基于CDEGS的交流電氣化鐵路對沿線油氣管道電磁干擾影響研究

盛望群

基于CDEGS的交流電氣化鐵路對沿線油氣管道電磁干擾影響研究

盛望群

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 電氣化處，陜西 西安 710043)

由于地理條件與成本限制，電氣化鐵路與油、氣管道往往敷設(shè)在同一公共傳輸走廊上，造成一定范圍內(nèi)的平行接近或交叉穿越等情況。而交流電氣化鐵路在正常運(yùn)行時會對鄰近金屬油氣管道產(chǎn)生交流干擾，嚴(yán)重威脅管道的運(yùn)輸與運(yùn)營安全。目前交流電氣化鐵路對油氣管道的電磁干擾影響的計算方法已不能滿足準(zhǔn)確評估影響程度的要求。利用實(shí)測數(shù)據(jù)，基于CDEGS平臺建立電氣化鐵路對油氣管道電磁干擾仿真模型，研究電氣化鐵路對鄰近油氣管道影響規(guī)律，并提出經(jīng)濟(jì)有效的防護(hù)措施，對減小交流干擾影響、保證金屬油氣管道的安全運(yùn)行有著工程指導(dǎo)價值。

電氣化鐵路；油氣管道；電磁干擾；CDEGS

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電氣化鐵路發(fā)展迅速，尤其是近10年來高速鐵路的發(fā)展更為突出，截止2017年底，我國已建成電氣化鐵路里程8.7萬Km，其中高速鐵路2.5萬Km。同時，由于電氣化鐵路與油、氣管道大都選擇相近的傳輸走廊，導(dǎo)致兩者在一定范圍內(nèi)平行接近或交叉穿越，金屬油氣管道受到電氣化鐵路的交流電磁干擾影響，對管道的安全運(yùn)營產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅。目前，國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)生了多起管道受到電氣化鐵路電磁干擾的案例。吳長訪等[1-2]分別在秦沈客運(yùn)專線和烏魯木齊?阿拉山口的電氣化鐵路區(qū)段內(nèi)，發(fā)現(xiàn)與鐵路同區(qū)域埋設(shè)的管道其對地交流干擾電壓明顯升高，F(xiàn)ickert等[3-4]在奧地利德國均發(fā)現(xiàn)鐵路線和天然氣管道平行區(qū)段內(nèi)，管道的交流干擾電壓明顯超過規(guī)定限值。因此，研究交流電氣化鐵路對金屬油氣管道的交流電磁干擾影響，通過采取經(jīng)濟(jì)有效的防護(hù)措施，降低危害，保證金屬油氣管道的安全、平穩(wěn)運(yùn)行顯得尤為重要。

1 電氣化鐵路對油氣管道干擾分析

1.1 影響的產(chǎn)生及干擾的特點(diǎn)

電氣化鐵路對油氣管道的影響主要有3方 面[5]：容性耦合影響、感性耦合影響和阻性耦合影響。這些影響所造成的干擾與多個參數(shù)[6]有關(guān)，包括電氣化鐵道不同的供電方式、正常運(yùn)行和短路故障下的牽引電流、金屬管道和接觸網(wǎng)的接近長度、間距、金屬管道防腐層所用材料及絕緣電阻大小、管道的直徑、傳播常數(shù)、采用的埋設(shè)方式、附近的大地導(dǎo)電率等。由于電氣化鐵路采用鋼軌和大地作為電流回路，其泄漏電流較大，使得電氣化鐵路對油氣管道阻性耦合的影響是造成對金屬油氣管道電磁干擾的主要因素[7]。

同時，由于電氣化鐵路牽引負(fù)荷電流隨著線路坡度、曲線半徑、接觸網(wǎng)電壓、列車速度和功率等條件的影響不斷發(fā)生變化，具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和波動性[8]，電氣化鐵路沿線的油氣管道上的干擾電壓也隨之出現(xiàn)波動。波動特點(diǎn)與鐵路的利用率、列車運(yùn)行次數(shù)等有關(guān)。這種波動干擾的干擾電壓幅值隨時間變化，影響相對緩慢，但也有時間累計效應(yīng)[9]。

