高速鐵路故障狀態(tài)對埋地管道的干擾影響

孟 成

(國家管網集團東部原油儲運有限公司，武漢 430000)

隨著我國經濟的快速發(fā)展，越來越多的埋地油氣管道和高速鐵路建成并投入使用。根據國家發(fā)改委頒布的《中長期鐵路網規(guī)劃》(2016年發(fā)布)和《鐵路“十三五”發(fā)展規(guī)劃》(2017年發(fā)布)，截至2015年底，全國鐵路營運里程為12.1萬公里，其中高速鐵路為1.9萬公里，至2020年，鐵路網規(guī)模為15萬公里，其中高速鐵路為3萬公里，至2025年，鐵路網規(guī)模預計為17.5萬公里，其中高速鐵路預計為3.8萬公里。隨著我國高速鐵路的發(fā)展，高鐵線路運營里程不斷增長，擬建/在建高鐵不可避免會與在役埋地鋼質管道臨近、交叉和平行。我國電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)采用單項工頻25 kV交流供電制式，這會對鋼質埋地管道產生阻性耦合干擾和感性耦合干擾[1]。

1984-1986年，胡士信等[2]測試了直供式寶成線和自耦變壓器供電式(AT供電方式)京秦線對臨近埋地鋼質管道的干擾影響，結果表明，寶成線附近管道的交流干擾電壓為30 V，遠大于京秦線附近的埋地管道(約2 V)，同時討論了受電氣化鐵路影響產生電阻耦合、電容耦合和電磁耦合干擾的埋地鋼質管道需要采取的抗干擾防護措施類型及其效果。這可能是國內最早關于電氣化鐵路對臨近埋地鋼質管道干擾的研究報道之一。

高速鐵路綜合接地系統(tǒng)通過貫通地線連接將沿線路基段、隧道等強電和弱電接地、建筑接地等,使高鐵具有優(yōu)異的接地能，保證了高鐵的安全運行。當高鐵遭受雷擊和故障時，雷擊和故障電流會通過綜合接地系統(tǒng)的貫通地線散流，保障了高鐵的運行安全，但這會對臨近、交叉處的埋地鋼質管道產生影響。高鐵故障時有發(fā)生，最大故障電流為6 646 A[2-5]。

近年來，隨著技術進步，采用數值模擬仿真計算可以預測和評價擬建/在建干擾源對在役埋地鋼質管道的干擾影響，并可對超過限制要求的管道進行模擬設計。孫兆強[6]利用數值模擬軟件預測了埋地輸油管道受高鐵輸電系統(tǒng)干擾的模型,預測了高鐵機車運行至不同位置對管道造成的干擾。根據預測結果，三輛機車同時運行時，管道沿線干擾電壓出現最大值71.33 V，管道沿線最大交流電流密度為223.22 A/m2，均需采取相關干擾防護措施。李平[7]也采用數值模擬計算技術研究了海纜和陸上換流站的穩(wěn)態(tài)和故障態(tài)雜散電流對海底管線的干擾，結果顯示海纜穩(wěn)態(tài)運行時對海底管線影響甚微，但故障態(tài)運行時管道接觸電壓可能超限，需要采用鋅帶在登陸段進行緩解。上述研究均著重于干擾源穩(wěn)態(tài)狀況下對臨近埋地鋼質管道的影響，本工作采用軟件模擬和仿真計算，對高鐵故障狀態(tài)下對臨近埋地鋼質管道的影響進行建模計算和分析評價，并給出了緩解方案。

1 項目介紹

對于電磁干擾的計算，傳統(tǒng)方法是采用等效電路法將整個系統(tǒng)等效為不同的電器元件，如：電阻、電容、電感等，然后利用經典電工理論進行求解。然而，這種方法存在過度簡化計算參數、計算公式繁瑣、計算精度低等問題，因此逐漸被數值模擬技術所取代。數值模擬技術采用的工程理論和物理系統(tǒng)從根本上講是基于積分或微積分形式的麥克斯韋方程組。目前，求解麥克斯韋方程組的方法較多，本工作采用的數值模擬軟件是基于矩量法(MoM)進行求解的。

