电气化铁路沿线油气管道及罐区的电磁防护
摘 要：铁路是国家的重要基础设施，大众化的交通工具和综合运输体系的骨干，肩负着为全面建设小康社会提供运力支持，当好国民经济发展先行的重任。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！
一、电气化铁路对埋地钢质燃气管道的交流干扰
1.1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阻性耦合、容性耦合、感性耦合3种方式来进行。
（1）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。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“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。
（2）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。
（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，在导线周围即可产生交变磁场，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、管道周围的土壤电阻率、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，只存在着一定程度的阻性耦合干扰和感性耦合干扰。
1.2交流干扰的危害
交流电力线路对埋地钢制燃气管道的电磁影响主要涉及对人身安全的影响、对管道及其阴极保护设备安全的影响以及对管道的交流腐蚀等问题。
1.2.1对人身安全的影响
当管道与交流输电线路接近且输电线路正常运行时，线路中工作电流会通过磁耦合长时间在管道上产生纵向感应电动势，使得金属管道的对地电压升高。若该电压较高，可能影响施工、维修或测量人员的正常工作，当交流输电线路发生短路故障时，产生的交流干扰可能危及人身安全。
1.2.2 对管道安全影响
在管道的金属表面一般都会敷设防腐层，具有较高电阻和较高介电常数，以防止土壤中有害物质腐蚀金属管道。当交流输电线路发生短路故障时，短路电流通过感性耦合和阻性耦合的综合影响在管道上产生较高的对地电压，可能击穿防腐层。
1.2.3 对管道阴极保护设备影响
在管道上设置阴极保护设备是为避免防腐层漏敷及破损处的金属表面产生腐蚀。交流输电线路正常运行情况下，工作电流通过感性耦合在油气管道上产生电压，可能干扰强制电流阴极保护的恒电位仪和牺牲阳极阴极保护的牺牲阳极的正常工作。例如：强制电流阴极保护的KKG-3 型和KKG-3BG 型恒电位仪的抗交流干扰能力分别为12V 和30V；牺牲阳极阴极保护的镁牺牲阳极的抗交流干扰能力为10V。这在目前的新建管道已经几乎不适用。
1.2.4 管道的交流腐蚀
研究表明，管道的交流腐蚀主要发生在绝缘性能较高的涂层上。铺设在同一环境下的管道，当管道外防腐层选用石油沥青等级别的防腐层时，即便有交流干扰电压的产生，一者是由于其绝缘性能较低，所以干扰电压不会太高，另一方面则由于管道防腐层上所存在的较多的漏点而会使感应的交流电压随时排入地下，因此，管道反而不会产生交流腐蚀。
近几年国外的腐蚀调查报告中与研究文献中，每年都有大量有关交流腐蚀导致管线腐蚀的报道与案例。在国内的管道中，也同样存在交流腐蚀及电磁耦合对管道监测设施与阴极保护设施带来危害的案例。但是关于交流腐蚀的机理，目前尚未有统一的解释。国外研究表明，交流电流密度是决定交流腐蚀的一个主要因素而不是平常的交流电压。
虽然交流电流腐蚀可以通过提高阴极保护的保护电位得到抑制，在交流干扰下，阴极保护电位应控制在什么水平目前仍存在争议。之前，一般认为根据行业标准施加阴极保护，能有效控制交流腐蚀。然而最近国内外发现，虽然阴极保护电位有效在标准规定范围内，但由于交流干扰的存在，管道仍发生了腐蚀。研究还表明，但当交流电流密度较大时，增加阴极保护的保护电位可能导致PH值增加，减小涂层缺陷处的接触电阻，可能导致相反的作用——即加速腐蚀，其发生腐蚀的风险越高，与一般的理论相反。
二、 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。我国标准中规定：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
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
三、交流干扰的防护措施
