)取得電能，并以較高的電壓向電力機(jī)車供電，使?fàn)恳冸娝墓╇娫O(shè)備簡(jiǎn)單化，牽引變電所間距離增大，接觸導(dǎo)線截面縮小，減少了電能的損失，降低了建設(shè)投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用[1]。
    我國(guó)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(yùn)號(hào)線”即為正線采剛AT供電方式，聯(lián)絡(luò)線及既有線改線部分采用帶回流線的直接供電方式。
    最簡(jiǎn)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(jī)車，而后經(jīng)機(jī)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(duì)埋地燃?xì)夤艿赖慕涣鞲蓴_
3.1 交流干擾的產(chǎn)生
    按照電磁場(chǎng)理論分析，強(qiáng)電線路(含電氣化鐵路牽引系統(tǒng))對(duì)金屬管道的交流干擾主要是通過(guò)容性耦合、阻性耦合、感性耦合3種方式來(lái)進(jìn)行。
    (1) 容性耦合的產(chǎn)生
    容性耦合是由于交流電場(chǎng)的影響在導(dǎo)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?yàn)楣艿辣旧韼в蟹栏^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(guò)干擾源的接地體，造成大地電位上升，當(dāng)管道通過(guò)這個(gè)區(qū)域時(shí)，管道本身相當(dāng)于遠(yuǎn)方零電位，這樣就在管道上產(chǎn)生一個(gè)電壓差，以離接地體最近為最高。
    在正常供電方式時(shí)，干擾源雜散電流一般很小，但對(duì)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(dāng)管道靠近接地電極時(shí)，由于金屬管道本身良好的導(dǎo)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(xiǎn)的。由于故障電流大，幾百安培或幾千安培通過(guò)接地體入地，在其周圍形成一個(gè)強(qiáng)大電場(chǎng)，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(hù)設(shè)備，當(dāng)強(qiáng)大的電場(chǎng)作用在管道覆蓋層的缺陷處時(shí)更會(huì)導(dǎo)致電弧的形成，當(dāng)電弧達(dá)到足夠的量和較長(zhǎng)時(shí)間的流通時(shí)便會(huì)造成鋼管融化。如果鋼管離接地體的距離太小，可能會(huì)直接引起相當(dāng)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(xiǎn)。
    (3) 感性耦合的產(chǎn)生
    感性耦合是當(dāng)管道和強(qiáng)電線路近距離平行接近或斜接近時(shí)，當(dāng)電流在一條相導(dǎo)線中流動(dòng)時(shí)，在導(dǎo)線周同即可產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)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(dǎo)線與管道軸線距離相等，則在管道上產(chǎn)生的綜合感應(yīng)電壓為零。但在大多數(shù)結(jié)構(gòu)中，三相導(dǎo)線與管道是不對(duì)稱的，管道中會(huì)形成一定的感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓的大小和平行于強(qiáng)電線路的管道長(zhǎng)度、輸電線路不平衡電流的大小、輸電線路的頻率、導(dǎo)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(guān)。
根據(jù)上述分析，當(dāng)管道埋入地下后，電氣化鐵路對(duì)鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖娜菪择詈细蓴_可以忽略不計(jì)，在著一定程度的阻性耦合干擾和感性耦合十?dāng)_。
3.2 交流干擾的危害
強(qiáng)電線路(含電氣化鐵路牽引系統(tǒng))對(duì)埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖慕涣鞲蓴_危害主要有兩個(gè)方面，一是長(zhǎng)期存在的交流電壓的交流腐蝕影響，一般認(rèn)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(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，使?fàn)奚?yáng)極系統(tǒng)發(fā)生極性逆轉(zhuǎn)，降低犧牲陽(yáng)極的電流效率，致使管道得不到有效的防腐保護(hù)。二是故障狀態(tài)下瞬間感應(yīng)電壓的危險(xiǎn)影響，造成的瞬間高感應(yīng)電壓可能擊穿絕緣層，擊穿絕緣法蘭，甚至擊穿陰極保護(hù)設(shè)備，并對(duì)操作人員的人身安全造成危險(xiǎn)。
4 埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿澜涣鞲蓴_判斷指標(biāo)
能最直接反映出電氣化鐵路對(duì)埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿澜涣鞲蓴_腐蝕的是交流雜散電流的大小，但由于實(shí)際條件限制，電氣化鐵路交流雜散電流無(wú)法直接測(cè)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?yàn)樗瓤梢苑从彻艿赖母g特性，又可以反映雜散電流的干擾特性。
在沒(méi)有增加電流源的情況下，管地電位的提高是雜散電流進(jìn)入點(diǎn)的跡象，管地電位的下降通常為雜散電流放電點(diǎn)的指示。通過(guò)電壓測(cè)量發(fā)現(xiàn)管地電位不穩(wěn)定、管地電位嚴(yán)重偏離正常值或土壤電位梯度反常等問(wèn)題時(shí)，說(shuō)明有雜散電流存在，并通過(guò)土壤電位梯度能夠分析出雜散電流流入、流出點(diǎn)及電流大小。
對(duì)電氣化鐵路而言，管地電位隨機(jī)車負(fù)荷變化，機(jī)車運(yùn)行時(shí)管地電位交變激烈，但深夜時(shí)波動(dòng)可能明顯減弱。陰極保護(hù)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(jī)車停運(yùn)時(shí)，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(lái)進(jìn)行判定。我圍標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：對(duì)于交流干擾，當(dāng)管道任意點(diǎn)上管地電位持續(xù)1V以上時(shí)，確定為存在交流干擾；當(dāng)中性土壤中的管道任意點(diǎn)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(shí)，管道應(yīng)采取交流排流保護(hù)或相應(yīng)的其它保護(hù)措施。具體干擾程度判定指標(biāo)見(jiàn)表1。
表1 埋地管道交流干擾判定指標(biāo)

