電氣化鐵路沿線油氣管道及罐區(qū)的電磁防護(hù)
摘 要：鐵路是國家的重要基礎(chǔ)設(shè)施，大眾化的交通工具和綜合運(yùn)輸體系的骨干，肩負(fù)著為全面建設(shè)小康社會提供運(yùn)力支持，當(dāng)好國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展先行的重任。隨著《中國鐵路中長期發(fā)展規(guī)劃》的出臺，各地紛紛興起高鐵投資熱潮。至2020年，中國將建成“四縱四橫”高鐵網(wǎng)，貫穿環(huán)渤海地區(qū)、長三角、珠三角三大城市群，這意味著，我國已正式步入高鐵時代！
一、電氣化鐵路對埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖慕涣鞲蓴_
1.1交流干擾的產(chǎn)生
按照電磁場理論分析，強(qiáng)電線路（含電氣化鐵路牽引系統(tǒng)）對金屬管道的交流干擾主要是通過阻性耦合、容性耦合、感性耦合3種方式來進(jìn)行。
（1）阻性耦合的產(chǎn)生
阻性耦合主要是由于故障電流和雜散電流流過干擾源的接地體，造成大地電位上升，當(dāng)管道通過這個區(qū)域時，管道本身相當(dāng)于遠(yuǎn)方零電位，這樣就在管道上產(chǎn)生一個電壓差，以離接地體最近為最高。上產(chǎn)生一個電壓差，以離接地體最近為最高。
在正常供電方式時，干擾源雜散電流一般很小，但對“二線一地”或“一線一地”的供電方式，其接地極是工作電流的通道，當(dāng)管道靠近接地電極時，由于金屬管道本身良好的導(dǎo)電性能，管道上將有雜散電流存在。
在故障情況下，由于故障電流引起的大地電位上升是很危險(xiǎn)的。由于故障電流大，幾百安培或幾千安培通過接地體入地，在其周圍形成一個強(qiáng)大電場，它可能產(chǎn)生電弧燒穿金屬管道，擊毀管道防腐絕緣層和陰極保護(hù)設(shè)備，當(dāng)強(qiáng)大的電場作用在管道覆蓋層的缺陷處時更會導(dǎo)致電弧的形成，當(dāng)電弧達(dá)到足夠的量和較長時間的流通時便會造成鋼管融化。如果鋼管離接地體的距離太小，可能會直接引起相當(dāng)于高電流的電弧擊穿，而鋼管上的覆蓋層限制了電弧的轉(zhuǎn)移，這樣，電弧作用集中在微小的一塊面積上，增加了融化的危險(xiǎn)。
（2）容性耦合的產(chǎn)生
容性耦合是由于交流電場的影響在導(dǎo)體中產(chǎn)生的電位而形成的。容性耦合主要發(fā)生在管道施工期間，因?yàn)楣艿辣旧韼в蟹栏^緣層，使得輸電系統(tǒng)的相線和管道、管道和大地之間存在電容，如果輸電線路和金屬管道平行，管道就有可能存在容性耦合電壓。
（3）感性耦合的產(chǎn)生
感性耦合是當(dāng)管道和強(qiáng)電線路近距離平行接近或斜接近時，當(dāng)電流在一條相導(dǎo)線中流動時，在導(dǎo)線周圍即可產(chǎn)生交變磁場，該磁場作用在管道上產(chǎn)生干擾電壓。在三相輸電系統(tǒng)中，若三相電流相等，且三相架空導(dǎo)線與管道軸線距離相等，則在管道上產(chǎn)生的綜合感應(yīng)電壓為零。但在大多數(shù)結(jié)構(gòu)中，三相導(dǎo)線與管道是不對稱的，管道中會形成一定的感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓的大小和平行于強(qiáng)電線路的管道長度、輸電線路不平衡電流的大小、輸電線路的頻率、導(dǎo)線和線路的距離、管道覆蓋層的電阻、管道周圍的土壤電阻率、管道的縱線電阻、干擾源的系統(tǒng)性質(zhì)等有關(guān)。
根據(jù)上述分析，當(dāng)管道埋入地下后，電氣化鐵路對鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖娜菪择詈细蓴_可以忽略不計(jì)，只存在著一定程度的阻性耦合干擾和感性耦合干擾。
1.2交流干擾的危害
交流電力線路對埋地鋼制燃?xì)夤艿赖碾姶庞绊懼饕婕皩θ松戆踩挠绊�、對管道及其陰極保護(hù)設(shè)備安全的影響以及對管道的交流腐蝕等問題。
1.2.1對人身安全的影響
當(dāng)管道與交流輸電線路接近且輸電線路正常運(yùn)行時，線路中工作電流會通過磁耦合長時間在管道上產(chǎn)生縱向感應(yīng)電動勢，使得金屬管道的對地電壓升高。若該電壓較高，可能影響施工、維修或測量人員的正常工作，當(dāng)交流輸電線路發(fā)生短路故障時，產(chǎn)生的交流干擾可能危及人身安全。
1.2.2 對管道安全影響