1.2 目前電磁干擾影響計算方法

目前，國內(nèi)外關(guān)于電氣化鐵路對埋地管道交流干擾的研究取得了眾多的成果。Bosko等[10]針對由電力牽引系統(tǒng)架空線路短路引起的地下管線感應(yīng)電壓的問題，采用EMTP-ATP軟件建立了仿真計算模型。同時，F(xiàn)ickert等[11]研究了高壓輸電線和交流電氣化鐵路對埋地管道的共同影響。Braunstein等[12]分析了目前主要的緩解措施對管道感性耦合干擾的影響，并對各個措施的利弊進(jìn)行了討論。朱久 國[13]運(yùn)用微元積分的方法計算出列車經(jīng)過時對埋地金屬管電位。但由于電氣化鐵路對油氣管道干擾計算所涉及參數(shù)較多，實(shí)際工程中考慮到土壤電阻的多樣性、牽引供電系統(tǒng)接地回流構(gòu)成的復(fù)雜性，目前的計算方法已不能滿足準(zhǔn)確評估金屬油氣管道受交流電氣化鐵路電磁干擾影響程度的要求，對后續(xù)的電磁干擾防護(hù)帶來困難。

為此，本文運(yùn)用CDEGS軟件中的HIFREQ模塊[14]建立電氣化鐵路靜態(tài)負(fù)荷與油氣管道干擾仿真模型，對油氣管道的電磁干擾進(jìn)行仿真計算。

2 電氣化鐵路對油氣管道干擾仿真計算

CDEGS是加拿大SES公司推出的集成工程軟件包。該軟件包是一套功能強(qiáng)大的集成軟件工具，可用來分析接地、電磁場、電磁干擾等問題。其中HIFREQ主要用來分析地下和地上載流導(dǎo)體的網(wǎng)絡(luò)特性，通過計算可以獲取空間和地下的磁場分布、空間和地下的電場分布、導(dǎo)體與地電位分布等。

2.1 基于CDEGS的電氣化鐵路對管道干擾模型建立

2.1.1 牽引網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

目前，電氣化鐵路常用的牽引供電方式為AT供電方式和帶回流線的直接供電方式，2種供電方式下牽引供電網(wǎng)絡(luò)如下。

HIFREQ建模時，利用其導(dǎo)線定義模塊，可直接輸入接觸導(dǎo)線、承力索、回流線等導(dǎo)線參數(shù)。常用導(dǎo)線參數(shù)如表1。

2.1.2 鋼軌

現(xiàn)實(shí)情況下，鋼軌鋪設(shè)于路基上面，位于空氣中，但是在HIFREQ中若將鋼軌設(shè)置于地面以上，則無法模擬鋼軌對地泄露。因此，建立鋼軌模型時，考慮用帶絕緣層的導(dǎo)線模擬電氣化鐵路鋼軌(含道砟)，將鋼軌設(shè)置于土壤中，計算模型如圖1[15]。

單位：mm

表1 常用導(dǎo)線參數(shù)

圖2 鋼軌計算模型圖

如圖2所示，假定涂層厚度為，導(dǎo)體半徑為厚度，鋼軌長度為，鋼軌對土壤間泄露阻抗為，則涂層可用下式求得：

常用鋼軌對土壤電阻率對應(yīng)的涂層電阻率如表2。

表2 常用涂層電阻率

Table 1 Common coating resistivity

2.1.3 變壓器

根據(jù)戴維南定理，用電壓源與阻抗模擬牽引變壓器。HIFREQ中，在激勵類型里選擇“電壓” 激勵。

AT供電方式下，根據(jù)AT變壓器原理，在HIFREQ中建立的AT變壓器(含牽引變)理想變壓器模型如圖3所示。

2.1.4 牽引供電系統(tǒng)模型

建立的AT供電方式(a)和帶回流線的直接供電方式(b)的系統(tǒng)模型如圖4所示。

圖3 HIFREQ建立的AT變壓器模型

2.2 基于實(shí)測數(shù)據(jù)的仿真模型校核

2.2.1 現(xiàn)場測試

為修正仿真模型，對某高鐵進(jìn)行電氣化鐵路負(fù)荷和管道受干擾程度的同步測試，并利用測試數(shù)據(jù)對仿真模型進(jìn)行修正。測試點(diǎn)處電氣化鐵路與管道的位置關(guān)系如圖5所示。

