電氣化鐵道對輸（油）氣管道的影響及防護措施

陳 娟

0 引言

近年來，利用電能作為牽引動力的電氣化鐵道，以其速度快、運載能力強、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)勢，在我國得到了飛速發(fā)展。但是，該牽引模式在給交通運輸帶來方便快捷的同時，也帶來了電磁干擾等問題。我國電氣化鐵道采用單相工頻交流供電制式，接觸網(wǎng)額定電壓采用25 kV，電力牽引的供電回路采用接觸網(wǎng)—鋼軌（大地）方式，屬于不平衡供電系統(tǒng)，它將在周圍空間產(chǎn)生電場和磁場，給鐵路沿線各種弱電設(shè)施帶來電磁干擾。

1 對輸（油）氣管道的干擾影響

交流電氣化鐵道對輸（油）氣管道的危害主要在于列車通過時產(chǎn)生間歇或連續(xù)的交流干擾電壓作用在管道上，對人身和設(shè)備產(chǎn)生危害。

1.1 感性耦合影響

感性耦合影響又稱磁影響，當(dāng)線路上有電力機車運行時，接觸網(wǎng)內(nèi)工頻單相交流牽引電流沿接觸線通過，在接觸線周圍產(chǎn)生交變磁場并通過空氣、土壤等介質(zhì)傳導(dǎo)。若輸（油）氣管道處于該交變磁場范圍內(nèi)，由于電磁感應(yīng)的作用，就會在管道上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，該電動勢是沿管道軸向分布，又稱感應(yīng)縱電動勢。由于交流電氣化鐵道牽引網(wǎng)是一種單相不對稱式供電系統(tǒng)，無論正常運行或接地故障狀態(tài)，接觸網(wǎng)電流產(chǎn)生的磁場都會在管道導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電壓和電流，對管道造成嚴(yán)重影響。

1.2 容性耦合影響

容性耦合影響又稱靜電影響。當(dāng)接觸網(wǎng)負載25 kV的工作電壓后，會在接觸線周圍形成垂直于接觸線表面的高壓靜電場，由于靜電感應(yīng)作用，輸電線路與管道之間通過相互間分布電容的耦合，引起管道對地電壓升高，從而對管道產(chǎn)生有害影響。

由于大地具有良好的靜電屏蔽作用，所以容性耦合只對架空管道產(chǎn)生影響，而對于地埋管道不會產(chǎn)生影響。

1.3 阻性耦合影響

阻性耦合影響又稱地電位影響。電氣化鐵道是以大地作為第2根導(dǎo)線來傳送電流的，牽引電流通過鋼軌回流時，電流通過鋼軌泄漏入地，使入地點和周圍的大地電位升高，這樣使位于路基附近的管道處于地電位梯度變化劇烈的土壤中而引起管道地電位升高。

2 影響的判定指標(biāo)

2.1 影響的分類

交流電氣化鐵道對地埋金屬管道的影響分為危險影響和干擾影響。當(dāng)管道與大地間電位差升高到足以危及管線維護作業(yè)人員和導(dǎo)致陰極保護裝置損壞，稱之為危險影響。當(dāng)該電位大到影響陰極保護裝置正常工作、加速管道的腐蝕時，這種影響稱為干擾影響。

2.2 影響容許值標(biāo)準(zhǔn)

對于以上2種影響，目前，國內(nèi)外尚未對其容許值做統(tǒng)一規(guī)定。就行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀來看，危險影響大多采用通信線路危險影響允許標(biāo)準(zhǔn)，鐵道部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣化鐵道對（油）氣管道（含油庫）的影響容許值及防護措施》（TB/T 2832-1997）規(guī)定：強電線路正常工作時取 60 V，強電線路短路時取430 V作為容許值。對于干擾影響，石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《埋地鋼質(zhì)管道交流排流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（SY/T 0032-2000）做出了相關(guān)規(guī)定，具體見表1和表2。

表1 埋地鋼質(zhì)管道交流干擾判斷指標(biāo)表

表2 交流排流保護效果評價指標(biāo)表

3 沿線輸（油）氣管道的防護措施

通過以上分析可見，電氣化鐵道對于輸（油）氣管道的影響主要是牽引電流在管道上感應(yīng)引起的不安全高電位。因此采取相應(yīng)防護措施的本質(zhì)是要降低管道上的高電位使之保持在安全容許的范圍內(nèi)以保護站內(nèi)設(shè)備和人員安全。

