慕進(jìn)良　王成　

西部管道塔里木輸油氣分公司

西部某原油管道總里程475 Km，管道材質(zhì)API 5L X65，管徑610.0 mm，壁厚7.1 mm，外防腐層材質(zhì)為3PE。在日常檢測中發(fā)現，該管道與某交流電氣化鐵路（2015年初建成并正式通車(chē)，總里程334.1 km，雙線(xiàn)一級，沿線(xiàn)有8座牽引變電站，客貨混運，設計行車(chē)速度160 km/h，每日開(kāi)行列車(chē)約40對）距離較近的管段，當機車(chē)通過(guò)時(shí)，管道交流干擾電壓出現瞬間升高的情況。經(jīng)調查統計，管道與電氣化鐵路間距不足1 km的近距離并行管段長(cháng)度約80 km,部分管段間距不足50 m。為此，管道運營(yíng)企業(yè)按照GB/T 50698-2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護技術(shù)標準》對管道通電電位、斷電電位、自然電位、交流干擾電壓進(jìn)行了24 h連續檢測，以評價(jià)電氣化鐵路對并行段管道的交流干擾程度，分析其影響規律。

1  電氣化鐵路供電方式及特點(diǎn)

該交流電氣化鐵路采用工頻單相25 kv交流制供電方式，其工作方式為：將外部供電網(wǎng)的110 kv高壓交流電經(jīng)牽引變電站轉換為25 kv工頻單相交流電，通過(guò)饋電線(xiàn)輸送至接觸網(wǎng)，電力機車(chē)通過(guò)受電弓引入電流后，通過(guò)鋼軌及回流線(xiàn)回流至牽引變電所。因鋼軌在地面敷設，鋼軌中的回流電流不可避免的會(huì )有一部分通過(guò)大地作為回路并最終流回牽引變電站，如圖1所示。

 

圖1 交流電氣化鐵路供電方式

電氣化鐵路的電力牽引負荷具有以下特點(diǎn)：

（1）非線(xiàn)性。電力機車(chē)產(chǎn)生的電力牽引負荷為諧波型，每臺機車(chē)的功率都很大，大多數時(shí)間同一供電臂上會(huì )同時(shí)運行2~3臺電力機車(chē)，產(chǎn)生高達25 %~30 %的諧波電流畸變率。

（2）不對稱(chēng)性和單相獨立性。對于三相對稱(chēng)的電力系統而言，采用單相整流負荷的電氣化鐵路會(huì )產(chǎn)生大量負序電流，具有不對稱(chēng)性與單相獨立性。

（3）波動(dòng)性。由于電力機車(chē)的電壓不穩定會(huì )導致負荷電流大幅度劇烈波動(dòng)，甚至會(huì )出現極短時(shí)間內從零躍升或是跌落至零。

（4）相位分布廣。單相整流負荷產(chǎn)生的諧波向量可以出現在復平面的四個(gè)象限之上，并且分布廣泛而均勻。

2  交流電氣化鐵路對管道干擾方式

 交流電氣化鐵路對埋地鋼質(zhì)管道的干擾方式主要有電容性耦合、電感性耦合和電阻性耦合3種。電容性耦合主要產(chǎn)生在管道施工期間，在本次評價(jià)中可不予考慮；本次評價(jià)主要考慮管道與電氣化鐵路長(cháng)距離并行或斜接近時(shí)所產(chǎn)生的電感性耦合干擾及管道靠近變電站的接地極或與電氣化鐵路交叉、接近時(shí)產(chǎn)生的電阻性耦合干擾。

3  交流干擾的測試方法及評價(jià)準則

   交流干擾導致的管道腐蝕與交流電流密度有直接關(guān)系，交流電流密度可按下式計算：

  