牽引變電所內(nèi)負(fù)荷測試情況和管道電位測試情況如圖6所示。

測試期間，典型牽引負(fù)荷曲線(動車均為CRH5，8輛編組)(圖7(a))和典型時段內(nèi)測量的管道電位情況(圖7(b))如圖7。

(a) AT供電方式；(b) 帶回流線的直接供電方式

圖5 電氣化鐵路與管道位置關(guān)系圖

圖6 現(xiàn)場測試情況

(a) 典型牽引負(fù)荷曲線；(b) 典型時段內(nèi)測量的管道電位情況

2.2.2 仿真建模

利用上述建模方法，建立了與測試情況相同的仿真模型，如圖8所示。

圖8 鐵路和管道模型

模擬當(dāng)列車位于管道與鐵路交叉點(diǎn)時(圖9(a))及列車逐漸遠(yuǎn)離交叉點(diǎn)100 m的運(yùn)行時(圖9(b))，此時交叉點(diǎn)附近的管道涂層耐受電壓計算結(jié)果如圖9所示，最大值為3.6 V和3.5 V。

由仿真計算結(jié)果可以看出，當(dāng)列車位于交叉點(diǎn)時，交叉點(diǎn)處的鋼軌泄露電流最大，受阻性耦合等因素的影響，此時交叉點(diǎn)處的管道涂層電位最大；當(dāng)列車遠(yuǎn)離交叉點(diǎn)時，交叉點(diǎn)處的鋼軌泄露電流逐步減小，交叉點(diǎn)處的管道涂層電位逐步減小。

2.2.3 現(xiàn)場測試分析

通過對測試結(jié)果與仿真計算結(jié)果的對比可以看出，現(xiàn)場測試過程中，檢測到的管道涂層上的最大電位約3.4 V，仿真計算最大涂層電壓為3.6 V。由于牽引負(fù)荷為隨機(jī)性負(fù)荷，時刻都在發(fā)生變化，因此，本次對列車通過鐵路與管道交叉處的實(shí)測最大電位與相同工況下建模仿真的計算結(jié)果最大值進(jìn)行對比，誤差為5.9%?？紤]到鋼軌對地泄露電阻以及土壤電阻率的誤差，可以認(rèn)為利用CDEGS的HIFREQ模塊所建立的電氣化鐵路對油氣管道干擾計算仿真模型具有較高的計算精度，可以用于模擬電氣化鐵路對沿線管道上的最大交流干擾電壓的分析研究。

(a) 當(dāng)列車位于管道與鐵路交叉點(diǎn)時；(b) 列車逐漸遠(yuǎn)離交叉點(diǎn)100 m運(yùn)行時

3 電氣化鐵路對油氣管道電磁干擾因素研究

目前，電氣化鐵路常用牽引網(wǎng)供電方式有AT供電和帶回流線的直接供電方式，不同的供電方式對沿線油氣管道的電磁干擾影響程度也不相同。電氣化鐵路與油氣管道的相互位置關(guān)系、土壤電阻率等也影響著油氣管道的電磁干擾影響程度。本文利用前述基于CDEGS的交流電氣化鐵路仿真模型，對影響電氣化鐵路對油氣管道電磁干擾程度的各方面因素進(jìn)行分析，尋找電氣化鐵路對油氣管道電磁干擾影響規(guī)律。

3.1 不同的供電方式

采用2種不同的牽引網(wǎng)供電方式，主要計算參數(shù)如下：

1) 導(dǎo)線參數(shù)

