郭强 刘卿 刘彤 陈永理

国家管网集团北京管道北京输油气分公司

 

摘要：交流电气化铁路与埋地管道之间交叉穿越或并行的敷设方式，会使管道受到电磁干扰的影响而发生交流腐蚀。以北京某交流电气化铁路与沿线某长输天然气管线形成“公共走廊”为背景，建立计算仿真模型，探索交流电气化铁路对管道干扰的规律，从人身安全风险、管道腐蚀风险以及管道涂层击穿破损风险三个方面定量计算该铁路在不同运营情况下对埋地管道产生的电磁干扰影响。

关键词：天然气管道；交流干扰；电气化铁路；交流腐蚀

 

北京轨道交通某号线与邻近某天然气管道形成“公共走廊”，管道沿线与该轨道双线存在86°夹角的路由交叉。为确保交流电气化铁路各种运行状态下邻近管道系统的安全性，开展交流电气化铁路对埋地管道的电磁干扰研究工作，通过建立轨道交通与某天然气管道“公共走廊”干扰模型，计算并分析轨道交通在不同运营情况下的人身安全风险、管道腐蚀风险以及管道涂层击穿破损风险。

1  “公共走廊”计算模型

1.1  天然气管道模型参数

某天然气管道全长75.6 km，途经3座站场。管道采用外加电流阴极保护和外防腐涂层联合方式进行管道的腐蚀防护。防腐层为3PE材质，厚度3 mm，面电阻率100 000 m²。管径1016 mm，壁厚26.2 mm，平均埋深3 m，管材X70钢，设计压力10 MPa。管道在B分输站进行绝缘，其中A分输站至B分输站（38.5 km）、B分输站至C分输站（37.1 km）分别为电连续段。

1.2  轨道交通模型参数

北京轨道交通某号线，线路长约74 km，整体呈东西走向，采用带回流线的直接供电（DN式）模式。单列机车稳定运行电流为309 A。接触网和钢轨发生短路故障情况下，短路电流最大为5.8 kA。故障清除时间0.1 s。计算模型包含一个供电臂区间长度约29.0348 km的牵引变电所。

1.3  环境模型参数

“公共走廊”范围内沿线共有12个排流桩。管道沿线土壤电阻率介于15.1 Ω·m～305.2 Ω·m之间，为不失一般性，模型中所采取平均土壤电阻率为63.686 Ω·m。

1.4  “公共走廊”计算模型构建

基于CDEGS计算软件建立交流干扰源与管道相对位置的模型，输入干扰源与管道参数，进行模拟计算分析从而得出所需结果。根据实际情况建立计算模型（图 1），整个模型中包括了轨道交通和管道系统实际路由。模型采用的各参数均基于实际资料选取，从而可以准确反映现场实际情况。

图 1 计算机仿真模拟模型： X-Y平面图

1.5  数值模拟运行工况分析

（1）北京轨道交通最大时速范围为120 km/h ～160 km/h，单线单车工况下，为满足机车运行对管道的交流干扰的评估要求，同时考虑计算体量，在长度约29.0348 km的供电区间线路设置30个机车位置进行模拟，即监测间隔约1 km。

（2）按轻轨3 min/次的发车频率以及120 km/h的时速进行计算，前后两车间距为6 km，考虑轻轨加速和减速阶段，计算结果保守考虑选择两车之间间隔为3 km，因此单个供电区间长度每线大约10辆同时在运行，故在双线多车工况下，选择每线10车进行模拟。

2  交流干扰评价标准

电气化铁路对管道的电磁影响主要涉及人身安全、管道涂层击穿以及管道交流腐蚀等问题。

2.1  人身安全标准

（1）电气化铁路正常通车时的人身安全电压。根据NACE SP 0177标准，对于电气化铁路正常通车进行安全评估采用15 V这一安全指标。

（2）电气化铁路接触线和钢轨短路故障时的人身安全电压。故障情况下采用的评估标准为GB/T 50065―2011《交流电气装置的接地设计规范》，其安全限值计算如下：

故障清除时间即接地故障电流持续时间 t s ：0.1 s（电气化铁路）。

基于式（1）和式（2）计算接触电压和跨步电压的允许值。

式中， Ut 为接触电位差允许值，V；Us 为跨步电位差允许值，V；ρs 为地表层的电阻率，Ω·m； Cs 为表层衰减系数； t s 为接地故障电流持续时间，s。

表层衰减系数CS 计算如式（3）：

其中，ρs 为地表层电阻率，Ω·m；P为地表层下面的电阻率，Ω·m；hs为表层厚度。

计算得到不同金属凸出物的安全限值，表层土壤电阻率63.6 Ω·m，接触电压允许值584.47 V，跨步电压允许值691.21 V。

2.2  管道涂层安全电压限值

当电气化铁路发生短路故障时，短路电流通过感性耦合和阻性耦合的综合影响在管道防腐层两侧产生较高的电压，可能击穿防腐层。允许的短时涂层电压按照限值5000 V进行评价。