 式中：—評估的交流電流密度（A/m2）；—交流干擾電壓有效值的平均值（V）；

—土壤電阻率（Ω·m）；—破損點(diǎn)直徑（m）。

（注：值應取交流干擾電壓測試時(shí)測試點(diǎn)處與管道埋深相同的土壤電阻率實(shí)測值；值按發(fā)生交流腐蝕最嚴重考慮，取0.0113。）

管道受交流干擾的程度可按表1所列判斷指標進(jìn)行判定。

表1 交流干擾程度的判斷指標

交流干擾程度	弱	中	強
交流電流密度/A·m－2	＜30	30～100	＞100

根據GB/T 50698-2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護技術(shù)標準》規定，當交流干擾程度判定為“強”時(shí)，應采取交流干擾防護措施；判定為“中”時(shí)，宜采取交流干擾防護措施；判定為“弱”時(shí)，可不采取交流干擾防護措施。

由此可見(jiàn)，評價(jià)管道交流干擾程度需要現場(chǎng)測量管道交流干擾電壓有效值的平均值及管道埋設環(huán)境的土壤電阻率。

土壤電阻率采用“四極法”（溫納法）測量，測量時(shí)四支電極不能置于管道正上方，以免產(chǎn)生測量誤差。

本次評價(jià)過(guò)程中，采用數據采集儀對管道交流干擾電壓進(jìn)行24 h連續監測，采樣頻率為10 s/次，采樣精度為±20 mV。采集的交流干擾電壓數據會(huì )自動(dòng)存儲于存儲芯片內，并可導入計算機進(jìn)行數據的后期分析和處理。測量點(diǎn)干擾電壓的最大值、最小值，從已記錄的各次測量值中直接選擇。平均值按下式計算：

式中：U_P —測量時(shí)間段內測量點(diǎn)交流干擾電壓有效值的平均值（V）；—測量時(shí)間段內測量點(diǎn)交流干擾電壓有效值的總和（V）；n—測量時(shí)間段內讀數的總次數。

4  測試結果及分析

對管道與電氣化鐵路近距離并行的每個(gè)測試點(diǎn)（間隔1 km）均采用數據采集儀進(jìn)行24 h交流干擾電壓連續檢測，統計交流干擾最大值、最小值及平均值數據，并繪制了電壓-里程曲線(xiàn)圖，如圖2所示。

 

圖2 交流干擾電壓-里程分布曲線(xiàn)

 

    045、054、105三處具有典型特征測試點(diǎn)的基本信息如表2所示。

 

表2 各測試點(diǎn)基本信息

測試點(diǎn)	距鐵路距離/m	Vmax	Vmin	Vavg	土壤電阻率/ Ω·m	備注
045	52	14.74	0.21	0.75	21.35
054	571	20.36	0.29	1.78	33.91
105	1083	19.03	0.25	2.28	150.72	靠近牽引 變電站

    3處測試點(diǎn)24 h連續檢測得到的交流干擾電壓數據曲線(xiàn)見(jiàn)圖3、圖4、圖5。

 

圖3 045測試點(diǎn)24 h交流干擾曲線(xiàn)圖

 

圖4 054測試點(diǎn)24 h交流干擾曲線(xiàn)圖

 

圖5 105測試點(diǎn)24 h交流干擾曲線(xiàn)圖

 

根據以上測量數據，結合現場(chǎng)調查結果，可發(fā)現電氣化鐵路對該管道的交流干擾具有以下特點(diǎn)。

（1）上述3處測試點(diǎn)管道所受交流干擾呈現動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)，管道感應交流電壓的變化規律與列車(chē)運行規律具有明顯的相關(guān)性。當不同載重量的貨運、客運列車(chē)通過(guò)時(shí)，交流干擾的峰值電壓各不相同，載重量較大的貨運列車(chē)通過(guò)時(shí)往往峰值電壓較高。這表明電氣化鐵路對管道的干擾與其負載有明顯的相關(guān)性，負載越大，交流干擾越嚴重。

   （2）045測試點(diǎn)距離鐵路較近，僅52 m�，F場(chǎng)測量發(fā)現，電力機車(chē)通過(guò)該測試點(diǎn)附近時(shí)，垂直于管道向鐵軌方向20 m處測得的最大交流電位梯度達35 V。由圖3中的24 h交流干擾曲線(xiàn)圖也可發(fā)現，當電力機車(chē)通過(guò)時(shí)，管道交流干擾電壓瞬間達到峰值；當電力機車(chē)遠離后，管道交流干擾電壓瞬間回落。這表明電阻性耦合是電氣化鐵路對045測試點(diǎn)產(chǎn)生交流干擾的主要原因。

