基于CDEGS的交流电气化铁路对沿线油气管道电磁干扰影响研究

盛望群

基于CDEGS的交流电气化铁路对沿线油气管道电磁干扰影响研究

盛望群

(中铁第一勘察设计院集团有限公司 电气化处，陕西 西安 710043)

由于地理条件与成本限制，电气化铁路与油、气管道往往敷设在同一公共传输走廊上，造成一定范围内的平行接近或交叉穿越等情况。而交流电气化铁路在正常运行时会对邻近金属油气管道产生交流干扰，严重威胁管道的运输与运营安全。目前交流电气化铁路对油气管道的电磁干扰影响的计算方法已不能满足准确评估影响程度的要求。利用实测数据，基于CDEGS平台建立电气化铁路对油气管道电磁干扰仿真模型，研究电气化铁路对邻近油气管道影响规律，并提出经济有效的防护措施，对减小交流干扰影响、保证金属油气管道的安全运行有着工程指导价值。

电气化铁路；油气管道；电磁干扰；CDEGS

随着我国经济的发展，电气化铁路发展迅速，尤其是近10年来高速铁路的发展更为突出，截止2017年底，我国已建成电气化铁路里程8.7万Km，其中高速铁路2.5万Km。同时，由于电气化铁路与油、气管道大都选择相近的传输走廊，导致两者在一定范围内平行接近或交叉穿越，金属油气管道受到电气化铁路的交流电磁干扰影响，对管道的安全运营产生了严重威胁。目前，国内外已经发生了多起管道受到电气化铁路电磁干扰的案例。吴长访等[1-2]分别在秦沈客运专线和乌鲁木齐−阿拉山口的电气化铁路区段内，发现与铁路同区域埋设的管道其对地交流干扰电压明显升高，Fickert等[3-4]在奥地利德国均发现铁路线和天然气管道平行区段内，管道的交流干扰电压明显超过规定限值。因此，研究交流电气化铁路对金属油气管道的交流电磁干扰影响，通过采取经济有效的防护措施，降低危害，保证金属油气管道的安全、平稳运行显得尤为重要。

1 电气化铁路对油气管道干扰分析

1.1 影响的产生及干扰的特点

电气化铁路对油气管道的影响主要有3方 面[5]：容性耦合影响、感性耦合影响和阻性耦合影响。这些影响所造成的干扰与多个参数[6]有关，包括电气化铁道不同的供电方式、正常运行和短路故障下的牵引电流、金属管道和接触网的接近长度、间距、金属管道防腐层所用材料及绝缘电阻大小、管道的直径、传播常数、采用的埋设方式、附近的大地导电率等。由于电气化铁路采用钢轨和大地作为电流回路，其泄漏电流较大，使得电气化铁路对油气管道阻性耦合的影响是造成对金属油气管道电磁干扰的主要因素[7]。

同时，由于电气化铁路牵引负荷电流随着线路坡度、曲线半径、接触网电压、列车速度和功率等条件的影响不断发生变化，具有很强的随机性和波动性[8]，电气化铁路沿线的油气管道上的干扰电压也随之出现波动。波动特点与铁路的利用率、列车运行次数等有关。这种波动干扰的干扰电压幅值随时间变化，影响相对缓慢，但也有时间累计效应[9]。

1.2 目前电磁干扰影响计算方法

目前，国内外关于电气化铁路对埋地管道交流干扰的研究取得了众多的成果。Bosko等[10]针对由电力牵引系统架空线路短路引起的地下管线感应电压的问题，采用EMTP-ATP软件建立了仿真计算模型。同时，Fickert等[11]研究了高压输电线和交流电气化铁路对埋地管道的共同影响。Braunstein等[12]分析了目前主要的缓解措施对管道感性耦合干扰的影响，并对各个措施的利弊进行了讨论。朱久 国[13]运用微元积分的方法计算出列车经过时对埋地金属管电位。但由于电气化铁路对油气管道干扰计算所涉及参数较多，实际工程中考虑到土壤电阻的多样性、牵引供电系统接地回流构成的复杂性，目前的计算方法已不能满足准确评估金属油气管道受交流电气化铁路电磁干扰影响程度的要求，对后续的电磁干扰防护带来困难。

