遙測技術(shù)在上海天然氣主干網(wǎng)雜散電流干擾控制中的應(yīng)用

上海天然氣管網(wǎng)有限公司 饒險(xiǎn)峰

遙測技術(shù)在上海天然氣主干網(wǎng)雜散電流干擾控制中的應(yīng)用

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燃?xì)夤芫W(wǎng)的運(yùn)行過程中，除流量、壓力等對實(shí)時(shí)性要求高的參數(shù)外，還有管道的防腐層狀態(tài)、管道腐蝕防護(hù)等參數(shù)，雖然這些參數(shù)對于實(shí)時(shí)性要求相對較低，但對于管道安全運(yùn)行同樣起到關(guān)鍵作用。尤其是管道的腐蝕防護(hù)相關(guān)參數(shù)，如：管地電位、管道防腐層漏點(diǎn)等，通過這些參數(shù)，我們可判別管道是否處于本質(zhì)安全的狀態(tài)。文章主要介紹了遙測技術(shù)在監(jiān)控主干網(wǎng)部分管段的管地電位和地鐵、高壓輸電線路、電氣化鐵路、磁懸浮等雜散電流干擾管段上的應(yīng)用。

燃?xì)夤芫W(wǎng) 遙測技術(shù) 雜散電流干擾

0 前言

天然氣作為一種潔凈、安全、優(yōu)質(zhì)的能源，已被越來越多的城市廣泛應(yīng)用，市場需求量呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢。市場的需求促進(jìn)了天然氣管網(wǎng)的快速建設(shè)。上海市天然氣主干管網(wǎng)一期工程經(jīng)過數(shù)年的建設(shè)已經(jīng)基本竣工，二期工程也正在建設(shè)之中。經(jīng)過近十年的快速建設(shè)，上海高壓天然氣主干管網(wǎng)長度已達(dá)到560多公里。

如此規(guī)模的高壓天然氣網(wǎng)絡(luò)，要確保其長期處于安全穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)并不容易，對于企業(yè)的管理水平要求甚高，而日常管理中重要環(huán)節(jié)之一是有效的實(shí)時(shí)監(jiān)控，即對于管網(wǎng)系統(tǒng)的各種運(yùn)行參數(shù)(如：流量、壓力、溫度、流向等)均可進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測與控制。

目前天然氣管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)SCADA系統(tǒng)可以方便的對系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行集中監(jiān)控及調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能。但在管網(wǎng)的運(yùn)行過程中，除流量、壓力等對實(shí)時(shí)性要求高的參數(shù)外，還有部分參數(shù)如管道的防腐層狀態(tài)、管道腐蝕防護(hù)等參數(shù)，雖然這些參數(shù)對于實(shí)時(shí)性要求相對較低，但對于管道安全運(yùn)行同樣起到關(guān)鍵作用。尤其是管道的腐蝕防護(hù)相關(guān)參數(shù)，如：管地電位、管道防腐層漏點(diǎn)等，通過這些參數(shù)，我們可判別管道是否處于本質(zhì)安全的狀態(tài)。為了保證管網(wǎng)安全運(yùn)行，根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，需對管道進(jìn)行主動(dòng)保護(hù)，如采用犧牲陽極保護(hù)法、強(qiáng)制電流陰極保護(hù)法等，其中強(qiáng)制電流陰極保護(hù)法在上海天然氣主干網(wǎng)得到了廣泛的應(yīng)用。

從日常檢測數(shù)據(jù)及開挖驗(yàn)證的實(shí)例來看，強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的建立確實(shí)大幅降低了管網(wǎng)的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，但同時(shí)，由于雜散電流干擾等客觀原因和條件(部分管線為其他公司撥交、陰極保護(hù)站建設(shè)跟不上管線投運(yùn)的進(jìn)度等)的限制，主干網(wǎng)管道陰極保護(hù)系統(tǒng)還存在較多薄弱環(huán)節(jié)，因此對于上海天然氣主干網(wǎng)腐蝕防護(hù)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控具有重要意義。