3.1 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钢质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（ GB50028-2006 ）、《输气管道工程设计规范》（GB50251-2003）及《石油库设计规范》（GB50074-2002）。
3.2 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。
3.2.1尽量避开被干扰对象
在新建电气化铁路线路方案设计过程中，应以满足铁路功能定位为前提，合理选择走向，优化线路方案，尽量避开地埋金属管道，尤其是诸如西气东输这样的长大干线管道。一般认为，交流电气化铁路杂散电流干扰的判据如下：
（1）管道与交流电气化铁路牵引系统的距离大于1000m 时，接近长度不受限制，认为不受干扰；
（2）管道与交流电气化铁路牵引系统的距离小于1000m 时，如果两者接近长度小于1000m，或接触网上的电流不超过400A，发生短路事故时不超过10000A，则认为不受干扰。如果接近长度在1000m 到3000m 之间，在满足上述条件的同时，当管道距牵引变电所的围墙大于50m，距接触网支柱大于10m 时，也可认为管道不受干扰。
3.2.2 防护措施
随着电气化铁路和燃气管道建设里程的增加，以及受到地理环境的制约，不可避免会发生电气化铁路与管道平行接近或交叉，那么必须要有针对杂散电流对管道干扰的防护措施。
（1）对交流电气化铁路采取的措施
电气化铁路可采用带回流线的直接供电或自耦变压器供电方式。带回流线的直接供电方式使原来流经轨道、大地的回流，一部分改由架空回流线流回牵引变电所，其方向与接触网中电流方向相反，从而牵引网阻抗和轨道电位都有所降低。该方式的吸流效果比直接供电方式约增加10%-20%。自耦变压器供电方式（也称AT 供电方式），其吸流效果约为90%-95%，即地中电流约占接触网电流比例的5%-10%。此外，加强铁轨与枕木间的绝缘,以减少入地电流，也可以降低电气化铁路对埋地管道的阻性耦合干扰。
（2）对管道采取的措施
对于管道交流杂散电流干扰问题可采用的措施：
1）在有干扰的管段，加强防腐涂层质量，降低交流电气化铁路对管道的容性耦合干扰；
2）加大管道与铁路接地体的距离，并采取措施防止雷电或故障电流对管道的有害影响，降低阻性耦合干扰；
3）对管道本身采取接地排流，降低感性耦合烦扰。接地排流是将管道上感应的交流电排放到大地中去，消除交流电压对人身及设备的危害。一般接地体材料使用废钢即可，无特殊要求。但其接地电阻应尽可能小，可以通过增加接地体的并联根数，或采用盐等减阻剂进行处理，接地体埋设在管道一侧。接地排流一般分为直接接地排流、排流节排流和牺牲阳极排流。直接接地排流是将受干扰管道通过接地线直接与接地体相连，其优点是设备比较简单，缺点是阴极保护电流将在接地点入地，大大缩短保护距离，降低保护效果。如果将排流接地体直接与管道连接，由于接地电阻很小，保护电流流失，相当大面积的防腐层破坏，阴极保护电流量增加，以致破坏阴极保护正常运行，所以需要增加排流节。排流节排流又分为电容排流、二极管排流、钳位式排流和去耦合器排流。
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管道时，一般杂散电流很小，在埋地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力。
表3 埋地管道与交流接地体的安全距离
当电气化铁路与埋地管道近距离平行时，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函数。如表4所示。
表4 涂敷良好的管道与50HZ电气化铁路平行时的限制长度（km）
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，主要有固态去耦合器、钳位式排流器、电容排流器、二极管排流器。
其次，我国的排流技术经过长期进步，已经向微型化，智能化方向转变。排流设备从过去的人工采集数据，手工分析，再进行排流，已转变为能够在技术上实现实时采集、监制和排流一体化操作。纵观多数排流设备，大都利用硅二极管正向导通反向截止的特性，消除交流电压，对杂散电流进行极性排流，实现了自动排流和自动控制电流大小。其特点表现在：核心由单片机智能控制系统控制，数据传输、监测、分析同步进行；使用标准RS一485或RS一232串口；使用开放式通讯协议。
但是，目前的排流技术还存在如下问题：主要以直流排流为主，交流排流为辅；交流排流和混合排流研究少，检测和排流缺乏同步性；在排流过程中，没有排流效果反馈系统，排流误差较大；在进行排流电流整定后，固化不变，强电流流入大地时，只能局部保护管道，对防腐层破损的区域，将加速管道的腐蚀破坏；这些问题都需要腐蚀研究工作者深入解决。
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