在管道的金屬表面一般都會敷設(shè)防腐層，具有較高電阻和較高介電常數(shù)，以防止土壤中有害物質(zhì)腐蝕金屬管道。當(dāng)交流輸電線路發(fā)生短路故障時，短路電流通過感性耦合和阻性耦合的綜合影響在管道上產(chǎn)生較高的對地電壓，可能擊穿防腐層。
1.2.3 對管道陰極保護(hù)設(shè)備影響
在管道上設(shè)置陰極保護(hù)設(shè)備是為避免防腐層漏敷及破損處的金屬表面產(chǎn)生腐蝕。交流輸電線路正常運(yùn)行情況下，工作電流通過感性耦合在油氣管道上產(chǎn)生電壓，可能干擾強(qiáng)制電流陰極保護(hù)的恒電位儀和犧牲陽極陰極保護(hù)的犧牲陽極的正常工作。例如：強(qiáng)制電流陰極保護(hù)的KKG-3 型和KKG-3BG 型恒電位儀的抗交流干擾能力分別為12V 和30V；犧牲陽極陰極保護(hù)的鎂犧牲陽極的抗交流干擾能力為10V。這在目前的新建管道已經(jīng)幾乎不適用。
1.2.4 管道的交流腐蝕
研究表明，管道的交流腐蝕主要發(fā)生在絕緣性能較高的涂層上。鋪設(shè)在同一環(huán)境下的管道，當(dāng)管道外防腐層選用石油瀝青等級別的防腐層時，即便有交流干擾電壓的產(chǎn)生，一者是由于其絕緣性能較低，所以干擾電壓不會太高，另一方面則由于管道防腐層上所存在的較多的漏點(diǎn)而會使感應(yīng)的交流電壓隨時排入地下，因此，管道反而不會產(chǎn)生交流腐蝕。
近幾年國外的腐蝕調(diào)查報(bào)告中與研究文獻(xiàn)中，每年都有大量有關(guān)交流腐蝕導(dǎo)致管線腐蝕的報(bào)道與案例。在國內(nèi)的管道中，也同樣存在交流腐蝕及電磁耦合對管道監(jiān)測設(shè)施與陰極保護(hù)設(shè)施帶來危害的案例。但是關(guān)于交流腐蝕的機(jī)理，目前尚未有統(tǒng)一的解釋。國外研究表明，交流電流密度是決定交流腐蝕的一個主要因素而不是平常的交流電壓。
雖然交流電流腐蝕可以通過提高陰極保護(hù)的保護(hù)電位得到抑制，在交流干擾下，陰極保護(hù)電位應(yīng)控制在什么水平目前仍存在爭議。之前，一般認(rèn)為根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)施加陰極保護(hù)，能有效控制交流腐蝕。然而最近國內(nèi)外發(fā)現(xiàn)，雖然陰極保護(hù)電位有效在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)，但由于交流干擾的存在，管道仍發(fā)生了腐蝕。研究還表明，但當(dāng)交流電流密度較大時，增加陰極保護(hù)的保護(hù)電位可能導(dǎo)致PH值增加，減小涂層缺陷處的接觸電阻，可能導(dǎo)致相反的作用——即加速腐蝕，其發(fā)生腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)越高，與一般的理論相反。
二、 埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿澜涣鞲蓴_判斷指標(biāo)
能最直接反映出電氣化鐵路對埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿澜涣鞲蓴_腐蝕的是交流雜散電流的大小，但由于實(shí)際條件限制，電氣化鐵路交流雜散電流無法直接測出。因此，管道受干擾腐蝕程度的主要判據(jù)為管地電位差、土壤電位梯度，該方法稱為電氣判別法。其中管地電位是最重要的參數(shù)，因?yàn)樗瓤梢苑从彻艿赖母g特性，又可以反映雜散電流的干擾特性。
在沒有增加電流源的情況下，管地電位的提高是雜散電流進(jìn)入點(diǎn)的跡象，管地電位的下降通常為雜散電流放電點(diǎn)的指示。通過電壓測量發(fā)現(xiàn)管地電位不穩(wěn)定、管地電位嚴(yán)重偏離正常值或土壤電位梯度反常等問題時，說明有雜散電流存在，并通過土壤電位梯度能夠分析出雜散電流流入、流出點(diǎn)及電流大小。
對電氣化鐵路而言，管地電位隨機(jī)車負(fù)荷變化，機(jī)車運(yùn)行時管地電位交變激烈，但深夜時波動可能明顯減弱。陰極保護(hù)系統(tǒng)等的干擾比較穩(wěn)定，所以，引起管地電位的變化亦很穩(wěn)定，在機(jī)車停運(yùn)時，干擾則消失。因此，埋地管道受到干擾與否，通常用管地電位的變化來進(jìn)行判定。我國標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：對于交流干擾，當(dāng)管道任意點(diǎn)上管地電位持續(xù)1V以上時，確定為存在交流干擾；當(dāng)中性土壤中的管道任意點(diǎn)上管地交流電位持續(xù)高于8V、堿性土壤中高于10V或酸性土壤中高于6V時，管道應(yīng)采取交流排流保護(hù)或相應(yīng)的其它保護(hù)措施。具體干擾程度判定指標(biāo)見表1。
