慕进良　王成　

西部管道塔里木输油气分公司

西部某原油管道总里程475 Km，管道材质API 5L X65，管径610.0 mm，壁厚7.1 mm，外防腐层材质为3PE。在日常检测中发现，该管道与某交流电气化铁路（2015年初建成并正式通车，总里程334.1 km，双线一级，沿线有8座牵引变电站，客货混运，设计行车速度160 km/h，每日开行列车约40对）距离较近的管段，当机车通过时，管道交流干扰电压出现瞬间升高的情况。经调查统计，管道与电气化铁路间距不足1 km的近距离并行管段长度约80 km,部分管段间距不足50 m。为此，管道运营企业按照GB/T 50698-2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》对管道通电电位、断电电位、自然电位、交流干扰电压进行了24 h连续检测，以评价电气化铁路对并行段管道的交流干扰程度，分析其影响规律。

1  电气化铁路供电方式及特点

该交流电气化铁路采用工频单相25 kv交流制供电方式，其工作方式为：将外部供电网的110 kv高压交流电经牵引变电站转换为25 kv工频单相交流电，通过馈电线输送至接触网，电力机车通过受电弓引入电流后，通过钢轨及回流线回流至牵引变电所。因钢轨在地面敷设，钢轨中的回流电流不可避免的会有一部分通过大地作为回路并最终流回牵引变电站，如图1所示。

 

图1 交流电气化铁路供电方式

电气化铁路的电力牵引负荷具有以下特点：

（1）非线性。电力机车产生的电力牵引负荷为谐波型，每台机车的功率都很大，大多数时间同一供电臂上会同时运行2~3台电力机车，产生高达25 %~30 %的谐波电流畸变率。

（2）不对称性和单相独立性。对于三相对称的电力系统而言，采用单相整流负荷的电气化铁路会产生大量负序电流，具有不对称性与单相独立性。

（3）波动性。由于电力机车的电压不稳定会导致负荷电流大幅度剧烈波动，甚至会出现极短时间内从零跃升或是跌落至零。

（4）相位分布广。单相整流负荷产生的谐波向量可以出现在复平面的四个象限之上，并且分布广泛而均匀。

2  交流电气化铁路对管道干扰方式

 交流电气化铁路对埋地钢质管道的干扰方式主要有电容性耦合、电感性耦合和电阻性耦合3种。电容性耦合主要产生在管道施工期间，在本次评价中可不予考虑；本次评价主要考虑管道与电气化铁路长距离并行或斜接近时所产生的电感性耦合干扰及管道靠近变电站的接地极或与电气化铁路交叉、接近时产生的电阻性耦合干扰。

3  交流干扰的测试方法及评价准则

   交流干扰导致的管道腐蚀与交流电流密度有直接关系，交流电流密度可按下式计算：

  

 式中：—评估的交流电流密度（A/m2）；—交流干扰电压有效值的平均值（V）；

—土壤电阻率（Ω·m）；—破损点直径（m）。

（注：值应取交流干扰电压测试时测试点处与管道埋深相同的土壤电阻率实测值；值按发生交流腐蚀最严重考虑，取0.0113。）

管道受交流干扰的程度可按表1所列判断指标进行判定。

表1 交流干扰程度的判断指标

交流干扰程度	弱	中	强
交流电流密度/A·m－2	＜30	30～100	＞100

根据GB/T 50698-2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》规定，当交流干扰程度判定为“强”时，应采取交流干扰防护措施；判定为“中”时，宜采取交流干扰防护措施；判定为“弱”时，可不采取交流干扰防护措施。

由此可见，评价管道交流干扰程度需要现场测量管道交流干扰电压有效值的平均值及管道埋设环境的土壤电阻率。

土壤电阻率采用“四极法”（温纳法）测量，测量时四支电极不能置于管道正上方，以免产生测量误差。

本次评价过程中，采用数据采集仪对管道交流干扰电压进行24 h连续监测，采样频率为10 s/次，采样精度为±20 mV。采集的交流干扰电压数据会自动存储于存储芯片内，并可导入计算机进行数据的后期分析和处理。测量点干扰电压的最大值、最小值，从已记录的各次测量值中直接选择。平均值按下式计算：

式中：U_P —测量时间段内测量点交流干扰电压有效值的平均值（V）；—测量时间段内测量点交流干扰电压有效值的总和（V）；n—测量时间段内读数的总次数。

4  测试结果及分析

对管道与电气化铁路近距离并行的每个测试点（间隔1 km）均采用数据采集仪进行24 h交流干扰电压连续检测，统计交流干扰最大值、最小值及平均值数据，并绘制了电压-里程曲线图，如图2所示。