目前對于管道腐蝕防護(hù)數(shù)據(jù)的獲得手段主要通過人工周期性測試(測試周期一般為1個(gè)月)。人工測試的方法受到天氣、環(huán)境等因素的影響較大，在實(shí)際工作過程中往往存在測試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、測試周期無法保證、對測試人員專業(yè)技術(shù)水平要求高等限制因素。而隨著上海天然氣主干網(wǎng)管理水平的提升及管道受干擾現(xiàn)象的不斷顯現(xiàn)，如此的管道腐蝕防護(hù)數(shù)據(jù)頻度及精度無法達(dá)到要求，通過新的遙測測試技術(shù)或設(shè)備對管網(wǎng)腐蝕防護(hù)數(shù)據(jù)達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控將在未來成為趨勢。其中對于管道腐蝕防護(hù)數(shù)據(jù)中最為直接反應(yīng)管道狀態(tài)的管地電位的監(jiān)測成為近年來在國內(nèi)陰極保護(hù)遙測方面的重點(diǎn)研究方向。

經(jīng)過長時(shí)間的研究及試用，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的陰極保護(hù)參數(shù)遙測裝置目前已應(yīng)用于上海天然氣主干網(wǎng)，其數(shù)據(jù)穩(wěn)定性高，符合客觀實(shí)際，可使管理者對于管網(wǎng)陰極保護(hù)狀態(tài)的監(jiān)控頻度極大的增加，從以往的每月一次增加至每秒一次。且所得的數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件處理，數(shù)據(jù)訪問讀取快速科學(xué)，便于管理者更好掌握管網(wǎng)本質(zhì)狀態(tài)。

1 遙測技術(shù)簡介

1.1 遙測技術(shù)原理

遙測技術(shù)原理是采用分布式數(shù)據(jù)采集裝置和GPRS無線通信方式，遙測各個(gè)測試樁的相關(guān)數(shù)據(jù)(目前主要為管地電位)，并由數(shù)據(jù)中心服務(wù)器集中分析處理和儲(chǔ)存。數(shù)據(jù)中心監(jiān)控各點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，及時(shí)顯示失效報(bào)警并在數(shù)字地圖上或衛(wèi)星照片上標(biāo)識(shí)其地理位置。用戶不受時(shí)間和空間的限制，通過Internet或內(nèi)部專門網(wǎng)頁，查看各監(jiān)測點(diǎn)的各種數(shù)據(jù)和圖表，使管理者對于管線的腐蝕防護(hù)參數(shù)做到實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖1和圖2分別為遙測技術(shù)示意圖及遙測技術(shù)的通訊原理圖

圖1 遙測技術(shù)示意

圖2 遙測技術(shù)的通訊原理

1.2 遙測設(shè)備及相關(guān)參數(shù)

遵循如上原理遙測設(shè)備結(jié)合上海天然氣主干網(wǎng)現(xiàn)有陰極保護(hù)數(shù)據(jù)測試樁制造，安裝于現(xiàn)有測試樁內(nèi)部，采用支架固定。

遙測設(shè)備是一個(gè)電子裝置，針對陰極保護(hù)系統(tǒng)現(xiàn)場接口電路的數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)及無線傳輸?shù)难b置，與電極的連接后，可處理來自于現(xiàn)場的信號(hào)并記錄存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，在設(shè)定的時(shí)刻自動(dòng)發(fā)送。該裝置有2個(gè)測量通道：一個(gè)用于測量管地電位；另一個(gè)用于測量保護(hù)電流。

遙測設(shè)備包括GPRS模塊、SIM卡電路及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、主芯片及其程序、信號(hào)前置處理電路和接口、大容量電池組及低功耗電源管理電路等。其安置在一個(gè)防水密封塑殼內(nèi)，由三芯電纜線與外面電極相連接，頂部的天線用于GPRS傳輸；密封塑殼內(nèi)部還有一個(gè)電池包，通過端子和遙測模塊相連。