为此，本文运用CDEGS软件中的HIFREQ模块[14]建立电气化铁路静态负荷与油气管道干扰仿真模型，对油气管道的电磁干扰进行仿真计算。

2 电气化铁路对油气管道干扰仿真计算

CDEGS是加拿大SES公司推出的集成工程软件包。该软件包是一套功能强大的集成软件工具，可用来分析接地、电磁场、电磁干扰等问题。其中HIFREQ主要用来分析地下和地上载流导体的网络特性，通过计算可以获取空间和地下的磁场分布、空间和地下的电场分布、导体与地电位分布等。

2.1 基于CDEGS的电气化铁路对管道干扰模型建立

2.1.1 牵引网网络结构

目前，电气化铁路常用的牵引供电方式为AT供电方式和带回流线的直接供电方式，2种供电方式下牵引供电网络如下。

HIFREQ建模时，利用其导线定义模块，可直接输入接触导线、承力索、回流线等导线参数。常用导线参数如表1。

2.1.2 钢轨

现实情况下，钢轨铺设于路基上面，位于空气中，但是在HIFREQ中若将钢轨设置于地面以上，则无法模拟钢轨对地泄露。因此，建立钢轨模型时，考虑用带绝缘层的导线模拟电气化铁路钢轨(含道砟)，将钢轨设置于土壤中，计算模型如图1[15]。

单位：mm

表1 常用导线参数

图2 钢轨计算模型图

如图2所示，假定涂层厚度为，导体半径为厚度，钢轨长度为，钢轨对土壤间泄露阻抗为，则涂层可用下式求得：

常用钢轨对土壤电阻率对应的涂层电阻率如表2。

表2 常用涂层电阻率

Table 1 Common coating resistivity

2.1.3 变压器

根据戴维南定理，用电压源与阻抗模拟牵引变压器。HIFREQ中，在激励类型里选择“电压” 激励。

AT供电方式下，根据AT变压器原理，在HIFREQ中建立的AT变压器(含牵引变)理想变压器模型如图3所示。

2.1.4 牵引供电系统模型

建立的AT供电方式(a)和带回流线的直接供电方式(b)的系统模型如图4所示。

图3 HIFREQ建立的AT变压器模型

2.2 基于实测数据的仿真模型校核

2.2.1 现场测试

为修正仿真模型，对某高铁进行电气化铁路负荷和管道受干扰程度的同步测试，并利用测试数据对仿真模型进行修正。测试点处电气化铁路与管道的位置关系如图5所示。

牵引变电所内负荷测试情况和管道电位测试情况如图6所示。

测试期间，典型牵引负荷曲线(动车均为CRH5，8辆编组)(图7(a))和典型时段内测量的管道电位情况(图7(b))如图7。

(a) AT供电方式；(b) 带回流线的直接供电方式

图5 电气化铁路与管道位置关系图

图6 现场测试情况

(a) 典型牵引负荷曲线；(b) 典型时段内测量的管道电位情况

2.2.2 仿真建模

利用上述建模方法，建立了与测试情况相同的仿真模型，如图8所示。

图8 铁路和管道模型

模拟当列车位于管道与铁路交叉点时(图9(a))及列车逐渐远离交叉点100 m的运行时(图9(b))，此时交叉点附近的管道涂层耐受电压计算结果如图9所示，最大值为3.6 V和3.5 V。

由仿真计算结果可以看出，当列车位于交叉点时，交叉点处的钢轨泄露电流最大，受阻性耦合等因素的影响，此时交叉点处的管道涂层电位最大；当列车远离交叉点时，交叉点处的钢轨泄露电流逐步减小，交叉点处的管道涂层电位逐步减小。

