高速铁路故障状态对埋地管道的干扰影响

孟 成

(国家管网集团东部原油储运有限公司，武汉 430000)

随着我国经济的快速发展，越来越多的埋地油气管道和高速铁路建成并投入使用。根据国家发改委颁布的《中长期铁路网规划》(2016年发布)和《铁路“十三五”发展规划》(2017年发布)，截至2015年底，全国铁路营运里程为12.1万公里，其中高速铁路为1.9万公里，至2020年，铁路网规模为15万公里，其中高速铁路为3万公里，至2025年，铁路网规模预计为17.5万公里，其中高速铁路预计为3.8万公里。随着我国高速铁路的发展，高铁线路运营里程不断增长，拟建/在建高铁不可避免会与在役埋地钢质管道临近、交叉和平行。我国电气化铁路牵引供电系统采用单项工频25 kV交流供电制式，这会对钢质埋地管道产生阻性耦合干扰和感性耦合干扰[1]。

1984-1986年，胡士信等[2]测试了直供式宝成线和自耦变压器供电式(AT供电方式)京秦线对临近埋地钢质管道的干扰影响，结果表明，宝成线附近管道的交流干扰电压为30 V，远大于京秦线附近的埋地管道(约2 V)，同时讨论了受电气化铁路影响产生电阻耦合、电容耦合和电磁耦合干扰的埋地钢质管道需要采取的抗干扰防护措施类型及其效果。这可能是国内最早关于电气化铁路对临近埋地钢质管道干扰的研究报道之一。

高速铁路综合接地系统通过贯通地线连接将沿线路基段、隧道等强电和弱电接地、建筑接地等,使高铁具有优异的接地能，保证了高铁的安全运行。当高铁遭受雷击和故障时，雷击和故障电流会通过综合接地系统的贯通地线散流，保障了高铁的运行安全，但这会对临近、交叉处的埋地钢质管道产生影响。高铁故障时有发生，最大故障电流为6 646 A[2-5]。

近年来，随着技术进步，采用数值模拟仿真计算可以预测和评价拟建/在建干扰源对在役埋地钢质管道的干扰影响，并可对超过限制要求的管道进行模拟设计。孙兆强[6]利用数值模拟软件预测了埋地输油管道受高铁输电系统干扰的模型,预测了高铁机车运行至不同位置对管道造成的干扰。根据预测结果，三辆机车同时运行时，管道沿线干扰电压出现最大值71.33 V，管道沿线最大交流电流密度为223.22 A/m2，均需采取相关干扰防护措施。李平[7]也采用数值模拟计算技术研究了海缆和陆上换流站的稳态和故障态杂散电流对海底管线的干扰，结果显示海缆稳态运行时对海底管线影响甚微，但故障态运行时管道接触电压可能超限，需要采用锌带在登陆段进行缓解。上述研究均着重于干扰源稳态状况下对临近埋地钢质管道的影响，本工作采用软件模拟和仿真计算，对高铁故障状态下对临近埋地钢质管道的影响进行建模计算和分析评价，并给出了缓解方案。

1 项目介绍

对于电磁干扰的计算，传统方法是采用等效电路法将整个系统等效为不同的电器元件，如：电阻、电容、电感等，然后利用经典电工理论进行求解。然而，这种方法存在过度简化计算参数、计算公式繁琐、计算精度低等问题，因此逐渐被数值模拟技术所取代。数值模拟技术采用的工程理论和物理系统从根本上讲是基于积分或微积分形式的麦克斯韦方程组。目前，求解麦克斯韦方程组的方法较多，本工作采用的数值模拟软件是基于矩量法(MoM)进行求解的。