圖3 遙測設(shè)備實(shí)物

遙測設(shè)備數(shù)據(jù)收發(fā)流程如圖4。

圖4 遙測設(shè)備數(shù)據(jù)收發(fā)流程圖

1.3 測設(shè)備在主干網(wǎng)上的分布

大量測試已證明遙測設(shè)備可靠性及測試準(zhǔn)確性，目前在上海天然氣主干網(wǎng)上共安裝有18套遙測裝置，詳見表1。

表1 主干網(wǎng)遙測裝置分布統(tǒng)計(jì)表

目前遙測設(shè)備主要用于監(jiān)控主干網(wǎng)部分管段的管地電位，以判別這部分管段的腐蝕防護(hù)參數(shù)，另外這些管段屬于在日常人工檢測中認(rèn)為可能受到地鐵、高壓輸電線路、電氣化鐵路、磁懸浮等雜散電流干擾的管段，因此遙測設(shè)備所檢測的數(shù)據(jù)也可用于上海天然氣主干網(wǎng)雜散電流防控的依據(jù)，其數(shù)據(jù)的連續(xù)性及直觀的曲線圖標(biāo)對于分析是十分有利的。

2 遙測技術(shù)在雜散電流干擾控制中的應(yīng)用

遙測技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，遙測裝置安裝于管路沿線的測試樁中，設(shè)備在電池的驅(qū)動(dòng)下，自動(dòng)測試、記錄并通過無線技術(shù)發(fā)送相應(yīng)的測試項(xiàng)目數(shù)據(jù)包至數(shù)據(jù)中心，測試數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后匯總成報(bào)表，用戶可通過Internet在客戶端得到所需測試圖表。遙測裝備可以進(jìn)行24小時(shí)在線檢測，實(shí)現(xiàn)了對管路的實(shí)時(shí)監(jiān)控。還可排除測試過程中讀數(shù)帶來的誤差等眾多不確定因素，測試數(shù)據(jù)可以真實(shí)反應(yīng)測試點(diǎn)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，通過綜合分析數(shù)據(jù)可以比較容易確定測試點(diǎn)附近干擾源等對管道運(yùn)行有重大影響的因素和規(guī)律。

遙測技術(shù)的應(yīng)用并不止于上述幾點(diǎn)，由于其實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理分析能力，在上海天然氣主干網(wǎng)雜散電流干擾控制等工作中也體現(xiàn)其價(jià)值，從主干網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)看，有部分管線確實(shí)存在雜散電流干擾的現(xiàn)象，本文將對主干網(wǎng)典型管段(9標(biāo)段及浦東東線段)進(jìn)行研究，同時(shí)對遙測裝置在主干網(wǎng)雜散電流控制中的有效性進(jìn)行證明并分析其優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1 典型管段雜散電流干擾概況

按照石油天然氣《埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(SY/T 0017—2006)，雜散電流可以通過管地電位的偏移和地電位梯度來判斷。如陰極保護(hù)系統(tǒng)及其他直流干擾附近的管道，當(dāng)管道任意點(diǎn)上的管地電位較自然電位正向偏移20 mV時(shí)或管道附近土壤中的電位梯度大于0.5 mV/m時(shí)，確認(rèn)為直流干擾；當(dāng)管道任意一點(diǎn)上管地電位較自然電位正向偏移100 mV時(shí)或管道附近土壤中的電位梯度大于2.5mV/m時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取直流排流保護(hù)或其他防護(hù)措施。

對于交流干擾，石油天然氣《埋地鋼質(zhì)管道交流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(SY/T 0032—2000)并沒有給出明確的的量化指標(biāo)，但對于交流干擾現(xiàn)象給出三點(diǎn)技術(shù)規(guī)定：