   （3）054測試點(diǎn)距離鐵路距離較遠，為571 m�，F場(chǎng)測量發(fā)現，電力機車(chē)通過(guò)該測試點(diǎn)附近時(shí)，垂直于管道向鐵軌方向20 m處測得的最大交流電位梯度為0.7 V。由圖4中的24 h交流干擾曲線(xiàn)可以發(fā)現，當干擾從剛發(fā)生、達到峰值并回落至無(wú)干擾的時(shí)間段內，管道交流干擾電壓變化相對緩慢。故電氣化鐵路對管道的電阻性耦合不是054測試點(diǎn)受到交流干擾的主要原因。

（4）105測試點(diǎn)距離鐵路距離較遠，為1 083 m,但附近存在一處鐵路牽引變電所�，F場(chǎng)測量發(fā)現，測試點(diǎn)附近至牽引變電所方向存在明顯的交流電位梯度。由圖5中的24 h交流干擾曲線(xiàn)可以發(fā)現，105測試點(diǎn)的交流干擾時(shí)間更長(cháng)，干擾頻度明顯比045、054測試點(diǎn)大，交流干擾變化的規律也與電力機車(chē)是否通過(guò)測試點(diǎn)附近不具有明顯的相關(guān)性。由圖1交流電氣化鐵路供電方式可知，電力機車(chē)運行時(shí)大部分電流通過(guò)鐵軌回流至牽引變電站，牽引變電站接地網(wǎng)作為交流雜散電流的集中匯流點(diǎn)，地面交流電位梯度相較回路中其他位置會(huì )表現得更加明顯。因此，只要電力機車(chē)處于牽引變電站的供電回路范圍中，就可對105測試點(diǎn)造成明顯的干擾，且交流干擾時(shí)間更長(cháng)、頻度更大，故電氣化鐵路對管道的電阻性耦合也是對105測試點(diǎn)產(chǎn)生交流干擾的主要原因。

（5）由圖2可以看出，各測試點(diǎn)交流干擾電壓24 h平均值均小于4 V，但部分測試點(diǎn)的峰值電壓較高，最高達到28 V。按照國家標準GB/T 50698的規定，平均交流干擾電壓小于4 V，可不采取防護措施，但因峰值電壓較高，仍可能威脅現場(chǎng)管道操作人員的安全。

5  結論

本文通過(guò)對電氣化鐵路近距離并行對輸油管線(xiàn)交流干擾的檢測與分析，得出以下結論。

（1）油氣管道受交流雜散電流干擾規律與電氣化鐵路運行規律具有明顯的相關(guān)性，電力機車(chē)功率越大，對附近管道的交流干擾越大。

（2）油氣管道與電氣化鐵路近距離并行時(shí)，鐵路與管道之間的電阻性耦合是對管道產(chǎn)生交流干擾的主要原因，電容性和電感性耦合現象不明顯。距離電氣化鐵路較遠，無(wú)地電場(chǎng)影響的管段受到的交流干擾主要是交流干擾傳導導致的。

    （3）距離鐵路牽引變電站較近的管段，表現出交流干擾時(shí)間更長(cháng)、頻度更大、干擾變化規律與電力機車(chē)運行情況相關(guān)性不明顯的特點(diǎn)，作為交流雜散電流的主要流出點(diǎn)，應作為重點(diǎn)防護區域采取交流排流防護措施。目前普遍采用的交流排流方式為固態(tài)去耦合器接地排流法,既經(jīng)濟實(shí)用，又不影響現有陰極保護系統。

（4）為保證管道操作人員的人身安全，建議在峰值電壓大于15 V的測試點(diǎn)設置均壓柵等防護裝置，使地表與管道保持同一電壓，從而消除接觸電壓和跨步電壓，避免潛在的觸電風(fēng)險。 

作者：慕進(jìn)良，男，1973年生，畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東），工學(xué)學(xué)士，工程師，中國石油西部管道塔里木輸油氣分公司副經(jīng)理，從事油氣管道管理工作。

《管道保護》2017年第1期（總第32期）