2.2.3 现场测试分析

通过对测试结果与仿真计算结果的对比可以看出，现场测试过程中，检测到的管道涂层上的最大电位约3.4 V，仿真计算最大涂层电压为3.6 V。由于牵引负荷为随机性负荷，时刻都在发生变化，因此，本次对列车通过铁路与管道交叉处的实测最大电位与相同工况下建模仿真的计算结果最大值进行对比，误差为5.9%。考虑到钢轨对地泄露电阻以及土壤电阻率的误差，可以认为利用CDEGS的HIFREQ模块所建立的电气化铁路对油气管道干扰计算仿真模型具有较高的计算精度，可以用于模拟电气化铁路对沿线管道上的最大交流干扰电压的分析研究。

(a) 当列车位于管道与铁路交叉点时；(b) 列车逐渐远离交叉点100 m运行时

3 电气化铁路对油气管道电磁干扰因素研究

目前，电气化铁路常用牵引网供电方式有AT供电和带回流线的直接供电方式，不同的供电方式对沿线油气管道的电磁干扰影响程度也不相同。电气化铁路与油气管道的相互位置关系、土壤电阻率等也影响着油气管道的电磁干扰影响程度。本文利用前述基于CDEGS的交流电气化铁路仿真模型，对影响电气化铁路对油气管道电磁干扰程度的各方面因素进行分析，寻找电气化铁路对油气管道电磁干扰影响规律。

3.1 不同的供电方式

采用2种不同的牵引网供电方式，主要计算参数如下：

1) 导线参数

接触线采用CTMH150,承力索采用JTMH120。

2) 负荷电流：900 A。

3) 土壤电阻率：100 Ω∙m。

4) 管道与铁路平行，间距50 m，平行长度1 000 m。

5) 管道涂层电阻率：33 300 000 Ω∙m 。

6) 管道相对电阻率为9.67，相对磁导率为300，管径为1 016 mm。

AT供电方式(AT)和带回流线的直接供电方式(TRNF)仿真计算结果如图10。

图10 不同的供电方式的涂层耐受电压

由上述计算结果可以看出，相同条件下，带回流线的直接供电方式管道最大涂层电压为28.9 V，当采用AT供电方式时，钢轨泄露电流较小，由阻性耦合引起的管道电位也大幅降低。因此，牵引供电系统采用AT供电可以降低对沿线油气管道的电磁干扰影响程度。

3.2 不同的交叉角度

以AT供电方式为例，参数与4.1中相同，当电气化铁路与油气管道分别以30°，60°和90°的角度交叉时，油气管道受干扰程度分别计算如图11。

图11 不同交叉角度的涂层耐受电压

由上述计算结果可以看出，由于电气化铁路对沿线油气管道的电磁干扰影响主要是阻性耦合引起的，当电气化铁路与油气管道交叉时，不论交叉角度如何变化，油气管道受电磁干扰影响总是存在。除交叉点处的管道电压基本相当外，其余点随交叉角度变大，管道上的受干扰程度有所变小。

3.3 不同的平行距离

电气化铁路与油气管道距离的远近对管道上的受干扰程度也不相同，当管道与铁路平行长度为1 000 m，参数与4.1中相同，电气化铁路与油气管道距离分别为20，50，100和200 m时，油气管道干扰最大值分别计算如图12。

图12 不同平行距离涂层耐受电压

由上述计算结果可以看出，随着电气化铁路与油气管道间距离增加，管道受电磁干扰的程度逐步减小，当间距达到200 m时，影响几乎可以忽略。

3.4 不同的平行长度

当管道与铁路距离为100 m，参数与4.1中相同，电气化铁路与油气管道平行长度分别为500，1 000，2 000和5 000 m时，油气管道受干扰程度分别计算如图13。

由上述计算结果可以看出，随着电气化铁路与油气管道平行长度的增加，管道受电磁干扰的程度逐步加大。

3.5 不同的土壤电阻率

以AT供电方式为例，铁路与管道间距50 m，平行长度1 000 m，参数与4.1中相同，土壤电阻率分别为10，50，100，200和500 Ω∙m时，油气管道受干扰程度分别计算如图14。

