原油管道受混合交流杂散电流干扰的监测及防护设计

雍信实

(中国石化管道储运有限公司 南京输油处，南京 210046)

随着我国经济的发展，电力、石油及交通运输等行业迅速发展，同时由于地理位置的限制，石油天然气管道、输电线路和电气化铁路使用的“公共走廊”越来越多[1-3]，高压交流输电线路和电气化铁路会产生杂散电流对石油管道形成干扰，近年来此类案例频繁发生[4-8]，管道的安全问题日益凸显。华东某原油管道同时与高压交流输电线路和电气化铁路相邻，且长距离并行，管道存在交流杂散电流干扰的风险，管道的安全运行受到威胁。

本工作梳理了交流杂散电流的影响机理和危害，通过24 h监测管道交流电压、交流电流密度及周边的土壤电阻率，评估管道受交流杂散电流干扰的程度，分析了高压交流输电线路、电气化铁路和两者同时存在情况下，交流杂散电流干扰的规律，并利用数值模拟技术对干扰严重管段的防护措施进行模拟计算，提出干扰防护的具体实施措施。

1 交流杂散电流影响机理和危害

交流杂散电流对钢质管道造成影响的机理主要有：感应耦合影响、容性耦合影响和电阻耦合影响[9-11]。

感应耦合影响是由于电流在高压交流输电线路或者电气化铁路的高压牵引供电线路中流动时，电流的大小和方向会不停变化，导致周围形成交变磁场,处于该交变磁场范围内的埋地钢质管道就会产生感应电动势，管道对地出现交流电压。

容性耦合影响又称静电耦合影响。高压交流输电线路或者电气化铁路的高压牵引供电线路周围会形成垂直于输电线路表面的高压静电场，在静电感应作用下，输电线路与管道之间通过分布电容的耦合，引起管道对地电压升高，从而产生有害的影响。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，即此影响主要发生在管道安装阶段，而对于埋地管道不会产生影响。

阻性耦合影响又称入地电流影响。除了作为机车车辆的走行轨之外，电气化铁路的钢轨作为牵引供电系统的重要组成部分之一还起到牵引供电网回流线的作用。道床上的钢轨与大地之间并非完全绝缘，机车正常运行时部分牵引电流可在机车附近通过钢轨泄入大地。这些流入大地的部分杂散电流会对埋地金属管道造成阻性耦合影响。输电线路发生短路或者故障时，也会有故障电流通过输电线路的杆塔接地流入大地，对附近的埋地金属管道造成阻性耦合影响。

交流杂散电流对埋地钢质管道造成的危害主要有[2,12-13]：1) 管道上的交流电压超过人体承受值，可能威胁人身安全；2) 影响管道上阴极保护装置的正常运行甚至导致阴极保护装置损坏；3) 故障状态下，电阻耦合影响造成的高电压可能击穿管道绝缘层或者本体；4) 管道防腐蚀层破损点处流出杂散电流，产生了交流腐蚀。

2 监测方法

对输油管道的交流电压和交流电流密度进行24 h监测。测试使用uDL2数据记录仪、铜/饱和硫酸铜参比电极和1 cm2的极化试片，接线方式如图1，在每个测试桩位置进行测试，数据记录仪设置为每秒采集1组数据。

图1 交流电压和交流电流密度测试接线示意图Fig.1 Schematic diagram of wiring for AC voltage and AC current density test

3 结果与讨论

3.1 管道与干扰源的相对位置

输油管道在348号和372号测试桩附近与电气化铁路交叉，在322号至373号测试桩间与电气化铁路长距离并行，并行间距为30～1 540 m；从347号测试桩开始与高压交流输电线路并行；在350号测试桩附近与输电线路分开，在352号测试桩附近再次与输电线路并行，在354号测试桩附近再次分开，见图2。

图2 高压交流输电线路、电气化铁路与输油管道的相对位置示意图Fig.2 Schematic of relative positions of high-voltage AC transmission line and electrified railway with oil pipeline

3.2 管道沿线交流干扰程度

管道沿线24 h的交流电压和交流电流密度监测结果见图3和图4。由图3可以看出，管道交流电压最大值达到了44.48 V，有13个测试桩测得的管道交流电压的最大值高于15 V，超过NACE SP0177-2014(Mitigation of Alternating Current and Lightning Effects on Metallic Structures and Corrosion Control Systems)标准规定的安全电压限值，存在人身安全风险，其中343号至357号测试桩测得的管道交流电压平均值高于4 V。由图4可见，管道交流电流密度最大值达到了1 248.66 A/m2，共有10个测试桩测得的管道交流电流密度平均值大于100 A/m2，交流干扰程度评价为“强”，根据GB/T 50698-2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》管道应采取交流干扰防护措施。