表1 埋地管道交流干擾判定指標(biāo)
另外，土壤中若存在大量雜散電流，必然會引起大地電位梯度的變化。因此，可根據(jù)地電位梯度來判定土壤中是否存在雜散電流及其嚴(yán)重程度，并據(jù)此推斷管道受干擾的可能性。地電位梯度與雜散電流干擾強(qiáng)度的關(guān)系見表2。
表2 地電位梯度與雜散電流干擾強(qiáng)度的關(guān)系
三、交流干擾的防護(hù)措施
3.1 相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)
目前，國內(nèi)已制定管道交流干擾保護(hù)的相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，在電氣化鐵路和埋地鋼質(zhì)管道建設(shè)過程中主要采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：《埋地鋼質(zhì)管道交流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》SY/T0032-2000、《交流電氣化鐵道對油（氣）管道（含油庫）的影響容許值及防護(hù)措施》TB/T2832-1997、《油氣管道管理與維護(hù)規(guī)程》（Q/SY GD0008－2001）、《鋼質(zhì)管道穿越鐵路和公路推薦做法》SY/T 0325-2001 、《原油、天然氣長輸管道與鐵路相互關(guān)系的若干規(guī)定》（石油部（87）油建第505 號文、鐵道部鐵基（1987）780 號文）、《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)（ GB50028-2006 ）、《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50251-2003）及《石油庫設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50074-2002）。
3.2 防護(hù)措施
總體來說，對交流干擾的防護(hù)，鐵路方面可采取盡量減少電流流失的相關(guān)措施；管道方面可采取屏蔽、分段隔離、直接接地、鉗位式排流等綜合治理措施。目前，對交流干擾的防護(hù)已向干擾方、被干擾方及其他有關(guān)方面按“四統(tǒng)一分”（統(tǒng)一測試、統(tǒng)一設(shè)計(jì)、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一評價(jià)、分別實(shí)施）原則聯(lián)合防護(hù)的方向發(fā)展。
3.2.1盡量避開被干擾對象
在新建電氣化鐵路線路方案設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)以滿足鐵路功能定位為前提，合理選擇走向，優(yōu)化線路方案，盡量避開地埋金屬管道，尤其是諸如西氣東輸這樣的長大干線管道。一般認(rèn)為，交流電氣化鐵路雜散電流干擾的判據(jù)如下：
（1）管道與交流電氣化鐵路牽引系統(tǒng)的距離大于1000m 時，接近長度不受限制，認(rèn)為不受干擾；
（2）管道與交流電氣化鐵路牽引系統(tǒng)的距離小于1000m 時，如果兩者接近長度小于1000m，或接觸網(wǎng)上的電流不超過400A，發(fā)生短路事故時不超過10000A，則認(rèn)為不受干擾。如果接近長度在1000m 到3000m 之間，在滿足上述條件的同時，當(dāng)管道距牽引變電所的圍墻大于50m，距接觸網(wǎng)支柱大于10m 時，也可認(rèn)為管道不受干擾。
3.2.2 防護(hù)措施
隨著電氣化鐵路和燃?xì)夤艿澜ㄔO(shè)里程的增加，以及受到地理環(huán)境的制約，不可避免會發(fā)生電氣化鐵路與管道平行接近或交叉，那么必須要有針對雜散電流對管道干擾的防護(hù)措施。
（1）對交流電氣化鐵路采取的措施
電氣化鐵路可采用帶回流線的直接供電或自耦變壓器供電方式。帶回流線的直接供電方式使原來流經(jīng)軌道、大地的回流，一部分改由架空回流線流回牽引變電所，其方向與接觸網(wǎng)中電流方向相反，從而牽引網(wǎng)阻抗和軌道電位都有所降低。該方式的吸流效果比直接供電方式約增加10%-20%。自耦變壓器供電方式（也稱AT 供電方式），其吸流效果約為90%-95%，即地中電流約占接觸網(wǎng)電流比例的5%-10%。此外，加強(qiáng)鐵軌與枕木間的絕緣,以減少入地電流，也可以降低電氣化鐵路對埋地管道的阻性耦合干擾。
