慕進良　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API 5L X65，管徑610.0 mm，壁厚7.1 mm，外防腐層材質為3PE。在日常檢測中發現，該管道與某交流電氣化鐵路（2015年初建成并正式通車，總里程334.1 km，雙線一級，沿線有8座牽引變電站，客貨混運，設計行車速度160 km/h，每日開行列車約40對）距離較近的管段，當機車通過時，管道交流干擾電壓出現瞬間升高的情況。經調查統計，管道與電氣化鐵路間距不足1 km的近距離并行管段長度約80 km,部分管段間距不足50 m。為此，管道運營企業按照GB/T 50698-2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》對管道通電電位、斷電電位、自然電位、交流干擾電壓進行了24 h連續檢測，以評價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

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：將外部供電網的110 kv高壓交流電經牽引變電站轉換為25 kv工頻單相交流電，通過饋電線輸送至接觸網，電力機車通過受電弓引入電流后，通過鋼軌及回流線回流至牽引變電所。因鋼軌在地面敷設，鋼軌中的回流電流不可避免的會有一部分通過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：

（1）非線性。電力機車產生的電力牽引負荷為諧波型，每臺機車的功率都很大，大多數時間同一供電臂上會同時運行2~3臺電力機車，產生高達25 %~30 %的諧波電流畸變率。

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

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

（4）相位分布廣。單相整流負荷產生的諧波向量可以出現在復平面的四個象限之上，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。電容性耦合主要產生在管道施工期間，在本次評價中可不予考慮；本次評價主要考慮管道與電氣化鐵路長距離并行或斜接近時所產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、接近時產生的電阻性耦合干擾。

3  交流干擾的測試方法及評價準則

   交流干擾導致的管道腐蝕與交流電流密度有直接關系，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）；—破損點直徑（m）。

（注：值應取交流干擾電壓測試時測試點處與管道埋深相同的土壤電阻率實測值；值按發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《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》規定，當交流干擾程度判定為“強”時，應采取交流干擾防護措施；判定為“中”時，宜采取交流干擾防護措施；判定為“弱”時，可不采取交流干擾防護措施。

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

土壤電阻率采用“四極法”（溫納法）測量，測量時四支電極不能置于管道正上方，以免產生測量誤差。

本次評價過程中，采用數據采集儀對管道交流干擾電壓進行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自動存儲于存儲芯片內，并可導入計算機進行數據的后期分析和處理。測量點干擾電壓的最大值、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 —測量時間段內測量點交流干擾電壓有效值的平均值（V）；—測量時間段內測量點交流干擾電壓有效值的總和（V）；n—測量時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測試點（間隔1 km）均采用數據采集儀進行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-里程曲線圖，如圖2所示。

 

圖2 交流干擾電壓-里程分布曲線

 

    045、054、105三處具有典型特征測試點的基本信息如表2所示。

 

表2 各測試點基本信息

測試點	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24 h連續檢測得到的交流干擾電壓數據曲線見圖3、圖4、圖5。

 

圖3 045測試點24 h交流干擾曲線圖

 

圖4 054測試點24 h交流干擾曲線圖

 

圖5 105測試點24 h交流干擾曲線圖

 

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

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

   （2）045測試點距離鐵路較近，僅52 m。現場測量發現，電力機車通過該測試點附近時，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交流干擾曲線圖也可發現，當電力機車通過時，管道交流干擾電壓瞬間達到峰值；當電力機車遠離后，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測試點產生交流干擾的主要原因。

   （3）054測試點距離鐵路距離較遠，為571 m。現場測量發現，電力機車通過該測試點附近時，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交流干擾曲線可以發現，當干擾從剛發生、達到峰值并回落至無干擾的時間段內，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測試點受到交流干擾的主要原因。

（4）105測試點距離鐵路距離較遠，為1 083 m,但附近存在一處鐵路牽引變電所。現場測量發現，測試點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交流干擾曲線可以發現，105測試點的交流干擾時間更長，干擾頻度明顯比045、054測試點大，交流干擾變化的規律也與電力機車是否通過測試點附近不具有明顯的相關性。由圖1交流電氣化鐵路供電方式可知，電力機車運行時大部分電流通過鐵軌回流至牽引變電站，牽引變電站接地網作為交流雜散電流的集中匯流點，地面交流電位梯度相較回路中其他位置會表現得更加明顯。因此，只要電力機車處于牽引變電站的供電回路范圍中，就可對105測試點造成明顯的干擾，且交流干擾時間更長、頻度更大，故電氣化鐵路對管道的電阻性耦合也是對105測試點產生交流干擾的主要原因。

（5）由圖2可以看出，各測試點交流干擾電壓24 h平均值均小于4 V，但部分測試點的峰值電壓較高，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，仍可能威脅現場管道操作人員的安全。

5  結論

本文通過對電氣化鐵路近距離并行對輸油管線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性，電力機車功率越大，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，鐵路與管道之間的電阻性耦合是對管道產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，無地電場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，表現出交流干擾時間更長、頻度更大、干擾變化規律與電力機車運行情況相關性不明顯的特點，作為交流雜散電流的主要流出點，應作為重點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去耦合器接地排流法,既經濟實用，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，避免潛在的觸電風險。 

作者：慕進良，男，1973年生，畢業于中國石油大學（華東），工學學士，工程師，中國石油西部管道塔里木輸油氣分公司副經理，從事油氣管道管理工作。

《管道保護》2017年第1期（總第32期）