本工作涉及的干擾源為在建合安九高鐵，現稱“京港高鐵合安九段”。由于地理區(qū)域局限，合肥至安慶段高鐵與已建管道1、管道2(原油管線)各存在1處交叉，且管道1與該鐵路段并行間距<1 000 m的管段長度約3.25 km，管道2與該鐵路段并行間距<1 000 m的管段長度約7 km，交叉并行信息見圖1。管道1材質為L450鋼，管徑864 mm，壁厚11.9 mm，管道利用外加電流陰極保護系統(tǒng)及防腐蝕層進行保護，防腐蝕層采用環(huán)氧粉末。管道2材質為L450鋼，管徑864 mm，壁厚12.7 mm，利用外加電流陰極保護系統(tǒng)及防腐蝕層進行保護，防腐蝕層為三層結構的聚乙烯防腐蝕層(3PE)。根據相關資料，與埋地管道臨近交叉的高鐵共有1座分區(qū)所，2座變電所和2座AT所，將高鐵線路分為4個AT供電區(qū)間。

圖1 在建高鐵與管道1及管道2的位置示意圖

2 故障運行評估指標

高鐵運行時發(fā)生的主要故障為短路故障，會導致供電系統(tǒng)電流增大，對周圍管道產生的干擾較穩(wěn)態(tài)運行時明顯增大，但是持續(xù)時間較短，造成的主要危害包括：對附近的人員造成電擊危害，導致管道防腐蝕層擊穿造成損害。關于人身安全電壓，表1所示為電力標準DL/T 5033-2006《輸電線路對電信線路危險和干擾影響防護設計規(guī)程》規(guī)定的考慮了不同輸電線路故障持續(xù)條件下的人身安全電壓允許值，由此可得輸電線路故障時的人身安全電壓允許值至少為650 V。

表1 人身安全電壓允許值

另外，根據GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》規(guī)定，當系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，人體可承受的接觸電壓差即人體安全電壓應滿足如下要求：

(1)

式中：U為接觸電壓；ρ為地表層的土壤電阻率；C為表層衰減系數；t為接地故障電流持續(xù)時間。

現場測試土壤電阻率為69.08Ω·m，高鐵故障的短路時間約為0.1～0.7 s，為了保證評估的安全性，故障時間選擇0.7 s；C為表層衰減系數，是為了提高接觸電壓差允許閾值而敷設高電阻率表層材料時，設置的一個校正系數，當不敷設高電阻率表層材料時，C一般為1?？傻迷试S的人身安全電壓為222 V。

NACE SP 0177標準將涂層耐受電壓(coating stress voltage)定義為管道涂層內表面(鋼表面)與涂層外表面(接觸土壤的表面)之間的電位差。管道附近的高壓輸電系統(tǒng)發(fā)生故障時，管道外涂層會產生耐受電壓，埋地管道由于電磁感應產生了交流電壓，同時，大量短路入地電流在土壤中形成一個強大的電場，并通過阻性耦合進一步增大了埋地管道的對地電位。NACE SP 0177-2014第 4.13.2 標準中規(guī)定了不同管道防腐蝕層的耐受電壓閾值，瀝青涂層為1 000～1 200 V，煤焦油防腐蝕層為3 000 V，熔結環(huán)氧(FBE)和3層聚乙烯涂層(3LPE)為3 000～5 000 V。SOUTHEY等利用軟件模擬計算輸電線路故障狀態(tài)對管道的干擾影響時，指出FBE和聚乙烯(PE)管道涂層的耐受電壓極限值(最小值)為3 000 V，且3 000～5 000 V均是可以接受的[7-11]。該數值代表電弧通過涂層破損點對涂層進行破壞的最小電壓，更大的電壓可能會導致管道本體損傷，但并未描述該極限值的試驗依據。

我國目前在役管道的防腐蝕層主要類型為FBE和3LPE，但國內相關標準對不同涂層的耐受電壓并沒有詳細數據。何驍[8]研究了高壓輸電線路對埋地金屬管道的腐蝕影響，結果表明：熔結環(huán)氧粉末保護的金屬管道在工頻情況下的耐壓為14～15 kV，雷電沖擊耐壓為28 kV；三層聚乙烯(3PE)保護的金屬管道的工頻耐壓為57 kV，雷電沖擊耐壓為109 kV[11]?？紤]到高鐵故障情況下大電流的作用可能會對管道涂層產生較大影響，嚴重時會形成地下電弧損害管道涂層和管道基體，故本工作選擇的管道涂層耐受電壓與NACE SP 0177-2014《Mitigation of alternating current and lighting effects on metallic structures and corrosion control systems》標準中的一致，為3 000 V。