（2）對管道采取的措施
對于管道交流雜散電流干擾問題可采用的措施：
1）在有干擾的管段，加強(qiáng)防腐涂層質(zhì)量，降低交流電氣化鐵路對管道的容性耦合干擾；
2）加大管道與鐵路接地體的距離，并采取措施防止雷電或故障電流對管道的有害影響，降低阻性耦合干擾；
3）對管道本身采取接地排流，降低感性耦合煩擾。接地排流是將管道上感應(yīng)的交流電排放到大地中去，消除交流電壓對人身及設(shè)備的危害。一般接地體材料使用廢鋼即可，無特殊要求。但其接地電阻應(yīng)盡可能小，可以通過增加接地體的并聯(lián)根數(shù)，或采用鹽等減阻劑進(jìn)行處理，接地體埋設(shè)在管道一側(cè)。接地排流一般分為直接接地排流、排流節(jié)排流和犧牲陽極排流。直接接地排流是將受干擾管道通過接地線直接與接地體相連，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備比較簡單，缺點(diǎn)是陰極保護(hù)電流將在接地點(diǎn)入地，大大縮短保護(hù)距離，降低保護(hù)效果。如果將排流接地體直接與管道連接，由于接地電阻很小，保護(hù)電流流失，相當(dāng)大面積的防腐層破壞，陰極保護(hù)電流量增加，以致破壞陰極保護(hù)正常運(yùn)行，所以需要增加排流節(jié)。排流節(jié)排流又分為電容排流、二極管排流、鉗位式排流和去耦合器排流。
根據(jù)實(shí)際工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及檢測結(jié)果，當(dāng)電氣化鐵路單純跨越埋地管道時，一般雜散電流很小，在埋地管道與交流接地體的安全距離符合表3的要求時，一般不需要增加排流防護(hù)措施，但需在管道穿越處增加一處綜合測試樁，以檢測鐵路投運(yùn)后管道電位的變化。若測得電壓值超過規(guī)范《埋地鋼質(zhì)管道交流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)SY/T 0032-2000》管道交流干擾判斷指標(biāo)，或超過陰極保護(hù)設(shè)備交流干擾能力則必須采取排流保護(hù)的措施。因此，對于交流干擾下的管道，正常的陰極保護(hù)非常重要，陰極保護(hù)設(shè)備應(yīng)具有一定的交流抗干擾力。
表3 埋地管道與交流接地體的安全距離
當(dāng)電氣化鐵路與埋地管道近距離平行時，必須增加排流防護(hù)措施。其中，德國標(biāo)準(zhǔn)給出了涂敷良好的管道與50HZ電氣化鐵路平行時的限制長度，它是平行間距和干擾電流的函數(shù)。如表4所示。
表4 涂敷良好的管道與50HZ電氣化鐵路平行時的限制長度（km）
管道本身交流干擾防護(hù)措施，主要有接地排流，但直接排流會對原有的陰極保護(hù)產(chǎn)生影響，因此，需要在管道和接地體間串隔直環(huán)節(jié)，主要有固態(tài)去耦合器、鉗位式排流器、電容排流器、二極管排流器。
其次，我國的排流技術(shù)經(jīng)過長期進(jìn)步，已經(jīng)向微型化，智能化方向轉(zhuǎn)變。排流設(shè)備從過去的人工采集數(shù)據(jù)，手工分析，再進(jìn)行排流，已轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蛟诩夹g(shù)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時采集、監(jiān)制和排流一體化操作�？v觀多數(shù)排流設(shè)備，大都利用硅二極管正向?qū)ǚ聪蚪刂沟奶匦�，消除交流電壓，對雜散電流進(jìn)行極性排流，實(shí)現(xiàn)了自動排流和自動控制電流大小。其特點(diǎn)表現(xiàn)在：核心由單片機(jī)智能控制系統(tǒng)控制，數(shù)據(jù)傳輸、監(jiān)測、分析同步進(jìn)行；使用標(biāo)準(zhǔn)RS一485或RS一232串口；使用開放式通訊協(xié)議。
但是，目前的排流技術(shù)還存在如下問題：主要以直流排流為主，交流排流為輔；交流排流和混合排流研究少，檢測和排流缺乏同步性；在排流過程中，沒有排流效果反饋系統(tǒng)，排流誤差較大；在進(jìn)行排流電流整定后，固化不變，強(qiáng)電流流入大地時，只能局部保護(hù)管道，對防腐層破損的區(qū)域，將加速管道的腐蝕破壞；這些問題都需要腐蝕研究工作者深入解決。
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