本工作涉及的干扰源为在建合安九高铁，现称“京港高铁合安九段”。由于地理区域局限，合肥至安庆段高铁与已建管道1、管道2(原油管线)各存在1处交叉，且管道1与该铁路段并行间距<1 000 m的管段长度约3.25 km，管道2与该铁路段并行间距<1 000 m的管段长度约7 km，交叉并行信息见图1。管道1材质为L450钢，管径864 mm，壁厚11.9 mm，管道利用外加电流阴极保护系统及防腐蚀层进行保护，防腐蚀层采用环氧粉末。管道2材质为L450钢，管径864 mm，壁厚12.7 mm，利用外加电流阴极保护系统及防腐蚀层进行保护，防腐蚀层为三层结构的聚乙烯防腐蚀层(3PE)。根据相关资料，与埋地管道临近交叉的高铁共有1座分区所，2座变电所和2座AT所，将高铁线路分为4个AT供电区间。

图1 在建高铁与管道1及管道2的位置示意图

2 故障运行评估指标

高铁运行时发生的主要故障为短路故障，会导致供电系统电流增大，对周围管道产生的干扰较稳态运行时明显增大，但是持续时间较短，造成的主要危害包括：对附近的人员造成电击危害，导致管道防腐蚀层击穿造成损害。关于人身安全电压，表1所示为电力标准DL/T 5033-2006《输电线路对电信线路危险和干扰影响防护设计规程》规定的考虑了不同输电线路故障持续条件下的人身安全电压允许值，由此可得输电线路故障时的人身安全电压允许值至少为650 V。

表1 人身安全电压允许值

另外，根据GB/T 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》规定，当系统发生接地故障时，人体可承受的接触电压差即人体安全电压应满足如下要求：

(1)

式中：U为接触电压；ρ为地表层的土壤电阻率；C为表层衰减系数；t为接地故障电流持续时间。

现场测试土壤电阻率为69.08Ω·m，高铁故障的短路时间约为0.1～0.7 s，为了保证评估的安全性，故障时间选择0.7 s；C为表层衰减系数，是为了提高接触电压差允许阈值而敷设高电阻率表层材料时，设置的一个校正系数，当不敷设高电阻率表层材料时，C一般为1。可得允许的人身安全电压为222 V。

NACE SP 0177标准将涂层耐受电压(coating stress voltage)定义为管道涂层内表面(钢表面)与涂层外表面(接触土壤的表面)之间的电位差。管道附近的高压输电系统发生故障时，管道外涂层会产生耐受电压，埋地管道由于电磁感应产生了交流电压，同时，大量短路入地电流在土壤中形成一个强大的电场，并通过阻性耦合进一步增大了埋地管道的对地电位。NACE SP 0177-2014第 4.13.2 标准中规定了不同管道防腐蚀层的耐受电压阈值，沥青涂层为1 000～1 200 V，煤焦油防腐蚀层为3 000 V，熔结环氧(FBE)和3层聚乙烯涂层(3LPE)为3 000～5 000 V。SOUTHEY等利用软件模拟计算输电线路故障状态对管道的干扰影响时，指出FBE和聚乙烯(PE)管道涂层的耐受电压极限值(最小值)为3 000 V，且3 000～5 000 V均是可以接受的[7-11]。该数值代表电弧通过涂层破损点对涂层进行破坏的最小电压，更大的电压可能会导致管道本体损伤，但并未描述该极限值的试验依据。

我国目前在役管道的防腐蚀层主要类型为FBE和3LPE，但国内相关标准对不同涂层的耐受电压并没有详细数据。何骁[8]研究了高压输电线路对埋地金属管道的腐蚀影响，结果表明：熔结环氧粉末保护的金属管道在工频情况下的耐压为14～15 kV，雷电冲击耐压为28 kV；三层聚乙烯(3PE)保护的金属管道的工频耐压为57 kV，雷电冲击耐压为109 kV[11]。考虑到高铁故障情况下大电流的作用可能会对管道涂层产生较大影响，严重时会形成地下电弧损害管道涂层和管道基体，故本工作选择的管道涂层耐受电压与NACE SP 0177-2014《Mitigation of alternating current and lighting effects on metallic structures and corrosion control systems》标准中的一致，为3 000 V。

