电气化铁道对输（油）气管道的影响及防护措施

陈 娟

0 引言

近年来，利用电能作为牵引动力的电气化铁道，以其速度快、运载能力强、环保节能等优势，在我国得到了飞速发展。但是，该牵引模式在给交通运输带来方便快捷的同时，也带来了电磁干扰等问题。我国电气化铁道采用单相工频交流供电制式，接触网额定电压采用25 kV，电力牵引的供电回路采用接触网—钢轨（大地）方式，属于不平衡供电系统，它将在周围空间产生电场和磁场，给铁路沿线各种弱电设施带来电磁干扰。

1 对输（油）气管道的干扰影响

交流电气化铁道对输（油）气管道的危害主要在于列车通过时产生间歇或连续的交流干扰电压作用在管道上，对人身和设备产生危害。

1.1 感性耦合影响

感性耦合影响又称磁影响，当线路上有电力机车运行时，接触网内工频单相交流牵引电流沿接触线通过，在接触线周围产生交变磁场并通过空气、土壤等介质传导。若输（油）气管道处于该交变磁场范围内，由于电磁感应的作用，就会在管道上产生感应电动势，该电动势是沿管道轴向分布，又称感应纵电动势。由于交流电气化铁道牵引网是一种单相不对称式供电系统，无论正常运行或接地故障状态，接触网电流产生的磁场都会在管道导体中产生感应电压和电流，对管道造成严重影响。

1.2 容性耦合影响

容性耦合影响又称静电影响。当接触网负载25 kV的工作电压后，会在接触线周围形成垂直于接触线表面的高压静电场，由于静电感应作用，输电线路与管道之间通过相互间分布电容的耦合，引起管道对地电压升高，从而对管道产生有害影响。

由于大地具有良好的静电屏蔽作用，所以容性耦合只对架空管道产生影响，而对于地埋管道不会产生影响。

1.3 阻性耦合影响

阻性耦合影响又称地电位影响。电气化铁道是以大地作为第2根导线来传送电流的，牵引电流通过钢轨回流时，电流通过钢轨泄漏入地，使入地点和周围的大地电位升高，这样使位于路基附近的管道处于地电位梯度变化剧烈的土壤中而引起管道地电位升高。

2 影响的判定指标

2.1 影响的分类

交流电气化铁道对地埋金属管道的影响分为危险影响和干扰影响。当管道与大地间电位差升高到足以危及管线维护作业人员和导致阴极保护装置损坏，称之为危险影响。当该电位大到影响阴极保护装置正常工作、加速管道的腐蚀时，这种影响称为干扰影响。

2.2 影响容许值标准

对于以上2种影响，目前，国内外尚未对其容许值做统一规定。就行业发展现状来看，危险影响大多采用通信线路危险影响允许标准，铁道部行业标准《交流电气化铁道对（油）气管道（含油库）的影响容许值及防护措施》（TB/T 2832-1997）规定：强电线路正常工作时取 60 V，强电线路短路时取430 V作为容许值。对于干扰影响，石油天然气行业标准《埋地钢质管道交流排流技术标准》（SY/T 0032-2000）做出了相关规定，具体见表1和表2。

表1 埋地钢质管道交流干扰判断指标表

表2 交流排流保护效果评价指标表

3 沿线输（油）气管道的防护措施

通过以上分析可见，电气化铁道对于输（油）气管道的影响主要是牵引电流在管道上感应引起的不安全高电位。因此采取相应防护措施的本质是要降低管道上的高电位使之保持在安全容许的范围内以保护站内设备和人员安全。

工程中采用的防护方式主要是对和电气化铁道平行接近，且管道两端对地不绝缘，没有阴极保护的（油）气管道，在受影响区段采取直接排流措施；管道两端对地绝缘，有阴极保护的（油）气管道可在受影响段增设极性排流措施（牺牲阳极或嵌位式排流等）；对和铁路发生交叉跨越以阻性耦合为代表的防护工程，如（油）气管道防腐层破损严重的，应先局部改善防腐层绝缘条件后再增设排流措施。

3.1 阴极保护

阴极保护技术是一种电化学保护技术，由金属的化学特性可知，腐蚀原电池的阴极不发生腐蚀，只有阳极才发生腐蚀。阴极保护的原理是向被腐蚀金属结构物表面施加一个外加电流，使被保护结构物成为阴极，从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。

阴极保护分为牺牲阳极法阴极保护和强制电流法阴极保护。

牺牲阳极法阴极保护是在待保护的金属管道上连接一种电位更负的金属或合金（如锌合金、镁合金），形成一个新的腐蚀原电池，由于管道上原来的腐蚀原电池阳极的电极电位比外加的牺牲阳极的电位要正，整个管道就成为阴极，外加牺牲阳极由于具有更负的电位在向被保护金属管道输出电流的过程中，不断溶解而遭到腐蚀，故称为牺牲阳极。

3.2 牺牲阳极排流技术

牺牲阳极排流是将牺牲阳极原理应用到电气化铁道防干扰中，利用牺牲阳极（多用镁阳极）作为管道接地体材料，即可起到接地排流作用，又可起到阴极保护作用，其是一举两得的排流方法，目前得到广泛采用。

4 牺牲阳极排流保护系统的设计

4.1 阳极种类的选择

常用的牺牲阳极材料有镁、铝、锌及其合金，在土壤环境中，镁合金阳极开路电位高，适合在土壤电阻率高的地区工作。锌合金阳极自腐蚀小，电流效率高，寿命长，适合在土壤电阻率低的环境中使用。铝阳极虽然单位发电量高于镁和锌，但在土壤环境中性能难以稳定，阳极效率低，因而很少使用。通常情况下土壤电阻率决定了阳极的种类与规格，见表3。