2.3  管道交流腐蚀风险限值

依据SY/T 0087.6―2021《钢质管道及储罐腐蚀评价标准 第6部分：埋地钢质管道交流干扰腐蚀评价》，当交流电流密度未超过30 A/m²时，交流腐蚀风险为“弱”。参考该标准，选取交流电流密度30 A/m²作为缓解交流腐蚀风险的限值。

3  轨道交通单线单车行驶干扰情况

3.1  模拟管道涂层缺陷破损点

在CDEGS软件中，将涂层小缺陷破损孔模拟为一个圆柱状的金属板，破损点对地电阻（即涂层破损点的等效电阻）可以通过电流密度理论获得。

管道在63.686 Ω·m土壤里，1 cm²涂层小缺陷破损孔的等效电阻按式（4）计算：

即圆柱形小缺陷孔总有效电阻为2843.13 Ω。

3.2  交流干扰情况

轨道交通上行方向单线单车行驶。基于CDEGS软件绘制管道沿线的不同交流干扰电压分布曲线，提取机车处于30个不同位置时管道沿线各个位置的交流干扰电压最大值绘制最大交流干扰包络线，最大值出现轨道交通与埋地管道交叉的位置，在B分输站绝缘接头的位置有峰值回转现象。管道沿线最大交流干扰电压为0.507 V，远小于安全限值15 V标准。管道沿线最大涂层电压为0.639 V，远小于安全限值15 V标准；地面可接触物体（如测试桩、阀室等）的最大接触电压为0.751 V，也未超过安全限值15 V标准。流过1 cm²缺陷孔的最大泄漏电流密度为1.795 A/m²，低于30 A/m²，交流腐蚀风险为低（图 2）。

图 2 管道里程分布最大包络线

轨道交通下行方向单线单车行驶。管道沿线最大交流干扰电压为0.510 V，管道沿线最大涂层电压为0.631 V，地面可接触物体（如测试桩、阀室等）的最大接触电压为0.74 V，均未超过安全限值。流过1 cm²缺陷孔的最大泄漏电流密度为1.805 A/m²，低于30 A/m²，交流腐蚀风险为低。

4  单线接触线与钢轨短路故障干扰情况

由前文单线单车在每个位置对管道的交流干扰水平来看，机车从G1点至G30点位依次移动时，管线交流干扰最大值逐渐减小，因此单线接触线与钢轨短路故障选择在G1点；交流干扰最大值出现在管道与轻轨交叉的位置附近，即交叉位置为重点观测点；最后一处故障位置选择供电区间端点G30作为对比。

轨道交通上、下行方向，接触线与铁轨短路故障在三种不同点位时，计算出埋地管道沿线最大涂层电压及地面可接触物体（如测试桩、阀室等）的最大接触电压（表 1）。三种故障工况下，埋地管道沿线最大涂层电压均远小于安全限值5 kV标准，地面可接触物体（如测试桩、阀室等）的最大接触电压也均未超过安全限值584.47 V。

表 1 机车在不同点位出现故障的交流腐蚀风险情况

5  双线多车管道交流干扰情况

（1）双线多车正常运行情况。当该轨道上下行方向双线各有10辆车在运行的情况下，管道沿线最大交流干扰电压为2.999 V，管道沿线最大涂层电压为3.594 V，地面可接触物体（如测试桩、阀室等）的最大接触电压为4.218 V，均未超过安全限值。流过1 cm²缺陷孔的最大泄漏电流密度为10.615 A/m²，交流腐蚀风险为低。

（2）管道原有交流干扰与轻轨干扰线性叠加。该埋地管道沿线除轨道交通干扰外，还有输电线路等其他干扰源，对管道沿线测试桩位置交流电压、排流地床交流电位、地床接地电阻、开路电位进行复测，作为其他交流干扰源的原始干扰，与轨道交通的干扰水平进行线性叠加情况下，交流干扰电压最大为5.043 V，小于安全限值；流过1 cm²缺陷孔的最大泄漏电流密度叠加后为17.854 A/m²，交流腐蚀风险为低。

6  结论

（1）交流干扰电压最大值出现轨道交通与埋地管道交叉的位置，在B分输站绝缘接头的位置有峰值回转。

（2）轨道交通在不同运行工况下，对某埋地天然气管道的交流干扰均满足相关标准要求，无需额外设置防护措施。

（3）根据上述交流干扰计算结果，建议在轨道交通线与某埋地管道交叉位置（即干扰电压最大峰值位置）及其上下游安装智能测试桩1～3处，实现对最大干扰管段的交流干扰水平进行定期监测，方便管道管理单位根据干扰情况的发展变化及时识别管道交流干扰风险。

 

作者简介：郭强，1987年生，本科，中级工程师，现任北京输油气分公司管道部主任，主要从事管道保护及管道完整性管理工作。联系方式：18600105001，615358797@qq.com。