综上所述，得到故障态运行情况下交流干扰的评价指标：人身安全电压为222 V；涂层耐受电压小于3 000 V。

3 故障干扰预测

根据资料，高铁变电所、分区所、AT所将该段高铁线路划分为4个AT区间，每个区间单向最多运行1辆机车，在软件中建立该段高铁线路和临近管道的模型。针对故障干扰状态预测，将机车位置设置于交叉点处，发生短路故障时计算得到管道1的接触电压和涂层耐受电压分布。由图2可知，故障状态下，管道交流干扰接触电压最大值均出现在交叉点附近，管道1的最大交流干扰接触电压为222.24 V，涂层耐受电压为221.36 V。管道1的最大接触电压为222.24 V，大于222 V的安全电压限值，需采取干扰防护措施。

(a) 接触电压分布云图 (b) 涂层耐受电压分布云图

针对管道2，机车位置为运行至AT区间4的AT所，计算此位置发生短路故障时的管线接触电压及涂层耐受电压。由图3可知，故障状态下管道2的最大交流干扰接触电压为1 048.30 V，涂层耐受电压为1 049.73 V。管道2的最大接触电压为1 048.30 V，大于222 V的安全电压限值,需采取干扰防护措施。

(a) 接触电压分布云图 (b) 耐受电压分布云图

4 故障运行时干扰防护措施设计

根据GB/T 50698-2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》标准中关于"故障和雷电干扰的防护措施"的描述，可采用"故障屏蔽"的方式对故障和雷电干扰进行防护。所谓故障屏蔽即为沿管道平行敷设一根或多跟浅埋接地线(一般为与管道同深的带状锌阳极)作为屏蔽体，减轻在高速铁路故障或雷击时，强电冲击对管道防腐层和管道本体的影响。在浅埋接地线和管道之间可安装固态去耦合器等装置，将管道瞬间干扰电压降到容许值以下，值得注意的是，该固态去耦合器用于缓解故障电流时使用，选择型号及参数时应至少注意如下两个方面[13]：

(1) 该固态去耦合器产品需具备“Fail-Sail”功能(失效安全功能)，当强电流冲击固态去耦合器发生故障时，固态去耦合为短路而非断路；

(2) 该固态去耦合器性能指标中的交流故障电流指标至少大于3.5 kA。

4.1 管道1的干扰防护设计

根据上述最大干扰预测结果，在管道1的4处位置敷设锌带，共计400 m，详见表2。

表2 锌带敷设详情

布置上述防护方案后，计算故障时管道1的干扰电压分布如图4所示，最大干扰电压为192.61 V，满足222 V的人身安全电压限值。

图4 敷设400 m锌带后，管道1在故障运行时的接触电压云图

4.2 管道2的干扰防护设计

根据上述最大干扰预测结果可知，管道2的干扰电压分布存在多个峰值，共在8处位置敷设锌带，共计900 m，详见表3。

表3 锌带敷设详情

布置上述防护方案后，计算得到故障时管道2的干扰电压分布。由图5可见： 最大干扰电压由1 040.83 V降低至187.02 V，满足222 V的人身安全电压限值。

图5 敷设900 m锌带后，管道2在故障运行时的接触电压云图

根据上述计算结果可知，在管道1的4处位置敷设锌带400 m，在管道2的8处位置敷设锌带900 m后，管线所受干扰均满足限值要求。

5 结论

(1) 高速铁路故障时，会对埋地钢质管道产生人身安全和管道安全影响，尤其要注意大电流对涂层耐受电压的影响；

(2) 采用敷设锌带+固态去耦合器的方式可以缓解上述影响，但应注意固态去耦合器的参数和选型；

(3) 国内对管道涂层耐受电压的研究较少，笔者呼吁应尽快开展相关研究和试验工作，保障管道服役安全。