表3 牺牲阳极种类的应用选择表

一般采用镁合金阳极，对于不同土壤电阻率下镁合金阳极的规格，建议按表4选择。

4.2 牺牲阳极系统参数计算

（1）单支阳极接地电阻：

式中，RV为立式牺牲阳极接地电阻；Rh为卧式牺牲阳极接地电阻；ρ为土壤电阻率；ρg为填包料电阻率；lg为裸牺牲阳极长度；Dg为预包装牺牲阳极直径；dg为裸牺牲阳极等效直径；tg为牺牲阳极中心至地面距离。

表4 土壤中镁合金阳极规格的选择表

在实际工程中，对已知型号的牺牲阳极，在填包料直径、长度、埋设方式和深度确定后，可用下列简化公式快速计算出单支阳极接地电阻。

a.当lg= 0.9 m，dg= 0.2 m，tg= 1 m，单支立式或水平阳极接地电阻：R = 0.43ρ；

b.当lg= 1.2 m，dg= 0.3 m，tg= 1.5 m，单支立式或水平阳极接地电阻：R = 0.32ρ；

c.当lg= 0.9 m，dg= 0.2 m，tg= 2 m，单支立式或水平阳极接地电阻：R = 0.33ρ。

（2）组合阳极接地电阻：

式中，Rg为组合阳极接地电阻；R0为单支牺牲阳极接地电阻；f为牺牲阳极电阻修正系数；n为阳极支数。

（3）阳极工作电流：

式中，Ec为阴极开路电位；Ea为阳极开路电位；ΔEc为阴极极化电位；ΔEa为阳极极化电位；Rg为组合牺牲阳极接地电阻；Rc为阴极过渡电阻；Rl为导线电阻。

式（1）准确表达了牺牲阳极保护电路中各因素之间的关系，但是因为管道、阳极极化电位和接地电阻不易准确求得，根据工程实践，推导出一个实际使用的公式：

式中，Ec为被保护管道自然电位；Ea为阳极开路电位；Rg为组合牺牲阳极接地电阻；Rc为管道泄漏电阻。

（4）阳极工作寿命：

式中，Tg为牺牲阳极工作寿命；Wg为牺牲阳极组净质量；ωg为牺牲阳极消耗率；I为阳极组输出电流。

4.3 阳极的布置原则

在工程实践中，一般将阳极集中埋设，3～6支一组，可以立式或卧式埋设，轴向和径向分布均可。结合施工实际，建议阳极一般采用轴向卧式埋设，阳极距离管道外壁3～5 m为宜，最小不得小于0.5 m，埋设深度控制在1.2～1.5 m（但必须在冰冻线以下），阳极间距以2～3 m为宜，在地下水位低于3 m的干燥地带阳极应当加深埋设。阳极与管道之间不应有金属构筑物。

4.4 应用实例

（1）管道现状。管道与京九铁路交叉跨越 1处；管道直径Φ219 mm；沥青玻璃布护层；既有恒电位仪阴极保护；经实地测量，该处表层电阻率为ρ = 43.96 Ω · m；设计保护长度为 1000 m，接地电阻要求小于管道接地电阻，保护系统设计寿命要求不少于25年。

（2）防护计算。依据土壤电阻率选用8 kg/支镁牺牲阳极。

a.单支阳极接地电阻（lg= 0.9 m，dg= 0.2 m，tg= 1 m）：

b.阳极组合接地电阻（f = 1.17，n = 4）：

c.牺牲阳极工作电流（管道长1000 m）：

d.阳极工作寿命（ω = 8）：

上述计算表明，4支8 kg镁牺牲阳极可满足设计要求。

4.5 防护效果

依据以上原理，京九铁路电气化改造工程中，对沿线受影响的管道采取牺牲阳极排流防护措施。

牺牲阳极排流保护投入使用后，对各排流点保护效果进行测试，表明：排流状态下，排流点管道交流电位较无排流时均出现不同程度的降低，特别是交流电位瞬时值中较高电位的出现频度下降，见表5。

表5 牺牲阳极排流前后交流电位测试数据表

同时注意到，不同排流点的排流效果存在一定的差异，有的排流点交流电位下降的幅度比较大，有的则不明显，该差异与多种因素有关，如牵引负荷，阳极组的接地电阻，土壤状况等。实践证明，牺牲阳极接地可以降低感应电压，但是接地电阻要做得较小，否则效果不明显。

总的来说，牺牲阳极排流还是很好地实现了降低交流感应电位的目的。

5 结束语

电气化铁道对其沿线的输（油）气管道存在交流干扰，当干扰值超过容许的限值时就会危及管道设备和工作人员的安全，应采取防护措施。实践证明，牺牲阳极排流是行之有效的防护措施，该措施显著地减轻了交流干扰的影响，为电气化铁道相关干扰问题的解决提供了方法。

[1]电化局通号院.交流电气化铁道的电磁影响及防护[M].北京：天津教育出版社，1993.

[2]周秀荣.电气化铁道对通信线路的干扰影响及防护措施[N].辽宁：铁路视点，2007.

[3]铁道部工程设计鉴定中心.通信线路及其他设施电磁干扰防护工程设计指南[M].北京：中国铁道出版社，2009.

[4]GB/T 21448-2008 埋地钢质管道阴极保护技术规范[S].