綜上所述，得到故障態(tài)運行情況下交流干擾的評價指標：人身安全電壓為222 V；涂層耐受電壓小于3 000 V。

3 故障干擾預測

根據資料，高鐵變電所、分區(qū)所、AT所將該段高鐵線路劃分為4個AT區(qū)間，每個區(qū)間單向最多運行1輛機車，在軟件中建立該段高鐵線路和臨近管道的模型。針對故障干擾狀態(tài)預測，將機車位置設置于交叉點處，發(fā)生短路故障時計算得到管道1的接觸電壓和涂層耐受電壓分布。由圖2可知，故障狀態(tài)下，管道交流干擾接觸電壓最大值均出現在交叉點附近，管道1的最大交流干擾接觸電壓為222.24 V，涂層耐受電壓為221.36 V。管道1的最大接觸電壓為222.24 V，大于222 V的安全電壓限值，需采取干擾防護措施。

(a) 接觸電壓分布云圖 (b) 涂層耐受電壓分布云圖

針對管道2，機車位置為運行至AT區(qū)間4的AT所，計算此位置發(fā)生短路故障時的管線接觸電壓及涂層耐受電壓。由圖3可知，故障狀態(tài)下管道2的最大交流干擾接觸電壓為1 048.30 V，涂層耐受電壓為1 049.73 V。管道2的最大接觸電壓為1 048.30 V，大于222 V的安全電壓限值,需采取干擾防護措施。

(a) 接觸電壓分布云圖 (b) 耐受電壓分布云圖

4 故障運行時干擾防護措施設計

根據GB/T 50698-2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》標準中關于"故障和雷電干擾的防護措施"的描述，可采用"故障屏蔽"的方式對故障和雷電干擾進行防護。所謂故障屏蔽即為沿管道平行敷設一根或多跟淺埋接地線(一般為與管道同深的帶狀鋅陽極)作為屏蔽體，減輕在高速鐵路故障或雷擊時，強電沖擊對管道防腐層和管道本體的影響。在淺埋接地線和管道之間可安裝固態(tài)去耦合器等裝置，將管道瞬間干擾電壓降到容許值以下，值得注意的是，該固態(tài)去耦合器用于緩解故障電流時使用，選擇型號及參數時應至少注意如下兩個方面[13]：

(1) 該固態(tài)去耦合器產品需具備“Fail-Sail”功能(失效安全功能)，當強電流沖擊固態(tài)去耦合器發(fā)生故障時，固態(tài)去耦合為短路而非斷路；

(2) 該固態(tài)去耦合器性能指標中的交流故障電流指標至少大于3.5 kA。

4.1 管道1的干擾防護設計

根據上述最大干擾預測結果，在管道1的4處位置敷設鋅帶，共計400 m，詳見表2。

表2 鋅帶敷設詳情

布置上述防護方案后，計算故障時管道1的干擾電壓分布如圖4所示，最大干擾電壓為192.61 V，滿足222 V的人身安全電壓限值。

圖4 敷設400 m鋅帶后，管道1在故障運行時的接觸電壓云圖

4.2 管道2的干擾防護設計

根據上述最大干擾預測結果可知，管道2的干擾電壓分布存在多個峰值，共在8處位置敷設鋅帶，共計900 m，詳見表3。

表3 鋅帶敷設詳情

布置上述防護方案后，計算得到故障時管道2的干擾電壓分布。由圖5可見： 最大干擾電壓由1 040.83 V降低至187.02 V，滿足222 V的人身安全電壓限值。

圖5 敷設900 m鋅帶后，管道2在故障運行時的接觸電壓云圖

根據上述計算結果可知，在管道1的4處位置敷設鋅帶400 m，在管道2的8處位置敷設鋅帶900 m后，管線所受干擾均滿足限值要求。

5 結論

(1) 高速鐵路故障時，會對埋地鋼質管道產生人身安全和管道安全影響，尤其要注意大電流對涂層耐受電壓的影響；

(2) 采用敷設鋅帶+固態(tài)去耦合器的方式可以緩解上述影響，但應注意固態(tài)去耦合器的參數和選型；

(3) 國內對管道涂層耐受電壓的研究較少，筆者呼吁應盡快開展相關研究和試驗工作，保障管道服役安全。