(1)管地電壓在管道縱向分布上多變；

(2)管地電壓隨時(shí)間變化十分劇烈；

(3)管地電壓隨干擾源負(fù)荷的變化而變化。

雖然由于前期管理粗放，我們未能取得管道的自然電位。但是從行業(yè)規(guī)范條文敘述中，我們還是可以看到雜散電流干擾可以通過管地電位的趨勢來進(jìn)行判斷。

主干網(wǎng)一期9標(biāo)段位于A20(滬太路～滬寧高速)外圈綠化帶內(nèi)，管道總長17 km，2003年投運(yùn)，設(shè)計(jì)管徑813 mm，外涂層為3PE，管線采用外加電流與臨時(shí)犧牲陽極聯(lián)合保護(hù)方式。其沿線約有10 km與數(shù)十條高壓電力線平行敷設(shè)，間距約為0～100 m。致使該管道管地電位長期不太穩(wěn)定。從日常測試的數(shù)據(jù)看，數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度很大，疑為受到雜散電流干擾影響。

浦東長輸管線東線段位于浦東A1高速公路南側(cè)綠化帶內(nèi)，于1999年投運(yùn)，設(shè)計(jì)壓力2.5 MPa，管徑為529 mm，材質(zhì)為SS400，螺旋焊縫鋼管，外加強(qiáng)制電流保護(hù)。在A1高速公路北側(cè)為上海磁懸浮列車軌道，其與東線平行部分約有15 km，間距約為20～150 m，磁懸浮運(yùn)行時(shí)間段為6:45～21:30，雙線折返運(yùn)行，單線駛完全程要8 min，每隔15 min一班。東線從磁懸浮投運(yùn)以后，我們發(fā)現(xiàn)其管地電位的波動(dòng)日益明顯，可能也受到雜散電流干擾影響。

2.2 遙測技術(shù)在雜散電流干擾識(shí)別中的應(yīng)用

針對以上情況，我們利用安裝于9標(biāo)的7套遙測裝置及東線的4套遙測裝置，以期對這些管段所受的雜散電流的干擾程度進(jìn)行分析，如圖5、6。

圖5 9標(biāo)的遙測裝置安裝示意

圖6 東線的遙測裝置安裝示意

其中需要說明的是：(1)圖5中自5#測試點(diǎn)至11#號(hào)測試點(diǎn)，管線與高壓線的間距逐漸從100 m左右縮短至0 m，該管線距離最近的陰極保護(hù)站距離約7 km，最近點(diǎn)為11＃測試點(diǎn)；(2)圖6中自1＃測試點(diǎn)至4號(hào)測試點(diǎn)，管線與磁懸浮軌道的間距也是逐漸由150 m左右縮短至20 m，管線距離最近的陰極保護(hù)站距離約為200 m，最近點(diǎn)為4＃測試點(diǎn)。

根據(jù)這兩段管段的部分遙測裝置的數(shù)據(jù)和曲線，我們可以清楚地看到東線及9標(biāo)的管地電位波動(dòng)情況。部分測試點(diǎn)曲線如下：

圖7 東線1＃測試點(diǎn)曲線

圖8 東線4＃測試點(diǎn)曲線

圖9 9標(biāo)8＃測試點(diǎn)曲線

圖10 9標(biāo)9＃測試點(diǎn)曲線

上圖為兩段管線典型的測試點(diǎn)的數(shù)據(jù)曲線，由曲線可看到東線及9標(biāo)的管地電位都存在不同程度的波動(dòng)情況，其中9標(biāo)的管地電位波動(dòng)情況尤為劇烈。電位波動(dòng)幅度至少為2500 mV，且有明顯的正電位傾向。東線雖然4＃測試點(diǎn)波動(dòng)幅度小，只有20 mV左右，但東線1＃測試點(diǎn)波動(dòng)也基本達(dá)到500mV以上，由此我們可以推測9標(biāo)及東線應(yīng)受到不同程度的雜散電流干擾，從管地電位波動(dòng)幅度看，9標(biāo)所受干擾較東線要更為嚴(yán)重。