图13 不同平行长度涂层耐受电压

图14 不同平行长度涂层耐受电压

由上述计算结果可以看出，随着土壤电阻率的增加，管道受电磁干扰的程度逐步加大。但当土壤电阻率升高到一定程度时，管道上的涂层电压基本不变。

(a) 仿真模型；(b) 计算结果

3.6 距离牵引变电所的不同位置

由于牵引电流最终通过钢轨、大地、回流线等流回牵引变电所，因此靠近变电所处大地中的电流也达到最大，建立管道接近牵引变电所仿真模型(图15(a))，参数与4.1中相同，计算结果(图15(b))如 图15。

由上述计算结果可以看出，管道越靠近牵引变电所，管道上的干扰电压电压，距离最近时，干扰电压达到最大值。

4 电气化铁路对油气管道电磁影响的防护措施分析

根据国内外同类工程经验，对于降低交流电气化铁路对油气管道电磁影响可采取的防护措施主要有：接地排流、增设屏蔽等。对于采用接地排流时，接地体可采用镀锌钢或锌带等。

本文利用CDEGS建立不同的铁路与管道位置关系模型，通过设置不同的防护方案，对比分析防护效果。对上述不同情况下管道涂层电压的仿真计算结果统计如下。

表3 管道涂层电压最大值

由仿真计算结果可以看出，设置屏蔽和接地排流均能减缓电气化铁路对沿线油气管道的交流干扰影响，采用接地排流，接地体采用锌带的防护措施防护效果更好。

5 结论

1)基于CDEGS平台建立电气化铁路牵引负荷对油气管道电磁干扰的仿真模型，并利用实测数据对计算模型进行了验证，为评估交流电气化铁路对沿线油气管道的电磁干扰程度提供了有力手段。

2) 基于CDEGS仿真模型，对影响电气化铁路对油气管道电磁干扰程度的各方面因素进行分析，包括牵引网供电方式、管道与电气化铁路的位置关系、管道与牵引变电所的位置关系、土壤电阻率等，给出了电气化铁路对油气管道电磁干扰影响规律。

3) 利用建立的仿真模型对目前常用的减缓电气化铁路对油气管道影响的措施及其效果进行对比分析，为油气管道电磁干扰防护措施的选取提供了依据。

[1] 吴长访, 王波, 裴青, 等. 铁秦线管道交流杂散电流干扰检测与评价[J]. 管道技术与装备, 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] 鲜俊, 王文斌, 梅鹏, 等. 电气化铁路杂散电流对埋地管线干扰影响研究[J]. 全面腐蚀控制, 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. 电气化铁路对油气管道的影响及防护措施[D].成都: 西南交通大学, 2013. WANG Ke. The interference of oil and gas pipelines caused by electric railway and protection measures[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2013.

[6] 陈民武, 朱久国, 解绍锋, 等. 牵引供电系统对埋地管道阻性耦合交流干扰建模及仿真[J]. 中国铁道科学, 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] 高攸纲, 沈远茂, 石丹. 交流电气化铁道对周围电气及电子系统的阻性耦合影响[J]. 邮电设计技术, 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] 张丽艳, 李群湛, 朱毅. 新建电气化铁路牵引负荷预测[J]. 西南交通大学学报, 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] 李伟, 杜艳霞, 姜子涛, 等. 电气化铁路对埋地管道干扰的研究进展[J]. 中国腐蚀与防护学报, 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] 朱久国. 交流电气化铁路对埋地油气管道电磁干扰特性研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2013. ZHU Jiuguo. Research on electromagnetic[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2013.

[14] 余纲. 基于CDEGS的客运专线贯通地线与所亭连接方式分析[J]. 自动化技术与应用, 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] 王强. 基于CDEGS的高速铁路非载流吊弦区段接触悬挂和电连接电气负荷计算[J]. 铁道标准设计, 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

中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2017J005-C)

盛望群(1981−)，男，陕西西安人，高级工程师，从事电气化铁路牵引供电系统研究；E−mail：36411004@qq.com

(编辑 阳丽霞)