接觸線采用CTMH150,承力索采用JTMH120。

2) 負(fù)荷電流：900 A。

3) 土壤電阻率：100 Ω?m。

4) 管道與鐵路平行，間距50 m，平行長度1 000 m。

5) 管道涂層電阻率：33 300 000 Ω?m 。

6) 管道相對電阻率為9.67，相對磁導(dǎo)率為300，管徑為1 016 mm。

AT供電方式(AT)和帶回流線的直接供電方式(TRNF)仿真計算結(jié)果如圖10。

圖10 不同的供電方式的涂層耐受電壓

由上述計算結(jié)果可以看出，相同條件下，帶回流線的直接供電方式管道最大涂層電壓為28.9 V，當(dāng)采用AT供電方式時，鋼軌泄露電流較小，由阻性耦合引起的管道電位也大幅降低。因此，牽引供電系統(tǒng)采用AT供電可以降低對沿線油氣管道的電磁干擾影響程度。

3.2 不同的交叉角度

以AT供電方式為例，參數(shù)與4.1中相同，當(dāng)電氣化鐵路與油氣管道分別以30°，60°和90°的角度交叉時，油氣管道受干擾程度分別計算如圖11。

圖11 不同交叉角度的涂層耐受電壓

由上述計算結(jié)果可以看出，由于電氣化鐵路對沿線油氣管道的電磁干擾影響主要是阻性耦合引起的，當(dāng)電氣化鐵路與油氣管道交叉時，不論交叉角度如何變化，油氣管道受電磁干擾影響總是存在。除交叉點(diǎn)處的管道電壓基本相當(dāng)外，其余點(diǎn)隨交叉角度變大，管道上的受干擾程度有所變小。

3.3 不同的平行距離

電氣化鐵路與油氣管道距離的遠(yuǎn)近對管道上的受干擾程度也不相同，當(dāng)管道與鐵路平行長度為1 000 m，參數(shù)與4.1中相同，電氣化鐵路與油氣管道距離分別為20，50，100和200 m時，油氣管道干擾最大值分別計算如圖12。

圖12 不同平行距離涂層耐受電壓

由上述計算結(jié)果可以看出，隨著電氣化鐵路與油氣管道間距離增加，管道受電磁干擾的程度逐步減小，當(dāng)間距達(dá)到200 m時，影響幾乎可以忽略。

3.4 不同的平行長度

當(dāng)管道與鐵路距離為100 m，參數(shù)與4.1中相同，電氣化鐵路與油氣管道平行長度分別為500，1 000，2 000和5 000 m時，油氣管道受干擾程度分別計算如圖13。

由上述計算結(jié)果可以看出，隨著電氣化鐵路與油氣管道平行長度的增加，管道受電磁干擾的程度逐步加大。

3.5 不同的土壤電阻率

以AT供電方式為例，鐵路與管道間距50 m，平行長度1 000 m，參數(shù)與4.1中相同，土壤電阻率分別為10，50，100，200和500 Ω?m時，油氣管道受干擾程度分別計算如圖14。

圖13 不同平行長度涂層耐受電壓

圖14 不同平行長度涂層耐受電壓

由上述計算結(jié)果可以看出，隨著土壤電阻率的增加，管道受電磁干擾的程度逐步加大。但當(dāng)土壤電阻率升高到一定程度時，管道上的涂層電壓基本不變。

(a) 仿真模型；(b) 計算結(jié)果

3.6 距離牽引變電所的不同位置

由于牽引電流最終通過鋼軌、大地、回流線等流回牽引變電所，因此靠近變電所處大地中的電流也達(dá)到最大，建立管道接近牽引變電所仿真模型(圖15(a))，參數(shù)與4.1中相同，計算結(jié)果(圖15(b))如 圖15。

由上述計算結(jié)果可以看出，管道越靠近牽引變電所，管道上的干擾電壓電壓，距離最近時，干擾電壓達(dá)到最大值。

4 電氣化鐵路對油氣管道電磁影響的防護(hù)措施分析

根據(jù)國內(nèi)外同類工程經(jīng)驗(yàn)，對于降低交流電氣化鐵路對油氣管道電磁影響可采取的防護(hù)措施主要有：接地排流、增設(shè)屏蔽等。對于采用接地排流時，接地體可采用鍍鋅鋼或鋅帶等。