工程中采用的防護方式主要是對和電氣化鐵道平行接近，且管道兩端對地不絕緣，沒有陰極保護的（油）氣管道，在受影響區(qū)段采取直接排流措施；管道兩端對地絕緣，有陰極保護的（油）氣管道可在受影響段增設(shè)極性排流措施（犧牲陽極或嵌位式排流等）；對和鐵路發(fā)生交叉跨越以阻性耦合為代表的防護工程，如（油）氣管道防腐層破損嚴(yán)重的，應(yīng)先局部改善防腐層絕緣條件后再增設(shè)排流措施。

3.1 陰極保護

陰極保護技術(shù)是一種電化學(xué)保護技術(shù)，由金屬的化學(xué)特性可知，腐蝕原電池的陰極不發(fā)生腐蝕，只有陽極才發(fā)生腐蝕。陰極保護的原理是向被腐蝕金屬結(jié)構(gòu)物表面施加一個外加電流，使被保護結(jié)構(gòu)物成為陰極，從而使得金屬腐蝕發(fā)生的電子遷移得到抑制，避免或減弱腐蝕的發(fā)生。

陰極保護分為犧牲陽極法陰極保護和強制電流法陰極保護。

犧牲陽極法陰極保護是在待保護的金屬管道上連接一種電位更負的金屬或合金（如鋅合金、鎂合金），形成一個新的腐蝕原電池，由于管道上原來的腐蝕原電池陽極的電極電位比外加的犧牲陽極的電位要正，整個管道就成為陰極，外加犧牲陽極由于具有更負的電位在向被保護金屬管道輸出電流的過程中，不斷溶解而遭到腐蝕，故稱為犧牲陽極。

3.2 犧牲陽極排流技術(shù)

犧牲陽極排流是將犧牲陽極原理應(yīng)用到電氣化鐵道防干擾中，利用犧牲陽極（多用鎂陽極）作為管道接地體材料，即可起到接地排流作用，又可起到陰極保護作用，其是一舉兩得的排流方法，目前得到廣泛采用。

4 犧牲陽極排流保護系統(tǒng)的設(shè)計

4.1 陽極種類的選擇

常用的犧牲陽極材料有鎂、鋁、鋅及其合金，在土壤環(huán)境中，鎂合金陽極開路電位高，適合在土壤電阻率高的地區(qū)工作。鋅合金陽極自腐蝕小，電流效率高，壽命長，適合在土壤電阻率低的環(huán)境中使用。鋁陽極雖然單位發(fā)電量高于鎂和鋅，但在土壤環(huán)境中性能難以穩(wěn)定，陽極效率低，因而很少使用。通常情況下土壤電阻率決定了陽極的種類與規(guī)格，見表3。

表3 犧牲陽極種類的應(yīng)用選擇表

一般采用鎂合金陽極，對于不同土壤電阻率下鎂合金陽極的規(guī)格，建議按表4選擇。

4.2 犧牲陽極系統(tǒng)參數(shù)計算

（1）單支陽極接地電阻：

式中，RV為立式犧牲陽極接地電阻；Rh為臥式犧牲陽極接地電阻；ρ為土壤電阻率；ρg為填包料電阻率；lg為裸犧牲陽極長度；Dg為預(yù)包裝犧牲陽極直徑；dg為裸犧牲陽極等效直徑；tg為犧牲陽極中心至地面距離。

表4 土壤中鎂合金陽極規(guī)格的選擇表

在實際工程中，對已知型號的犧牲陽極，在填包料直徑、長度、埋設(shè)方式和深度確定后，可用下列簡化公式快速計算出單支陽極接地電阻。

a.當(dāng)lg= 0.9 m，dg= 0.2 m，tg= 1 m，單支立式或水平陽極接地電阻：R = 0.43ρ；

b.當(dāng)lg= 1.2 m，dg= 0.3 m，tg= 1.5 m，單支立式或水平陽極接地電阻：R = 0.32ρ；

c.當(dāng)lg= 0.9 m，dg= 0.2 m，tg= 2 m，單支立式或水平陽極接地電阻：R = 0.33ρ。

（2）組合陽極接地電阻：

式中，Rg為組合陽極接地電阻；R0為單支犧牲陽極接地電阻；f為犧牲陽極電阻修正系數(shù)；n為陽極支數(shù)。

（3）陽極工作電流：

式中，Ec為陰極開路電位；Ea為陽極開路電位；ΔEc為陰極極化電位；ΔEa為陽極極化電位；Rg為組合犧牲陽極接地電阻；Rc為陰極過渡電阻；Rl為導(dǎo)線電阻。