 

級(jí)別
嚴(yán)重程度
土壤類別
弱
中
強(qiáng)
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(huì)引起大地電位梯度的變化。因此，可根據(jù)地電位梯度來(lái)判定土壤中是否存在雜散電流及其嚴(yán)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(qiáng)度的關(guān)系見(jiàn)表2。
表2 地電位梯度與雜散電流干擾強(qiáng)度的關(guān)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(qiáng)

 

5 交流干擾的防護(hù)措施
5.1 相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)
目前，國(guó)內(nèi)已制定管道交流干擾保護(hù)的相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，在電氣化鐵路和埋地油氣管道建設(shè)過(guò)程中主要采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：《埋地鋼質(zhì)管道交流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》SY/T0032—2000、《交流電氣化鐵道對(duì)油(氣)管道(含油庫(kù))的影響容許值及防護(hù)措施》TB/T2832—1997、《油氣管道管理與維護(hù)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(zhǎng)輸管道與鐵路相互關(guān)系的若干規(guī)定》(石油部(87)油建第505號(hào)文、鐵道部鐵基(1987)780號(hào)文)、《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50028—2006)、《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50251—2003)及《石油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50074—2002)。
5.2 防護(hù)措施
總體來(lái)說(shuō)，對(duì)交流干擾的防護(hù)，鐵路方面可采取盡量減少電流流失的相關(guān)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(duì)交流干擾的防護(hù)已向干擾方、被干擾方及其他有關(guān)方面按“四統(tǒng)一分”(統(tǒng)一測(cè)試、統(tǒng)一設(shè)計(jì)、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一評(píng)價(jià)、分別實(shí)施)原則聯(lián)合防護(hù)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(duì)容性耦合的防護(hù)只要在管道施工期間采取適當(dāng)?shù)慕拥卮胧┚涂杀苊狻Ｊ┕r(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照《埋地鋼質(zhì)管道交流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》SY/T0032—2000第3.0.6條規(guī)定執(zhí)行。
    當(dāng)管道埋入地下后，電氣化鐵路對(duì)埋地鋼制燃?xì)夤艿赖母蓴_則主要為通過(guò)阻性耦合和感性耦合來(lái)進(jìn)行，其中，對(duì)于與鐵路近距平行的埋地鋼制燃?xì)夤艿?，感性耦合是其最主要的干擾方式。
    對(duì)阻性耦合和感性耦合的防護(hù)，目前在實(shí)際工程中主要是通過(guò)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(shí)際工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及檢測(cè)結(jié)果，當(dāng)電氣化鐵路單純跨越埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿罆r(shí)，一般雜散電流很小，在埋地燃?xì)夤艿琅c交流接地體的安全距離符合表3的要求時(shí)，一般不需要增加排流防護(hù)措施，但需在管道穿越處增加一處綜合測(cè)試樁，以檢測(cè)鐵路投運(yùn)后管道電位的變化。若測(cè)得電壓值超過(guò)規(guī)范《埋地鋼質(zhì)管道交流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0032—2000》管道交流干擾判斷指標(biāo)，或超過(guò)陰極保護(hù)設(shè)備交流干擾能力則必須采取排流保護(hù)的措施。因此，對(duì)于交流干擾下的管道，正常的陰極保護(hù)非常重要，陰極保護(hù)設(shè)備應(yīng)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(jí)(kV)
10
35
110
220
安全距離(m)
臨時(shí)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(dāng)電氣化鐵路與埋地燃?xì)夤艿澜嚯x平行時(shí)，必須增加排流防護(hù)措施。其中，德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)給出了涂敷良好的管道與50HZ電氣化鐵路平行時(shí)的限制長(zhǎng)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(shí)的限制長(zhǎng)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(hù)措施，主要有接地排流，但直接排流會(huì)對(duì)原有的陰極保護(hù)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(shí)所采取的排流措施以及多年來(lái)的測(cè)試結(jié)果，鉗位式排流是行之有效的防護(hù)措施。需要特別注意的是在采用鉗位式排流時(shí)，接地極的接地電阻應(yīng)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(yǔ)
隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，今后必將建設(shè)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?dāng)_的可能性也將更大。本文通過(guò)對(duì)交流干擾的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的防護(hù)措施，可為今后相關(guān)工程建設(shè)時(shí)的排流設(shè)計(jì)提供一定的參考。
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(本文作者：孫佩奇 杭州市城鄉(xiāng)建設(shè)設(shè)計(jì)院有限公司 310004)