本文利用CDEGS建立不同的鐵路與管道位置關(guān)系模型，通過設(shè)置不同的防護(hù)方案，對比分析防護(hù)效果。對上述不同情況下管道涂層電壓的仿真計算結(jié)果統(tǒng)計如下。

表3 管道涂層電壓最大值

由仿真計算結(jié)果可以看出，設(shè)置屏蔽和接地排流均能減緩電氣化鐵路對沿線油氣管道的交流干擾影響，采用接地排流，接地體采用鋅帶的防護(hù)措施防護(hù)效果更好。

5 結(jié)論

1)基于CDEGS平臺建立電氣化鐵路牽引負(fù)荷對油氣管道電磁干擾的仿真模型，并利用實(shí)測數(shù)據(jù)對計算模型進(jìn)行了驗(yàn)證，為評估交流電氣化鐵路對沿線油氣管道的電磁干擾程度提供了有力手段。

2) 基于CDEGS仿真模型，對影響電氣化鐵路對油氣管道電磁干擾程度的各方面因素進(jìn)行分析，包括牽引網(wǎng)供電方式、管道與電氣化鐵路的位置關(guān)系、管道與牽引變電所的位置關(guān)系、土壤電阻率等，給出了電氣化鐵路對油氣管道電磁干擾影響規(guī)律。

3) 利用建立的仿真模型對目前常用的減緩電氣化鐵路對油氣管道影響的措施及其效果進(jìn)行對比分析，為油氣管道電磁干擾防護(hù)措施的選取提供了依據(jù)。

[1] 吳長訪, 王波, 裴青, 等. 鐵秦線管道交流雜散電流干擾檢測與評價[J]. 管道技術(shù)與裝備, 2014, 21(1): 36?38.WU Changfang, WANG Bo, PEI Qing, et al. AC stray current testing and evaluation of the Tieling-Qinhangdao pipeline[J]. Pipeline Technol Equip, 2014, 21(1): 36?38.

[2] 鮮俊, 王文斌, 梅鵬, 等. 電氣化鐵路雜散電流對埋地管線干擾影響研究[J]. 全面腐蝕控制, 2013, 27(4): 42? 46. XIAN Jun, WANG Wenbin, MEI Peng, et al. Effect of stray current induced by electric railway on buried pipeline[J]. Total Corrosion Control, 2013, 27(4): 42?46.

[3] Fickert L, Schmautzer E, Braunstein R, et al. Reduction of the electrical potential of interfered pipelines due to currents of high voltage power lines and electric railways[J]. Elektrotechnik Und Informationstechnik, 2010, 127(12): 362?366.

[4] Bosko M, Bozidar F G, Tomislav. Electromagnetic fields and induce votages on underground pipeline in the vicinity of AC traction system[J]. J Ener Power Eng, 2014, 8(7): 1333?1338.

[5] 汪可. 電氣化鐵路對油氣管道的影響及防護(hù)措施[D].成都: 西南交通大學(xué), 2013. WANG Ke. The interference of oil and gas pipelines caused by electric railway and protection measures[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2013.

[6] 陳民武, 朱久國, 解紹鋒, 等. 牽引供電系統(tǒng)對埋地管道阻性耦合交流干擾建模及仿真[J]. 中國鐵道科學(xué), 2018, 39(2): 80?86. CHEN Mingwu, ZHU Jiuguo, XIE Shaofeng, et al. Modeling and simulation of resistive coupling AC interference of traction power supply system to buried pipeline[J]. China Railway Society, 2018, 39(2): 80?86.

[7] 高攸綱, 沈遠(yuǎn)茂, 石丹. 交流電氣化鐵道對周圍電氣及電子系統(tǒng)的阻性耦合影響[J]. 郵電設(shè)計技術(shù), 2007, 38(3): 57?60. GAO Yougang, SHEN Yuanmao, SHI Dan. Resistive coupling effects of AC electric railway to surrounding electric and eletronic system[J]. Designing Tesigning Techniques of Posts and Teclecmmutications, 2007, 38(3): 57?60.