图3 管道全线交流电压分布图Fig.3 Distribution of AC voltage along pipeline

图4 管道全线交流电流密度分布图Fig.4 Distribution of AC current density along pipeline

3.3 干扰规律分析

本案例中对50个测试桩处管道的交流电压进行监测，此处以334号、342号、353号和357号4个测试桩测得的管道交流电压为例进行分析，其在24 h内的交流电压波动如图5所示。从图5可以看出，334号测试桩处交流电压的平均值为1.65 V，最小值为0.16 V，最大值达到了16.04 V，夜间稳定在0.20 V左右；342号测试桩处交流电压的平均值为4.45 V，最小值为1.46 V，最大值达到了10.98 V，夜间稳定在4.0 V左右；353号测试桩处交流电压的平均值为23.59 V，最小值为18.27 V，最大值达到了28.28 V，夜间稳定在25.0 V左右；357号测试桩处交流电压的平均值为5.06 V，最小值为1.93 V，最大值达到了7.32 V，夜间稳定在5.2 V左右。334号测试桩处交流电压的波动规律与电气化铁路干扰有关，在有机车经过期间，交流电压上升，机车离开后，交流电压下降；353号测试桩处交流电压的波动规律与高压交流输电线路干扰有关，交流电压持续较高，在24 h内有一定幅度缓慢波动；342号和357号测试桩处交流电压受到电气化铁路和高压交流输电线路的混合干扰，交流电压持续较高，同时在有机车经过期间，管道的交流电压或上升或下降，机车离开后，交流电压恢复到持续的稳定值。在仅受到电气化铁路干扰的管段，24 h内交流电压的平均值处于一个较低水平，每次机车经过会造成交流电流的冲击波动；在仅受到高压交流输电线路干扰的管段，24 h内交流电压的平均值处于一个较高水平，随着输电线路输送的功率变化，交流电压缓慢波动。

根据管道受干扰时交流电压的波动规律，将管道分为受电气化铁路干扰占主导的管段(322号～340号和360号～373号测试桩)、受高压交流输电线路干扰占主导的管段(345号～347号和353号～355号测试桩)和同时受电气化铁路和交流输电线路干扰的管段(341号～344号、348号～352号和356号～358号)，见图6。

图7为电气化铁路和交流输电线路混合干扰状态下，交流电压波动规律放大图。由图7可以看出，在混合干扰状态下，两种干扰叠加时，有时造成交流电压冲击波动上升，有时造成交流电压冲击波动下降。在不同的位置，两种干扰叠加造成的交流电压上升和下降的幅度不一样，如图5中342号测试桩处交流电压上升的幅度大于下降幅度，357号测试桩处交流电压上升的幅度小于下降的幅度。

管道交流电压的平均值代表管道受高压交流输电线路干扰的程度。图8为管道交流电压平均值分布。由图8可以看出，从341号测试桩开始，管道交流电压平均值上升，在347号、350号和354号测试桩处分别出现了3个峰值，从354测试桩之后交流电压平均值开始下降。出现峰值的3个测试桩分别对应于管道与高压交流输电线路并行开始和结束位置，及并行段输电线路拐点位置。这说明当管道路径与输电线路路径相对关系发生变化时，高压交流输电线路对管道交流电压干扰程度较大。管道与高压交流输电线路并行时，在并行段的中间位置管道受干扰程度低于并行开始和结束的位置。本案例中，在高压交流输电线路干扰下，管道交流电压从峰值34.5 V(347号测试桩)降至最小值(3.47 V)的管道距离约6 km，从峰值28.02 V(354号测试桩处)降至3.16 V(358测试桩)的管道距离约4 km。这表明高压交流输电线路的干扰范围能延伸至管道路径与高压交流输电线路路径相对关系发生变化位置以外4～6 km处。

(a) 334号 (b) 342号

(c) 353号 (d) 357号图5 334号、342号、353号和357号测试桩测得的管道交流电压Fig.5 AC voltages of pipeline tested by test piles of No.334, 342, 353 and 357