 

图2 交流干扰电压-里程分布曲线

 

    045、054、105三处具有典型特征测试点的基本信息如表2所示。

 

表2 各测试点基本信息

测试点	距铁路距离/m	Vmax	Vmin	Vavg	土壤电阻率/ Ω·m	备注
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	靠近牵引 变电站

    3处测试点24 h连续检测得到的交流干扰电压数据曲线见图3、图4、图5。

 

图3 045测试点24 h交流干扰曲线图

 

图4 054测试点24 h交流干扰曲线图

 

图5 105测试点24 h交流干扰曲线图

 

根据以上测量数据，结合现场调查结果，可发现电气化铁路对该管道的交流干扰具有以下特点。

（1）上述3处测试点管道所受交流干扰呈现动态变化特点，管道感应交流电压的变化规律与列车运行规律具有明显的相关性。当不同载重量的货运、客运列车通过时，交流干扰的峰值电压各不相同，载重量较大的货运列车通过时往往峰值电压较高。这表明电气化铁路对管道的干扰与其负载有明显的相关性，负载越大，交流干扰越严重。

   （2）045测试点距离铁路较近，仅52 m。现场测量发现，电力机车通过该测试点附近时，垂直于管道向铁轨方向20 m处测得的最大交流电位梯度达35 V。由图3中的24 h交流干扰曲线图也可发现，当电力机车通过时，管道交流干扰电压瞬间达到峰值；当电力机车远离后，管道交流干扰电压瞬间回落。这表明电阻性耦合是电气化铁路对045测试点产生交流干扰的主要原因。

   （3）054测试点距离铁路距离较远，为571 m。现场测量发现，电力机车通过该测试点附近时，垂直于管道向铁轨方向20 m处测得的最大交流电位梯度为0.7 V。由图4中的24 h交流干扰曲线可以发现，当干扰从刚发生、达到峰值并回落至无干扰的时间段内，管道交流干扰电压变化相对缓慢。故电气化铁路对管道的电阻性耦合不是054测试点受到交流干扰的主要原因。

（4）105测试点距离铁路距离较远，为1 083 m,但附近存在一处铁路牵引变电所。现场测量发现，测试点附近至牵引变电所方向存在明显的交流电位梯度。由图5中的24 h交流干扰曲线可以发现，105测试点的交流干扰时间更长，干扰频度明显比045、054测试点大，交流干扰变化的规律也与电力机车是否通过测试点附近不具有明显的相关性。由图1交流电气化铁路供电方式可知，电力机车运行时大部分电流通过铁轨回流至牵引变电站，牵引变电站接地网作为交流杂散电流的集中汇流点，地面交流电位梯度相较回路中其他位置会表现得更加明显。因此，只要电力机车处于牵引变电站的供电回路范围中，就可对105测试点造成明显的干扰，且交流干扰时间更长、频度更大，故电气化铁路对管道的电阻性耦合也是对105测试点产生交流干扰的主要原因。

（5）由图2可以看出，各测试点交流干扰电压24 h平均值均小于4 V，但部分测试点的峰值电压较高，最高达到28 V。按照国家标准GB/T 50698的规定，平均交流干扰电压小于4 V，可不采取防护措施，但因峰值电压较高，仍可能威胁现场管道操作人员的安全。

5  结论

本文通过对电气化铁路近距离并行对输油管线交流干扰的检测与分析，得出以下结论。

（1）油气管道受交流杂散电流干扰规律与电气化铁路运行规律具有明显的相关性，电力机车功率越大，对附近管道的交流干扰越大。

（2）油气管道与电气化铁路近距离并行时，铁路与管道之间的电阻性耦合是对管道产生交流干扰的主要原因，电容性和电感性耦合现象不明显。距离电气化铁路较远，无地电场影响的管段受到的交流干扰主要是交流干扰传导导致的。

    （3）距离铁路牵引变电站较近的管段，表现出交流干扰时间更长、频度更大、干扰变化规律与电力机车运行情况相关性不明显的特点，作为交流杂散电流的主要流出点，应作为重点防护区域采取交流排流防护措施。目前普遍采用的交流排流方式为固态去耦合器接地排流法,既经济实用，又不影响现有阴极保护系统。

（4）为保证管道操作人员的人身安全，建议在峰值电压大于15 V的测试点设置均压栅等防护装置，使地表与管道保持同一电压，从而消除接触电压和跨步电压，避免潜在的触电风险。 

作者：慕进良，男，1973年生，毕业于中国石油大学（华东），工学学士，工程师，中国石油西部管道塔里木输油气分公司副经理，从事油气管道管理工作。

《管道保护》2017年第1期（总第32期）