雖然從遙測裝置所得的管地電位數(shù)據(jù)，我們可以推斷上述管線受到雜散電流干擾，但根據(jù)前文所述的SY／T 0017—2006及 SY／T 0032—2000相關(guān)條文，在沒有管道自然電位的前提下，管地電位并不能作為判別管道受到干擾的直接依據(jù)。根據(jù)條文，當(dāng)管道任意點(diǎn)上的管地電位較自然電位正向偏移20 mV時(shí)或管道附近土壤中的電位梯度大于0.5mV/m時(shí)，確認(rèn)為雜散電流干擾。因此，有必要對現(xiàn)場管道附近土壤的電位梯度進(jìn)行測定，以支持上述推斷。

表2 東線4個(gè)測試點(diǎn)的土壤電位梯度單位：mV/m

表3 9標(biāo)沿線土壤電位梯度單位：mV/m

根據(jù)管線附近土壤電位梯度的測試結(jié)果，我們可以證實(shí)，這兩段管線確實(shí)全線受到雜散電流的干擾。也證明通過遙測裝置所得的管地電位曲線來初步判斷管線的受干擾情況是合理的，而且我們也可以通過管地電位的波動(dòng)幅度來初步推斷管道的受干擾程度。

2.3 遙測技術(shù)在雜散電流干擾控制中的應(yīng)用

如上所述，9標(biāo)管線的管地電位波動(dòng)情況及電位梯度的數(shù)值都證明9標(biāo)目前正受嚴(yán)重的雜散電流干擾，需要采取排流措施；東線雖然同樣存在波動(dòng)，但其電位最大值基本處于-0.85V以下，且靠近陰極保護(hù)站管線的波動(dòng)幅度較小，說明東線依靠陰極保護(hù)站的調(diào)節(jié)作用可削減雜散電流的干擾作用，使管線處于有效的陰極保護(hù)范圍以內(nèi)。因此對于東線，將不采用排流措施，而通過調(diào)節(jié)陰極保護(hù)站參數(shù)使管線處于良好保護(hù)狀態(tài)。

對于9標(biāo)，經(jīng)實(shí)際證明單純依靠調(diào)節(jié)陰極保護(hù)站參數(shù)無法有效控制9標(biāo)的管地電位波動(dòng)。因此需要采取措施來削減雜散電流的干擾。主要采用以下2點(diǎn)措施：對管地電位不穩(wěn)定管段進(jìn)行負(fù)電位排流(即安裝犧牲陽極)，每300 m左右1組，每組4支，每支11 kg；對管地電位波動(dòng)幅度大的管段安裝排流器，針對交流和直流的干擾，考慮到排流效果，分別安裝嵌位式排流器和極性排流器各三組。經(jīng)過計(jì)算，若采取以上措施后，將有效控制9標(biāo)管線受雜散電流干擾。

在此過程中，遙測裝置作為重要的數(shù)據(jù)收集手段，管地電位曲線可作為判別雜散電流控制措施有效性的手段。圖11、圖12分別為排流措施前8#和9#測試點(diǎn)的管地電位曲線。圖13、圖14為完成排流措施后8#、9#測試點(diǎn)的管地電位曲線。

圖11 8＃測試點(diǎn)排流前管地電位曲線

圖12 9＃測試點(diǎn)排流前管地電位曲線

圖13 8＃測試點(diǎn)排流后管地電位曲線

圖14 9＃測試點(diǎn)排流后管地電位曲線

由上圖，安裝完成排流措施后，可以明顯的看到管地電位波動(dòng)幅度減小。5＃測試點(diǎn)至11＃測試點(diǎn)電位明顯的趨于穩(wěn)定，雖然依然存在比較明顯的波動(dòng)，但波動(dòng)幅度已經(jīng)由原來未采取排流措施之前超過2 000 mV的波幅下降到1 000 mV以內(nèi)。電位一直為負(fù)且位于管道要求的保護(hù)電位區(qū)域內(nèi)，管地電位正向漂移及過保護(hù)傾向明顯減小，表明管道處于有效被保護(hù)狀態(tài)，初步顯示采取的排流措施是有效的。