图6 管道沿线不同干扰源干扰的分区图Fig.6 Zoning diagram of different interference sources along pipeline

管道交流电压最大值与稳定值的差值代表管道受电气化铁路动态干扰的程度。图9为管道沿线交流电压最大值与稳定值的差值和测试点与轨道的直线距离。由图9可以看出，在334号、340号和372号测试桩位置，由电气化铁路造成的交流电压最大值与稳定值的差值(以下简称差值)出现峰值。334号和340号测试桩分别位于电气化铁路与管道并行间距最近段的开始和结束位置附近，372号测试桩位于电气化铁路与管道交叉分开点的位置，在344号与341号测试桩之间，管道与电气化铁路的并行间距在100 m左右，其他位置管道与电气化铁路的并行间距在200～1 000 m。这表明电气化铁路与管道近距离并行时，对管道造成干扰影响的峰值也出现在电气化铁路与管道路并行间距发生变化的位置。

图7 混合干扰状态下管道交流电压波动的放大图Fig.7 Enlarged diagram of AC voltage fluctuation of pipeline in mixed interference

图8 管道沿线交流电压平均值分布Fig.8 Distribution of average AC voltage along pipeline

图9 管道沿线交流电压最大值与稳定值差值及测试桩与轨道的距离Fig.9 Difference values between maximum values of AC voltage and stable values and distances between test piles and track

4 缓解措施的数值模拟

在本案例中，管道受干扰严重的管段主要为与高压线并行的管段，干扰主要是由高压交流输电线路造成的，因此采取数值模拟技术，对此段管道的干扰防护措施进行计算。

4.1 预测评估与模型校正

根据管道和输电线路的相对位置，建立高压交流输电线路与管道的计算模型，见图10。利用现场交流干扰的监测数据，对模型进行调整、校正，使得模型计算得到的交流电压与现场实际测试值接近，见图11。

图10 计算模型中管道与高压输电线路相对位置Fig.10 Relative position map of pipeline and high-voltage transmission line in calculation model

(a) 交流电压

(b) 交流电流密度图11 交流电压和交流电流密度的计算值与测试值对比Fig.11 Comparison between calculated values and test values for AC voltages (a) and AC current densities (b)

4.2 缓解措施

本案例参考NACE SP0177-2014标准要求，将管道的缓解目标确定为交流电压小于15 V，交流电流密度小于100 A/m2。缓解措施采用锌带加固态去耦合器，锌带填包料的直径为200 mm，锌带距离管道0.3 m，锌带与管道并行敷设，见图12。

图12 锌带缓解措施示意图Fig.12 Schematic of zinc belt mitigation measure

根据缓解目标的要求及现场施工条件不断调整锌带的位置及数量，计算得到合格的缓解措施方案，即在管道沿线选择9处设置锌带共1 220 m，具体方案见表1。采取缓解措施后，高压交流输电线路干扰段管道的交流电压降低到6.92 V，低于15 V安全限值，交流电流密度降至98 A/m2，小于100 A/m2安全限值，模拟计算结果显示该措施可达缓解目标要求，见图13。

表1 锌带敷设的位置及数量Tab. 1 Location and number of zinc belt laying

5 结论

(1) 研究管道同时受到电气化铁路和高压交流输电线路的交流杂散电流干扰，管道的交流电压达到44.48 V，交流电流密度达到1 248.66 A/m2，管道上的交流电压和交流电流密度均超过标准限值的要求。

(a) 交流电压

(b) 交流电流密度图13 采取缓解措施前后交流电压和交流电流密度Fig.13 AC voltages (a) and AC current densities (b) before and after mitigation measure

(2) 当管道主要受高压交流输电线路或电气化铁路干扰时，管道的交流干扰峰值出现在干扰源路径与管道路径的相对关系发生变化的位置，如并行开始位置和并行结束位置等。

(3) 在电气化铁路与高压交流输电线路造成的混合干扰状态下，两种干扰叠加，有时造成交流电压冲击波动上升，有时造成交流电压冲击波动下降。两种干扰的叠加造成交流电压上升和下降的幅度不一样，部分位置干扰叠加造成的交流电压上升的幅度大于下降幅度，部分位置干扰叠加造成的交流电压上升的幅度小于下降的幅度。

(4) 将受高压交流输电线路交流干扰管段的交流电压降低到15 V，交流电流密度降至100 A/m2时，需要在管道沿线设置9处交流排流点，共需要1 220 m锌带。