式（1）準(zhǔn)確表達了犧牲陽極保護電路中各因素之間的關(guān)系，但是因為管道、陽極極化電位和接地電阻不易準(zhǔn)確求得，根據(jù)工程實踐，推導(dǎo)出一個實際使用的公式：

式中，Ec為被保護管道自然電位；Ea為陽極開路電位；Rg為組合犧牲陽極接地電阻；Rc為管道泄漏電阻。

（4）陽極工作壽命：

式中，Tg為犧牲陽極工作壽命；Wg為犧牲陽極組凈質(zhì)量；ωg為犧牲陽極消耗率；I為陽極組輸出電流。

4.3 陽極的布置原則

在工程實踐中，一般將陽極集中埋設(shè)，3～6支一組，可以立式或臥式埋設(shè)，軸向和徑向分布均可。結(jié)合施工實際，建議陽極一般采用軸向臥式埋設(shè)，陽極距離管道外壁3～5 m為宜，最小不得小于0.5 m，埋設(shè)深度控制在1.2～1.5 m（但必須在冰凍線以下），陽極間距以2～3 m為宜，在地下水位低于3 m的干燥地帶陽極應(yīng)當(dāng)加深埋設(shè)。陽極與管道之間不應(yīng)有金屬構(gòu)筑物。

4.4 應(yīng)用實例

（1）管道現(xiàn)狀。管道與京九鐵路交叉跨越 1處；管道直徑Φ219 mm；瀝青玻璃布護層；既有恒電位儀陰極保護；經(jīng)實地測量，該處表層電阻率為ρ = 43.96 Ω · m；設(shè)計保護長度為 1000 m，接地電阻要求小于管道接地電阻，保護系統(tǒng)設(shè)計壽命要求不少于25年。

（2）防護計算。依據(jù)土壤電阻率選用8 kg/支鎂犧牲陽極。

a.單支陽極接地電阻（lg= 0.9 m，dg= 0.2 m，tg= 1 m）：

b.陽極組合接地電阻（f = 1.17，n = 4）：

c.犧牲陽極工作電流（管道長1000 m）：

d.陽極工作壽命（ω = 8）：

上述計算表明，4支8 kg鎂犧牲陽極可滿足設(shè)計要求。

4.5 防護效果

依據(jù)以上原理，京九鐵路電氣化改造工程中，對沿線受影響的管道采取犧牲陽極排流防護措施。

犧牲陽極排流保護投入使用后，對各排流點保護效果進行測試，表明：排流狀態(tài)下，排流點管道交流電位較無排流時均出現(xiàn)不同程度的降低，特別是交流電位瞬時值中較高電位的出現(xiàn)頻度下降，見表5。

表5 犧牲陽極排流前后交流電位測試數(shù)據(jù)表

同時注意到，不同排流點的排流效果存在一定的差異，有的排流點交流電位下降的幅度比較大，有的則不明顯，該差異與多種因素有關(guān)，如牽引負荷，陽極組的接地電阻，土壤狀況等。實踐證明，犧牲陽極接地可以降低感應(yīng)電壓，但是接地電阻要做得較小，否則效果不明顯。

總的來說，犧牲陽極排流還是很好地實現(xiàn)了降低交流感應(yīng)電位的目的。

5 結(jié)束語

電氣化鐵道對其沿線的輸（油）氣管道存在交流干擾，當(dāng)干擾值超過容許的限值時就會危及管道設(shè)備和工作人員的安全，應(yīng)采取防護措施。實踐證明，犧牲陽極排流是行之有效的防護措施，該措施顯著地減輕了交流干擾的影響，為電氣化鐵道相關(guān)干擾問題的解決提供了方法。

[1]電化局通號院.交流電氣化鐵道的電磁影響及防護[M].北京：天津教育出版社，1993.

[2]周秀榮.電氣化鐵道對通信線路的干擾影響及防護措施[N].遼寧：鐵路視點，2007.

[3]鐵道部工程設(shè)計鑒定中心.通信線路及其他設(shè)施電磁干擾防護工程設(shè)計指南[M].北京：中國鐵道出版社，2009.

[4]GB/T 21448-2008 埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范[S].