[8] 張麗艷, 李群湛, 朱毅. 新建電氣化鐵路牽引負(fù)荷預(yù)測[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報, 2016, 51(4): 743?749. ZHANG Liyan, LI Qunzhan, ZHU Yi. Prediction of traction load for new electrified railway[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2016, 51(4): 743?749.

[9] 李偉, 杜艷霞, 姜子濤, 等. 電氣化鐵路對埋地管道干擾的研究進(jìn)展[J]. 中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報, 2016, 36(5): 381?388.LI Wei, DU Yanxia, JIANG Zitao, et al. Research progress on AC interference of electrified railway on buried pipeline[J]. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection, 2016, 36(5): 381?388.

[10] Bosko, Milesevic, Bozidar, et al. Electromagnetic fields and induced voltages on underground pipeline in the vicinity of AC traction system[J]. Energy and Power Engineering, 2014, 8(7): 1333?1340.

[11] Fickert L, Schmautzer E, Braunstein R, et al. Reduction of the electrical potential of interfered pipelines due to currents of high voltage power lines and electric railways [J]. E & I Elektrotechnik Und Informationstechnik, 2010, 127(12): 362?366.

[12] Braunstein R, Schmautzer E, Graz G P. Comparison and discussion on potential mitigating measures regarding inductive interference of metallic pipelines[C]// Electrical Systems for Aircraft, Railway and Ship Propulsion. IEEE Xplore, 2010: 1?4.

[13] 朱久國. 交流電氣化鐵路對埋地油氣管道電磁干擾特性研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2013. ZHU Jiuguo. Research on electromagnetic[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2013.

[14] 余綱. 基于CDEGS的客運(yùn)專線貫通地線與所亭連接方式分析[J]. 自動化技術(shù)與應(yīng)用, 2018, 37(5): 149?152. YU Gang. The interference of oil and gas pipelines caused by electric railway and protection measures[J]. Techniques of Automation and Application, 2018, 37(5): 149?152.

[15] 王強(qiáng). 基于CDEGS的高速鐵路非載流吊弦區(qū)段接觸懸掛和電連接電氣負(fù)荷計算[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計, 2016, 60(5): 140?143. WANG Qiang. Load calculation of non-current carrying dropper and electrical connection of high-speed railway OCS suspension based on CDEGS[J]. Railway Standard Design, 2016, 60(5): 140?143.

Study on influence of AC electrified railway on electromagnetic interference of oil and gas pipelines along the line based on CDEGS

SHENG Wangqun

(Electrification Department, China Railway First Survey & Design Institute Group Ltd, Xi’an 710043, China)

Due to the geographical conditions and cost constraints, most of the electrified railways and oil and gas pipelines are laid in the same public transmission corridor to choose the similar transmission corridor, and they have to cross or parallel in a certain range. In normal operation, the AC electrified railway will cause AC interference to the adjacent metal oil and gas pipelines, which will seriously threaten the transportation and operation safety of the pipelines. The metal oil and gas pipeline will inevitably be affected by the AC electromagnetic interference of the electrified railway. At present, the calculation method of the influence of AC electrified railway on the electromagnetic interference of oil and gas pipelines can not meet the requirements of accurately evaluating the influence of metal oil and gas pipelines on the electromagnetic interference of AC electrified railway. In this paper, the electromagnetic interference simulation model of electrified railway to oil and gas pipeline was established based on the platform of CDEGS by using the measured data. The influence rule of electrified railway to the adjacent oil and gas pipeline was studied, and the economic and effective protective measures were proposed, which have engineering reference for reducing the impact of electrified railway on the AC interference and ensuring the safe operation of metal oil and gas pipeline Guide value.

electrified railway; oil and gas pipeline; electromagnetic interference; CDEGS

U228.6

A

1672 ? 7029(2020)08 ? 2101 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20191000

2019?11?13

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2017J005-C)

盛望群(1981?)，男，陜西西安人，高級工程師，從事電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)研究；E?mail：36411004@qq.com

(編輯 陽麗霞)