為進(jìn)一步驗(yàn)證排流措施的有效性，對于管地電位采用現(xiàn)場實(shí)測方式進(jìn)行復(fù)核。圖15為9標(biāo)沿線16個(gè)測試樁的管地電位數(shù)據(jù)

圖15 9標(biāo)沿線1管地電位數(shù)據(jù)趨勢

從現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)可以看到，9標(biāo)的管地電位基本處于保護(hù)范圍(-0.85～-1.5 V)內(nèi)，證明對于9標(biāo)所用的雜散電流控制措施是有效的，同時(shí)也對遙測裝置的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。證明遙測裝置可作為雜散電流干擾控制的效果驗(yàn)證的途徑和手段之一，其結(jié)果是可靠和科學(xué)的。

3 結(jié)論

(1)從遙測裝置在上海天然氣主干網(wǎng)管線腐蝕防護(hù)方面的作用來看，其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，遙測技術(shù)具有實(shí)時(shí)性好、精度高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，可以代替人工測試對管道運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)控。同時(shí)，由于遙測裝置為自主模式運(yùn)行，使得此項(xiàng)技術(shù)成為研究氣候、水文、不確定性干擾源等因素對管網(wǎng)影響的利器，可有效提高天然氣管網(wǎng)的管理及日常維護(hù)工作水平。

(2)遙測技術(shù)也有一些限制因素，將是其規(guī)?；瘧?yīng)用的瓶頸。如維護(hù)運(yùn)行成本較高、容易被盜損壞、測試參數(shù)有限、電池壽命是否達(dá)到要求等。但總體來講，遙測技術(shù)已有的成果已充分證明其工作原理及工作機(jī)制具有很好的可行性及較高的參考性?？梢灶A(yù)見，通過對測試裝備的進(jìn)一步改進(jìn)，應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大，遙測技術(shù)在國內(nèi)管網(wǎng)的管理及維護(hù)作業(yè)中將發(fā)揮重要的作用。

(3)就上海天然氣主干網(wǎng)而言，其面臨的雜散電流干擾將是未來主干網(wǎng)腐蝕防護(hù)工作的重要方面。主干網(wǎng)還有相當(dāng)一部分管線也同樣面臨文中所舉的東線及9標(biāo)的受雜散電流干擾的情況，因此如何更好的利用遙測技術(shù)這一輔助的判別手段，確保主干網(wǎng)陰極保護(hù)系統(tǒng)長效有效運(yùn)行，也是主干網(wǎng)管理者需要重點(diǎn)關(guān)注的。

另外目前各管道管理者基本都聚焦于所轄范圍內(nèi)管線強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的建設(shè)與正常運(yùn)行，而往往忽略對于鄰近管線的影響，這也是造成干擾的原因之一，在這方面也希望廣大管線運(yùn)行單位引起重視、充分溝通，尋求共同保護(hù)的局面。

Telemetry Technology Application in Shanghai Natural Gas Pipeline Backbone Network Stray Current Interference Control

Shanghai Natural Gas Pipelines Co., Ltd. Rao Xianfeng

In addition to flow and pressure high real-time requirement parameters, there are the pipe coating state,pipe corrosion protection and other parameters during gas pipeline network operation, although these parameters real-time requirement are relatively low, but also play a key role in pipeline safe operation. Especially pipeline corrosion protection related parameters, such as: pipe ground potential, leakage point of pipeline coating, etc,through these parameters, we can determine the pipelines safety in essence whether or not. This paper mainly introduces telemetry technology in the application of monitoring part of gas pipeline backbone network pipe ground potential with underground, high voltage transmission lines, electrification of railways, magnetic levitation and other stray current interference.

gas pipeline network, telemetry technology, stray current interference