電氣化鐵路沿線油氣管線電磁干擾防護工程實踐

劉 通

0 引言

隨著我國基礎設施建設的大力推進，電氣化鐵路以其更高的運輸速度、更大的運載能力、更低的運輸成本和更好的安全性得到廣泛關注，新時期“八縱八橫”高速鐵路網的宏偉藍圖已經初現規模。受制于城市化建設等因素的影響，電氣化鐵路與油氣管線綜合管廊密集交織的現象難以避免。

電氣化鐵路牽引供電系統一般采用交流單相制，其波動性大、電壓不平衡等特點會對沿線近距離平行或交越的埋地油氣管線造成交流電磁干擾。雖然近些年電氣化鐵路牽引供電方式多采用帶回流線直接供電和AT供電方式，最大限度地從源頭減弱了電磁干擾程度，然而大量研究成果表明，在被干擾端施加防護措施仍然十分必要。

文獻[1]研究了電磁作用對人身安全及管道安全、陰極保護設備等的影響，并給出了安全電壓的限值；文獻[2]研究了交流電氣化鐵路接觸網主要通過容性耦合、阻性耦合和感性耦合的方式對油氣管線產生電磁干擾，二者距離越近，感應電壓越大，其安全隱患就越大；文獻[3]提出了管道交流干擾影響的評估指標，并分析比較了兩種防護方式的特 點，提出了切實可行的排流設計方案。通過查閱資料，如何更加有效地針對電氣化鐵路電磁干擾進行防護仍然是個值得關注的問題。本文結合近期開通項目京沈客專鐵路工程，對電氣化鐵路跨越油氣管線區段電磁干擾防護工程設計方案進行分析，并通過現場實測數據分析驗證設計方案的效果，為同類型工程項目提供參考。

1 工程概況

1.1 項目情況簡介

新建京沈鐵路客運專線位于華北和東北兩大經濟區之間，是溝通東北、華北、華東、中南等地區的重要通道，亦是連接華北、華東、中南與東北經濟區的紐帶，其地理位置十分重要。本項目電氣化鐵路沿線主要涉及沈陽燃氣有限公司、沈陽石蠟化工有限公司，中石油沈陽輸油氣分公司、中石油錦州輸油氣分公司、遼河油田油氣集輸公司、阜新大唐等產權單位所屬的輸油氣管道與電氣化鐵路交越或平行，會不同程度上受到交流電磁干擾影響。為減少乃至于消除這些影響，確保新建京沈鐵路客運專線及上述被干擾的設施安全正常運行，對上述設施需要分別采取相應的電氣化防護措施。

1.2 防護設計原則

對于與交流電氣化鐵路交越平行的油氣管道，根據管道的性質和可能產生的干擾程度，采取以人身和設備的安全作為防護重點并兼顧管道防腐的原則。為了減少和消除電磁干擾并兼顧管道防腐，對管道采用排流方式，并結合管道性質及既有防護工藝，選取相應的防護設計方案。對于沒有采取外加強制電流保護的裸露油氣管線及既有犧牲陽極防護的管線，建議采取犧牲陽極防護措施；對于運行時間要求較長、使用要求較高、既有強制電流保護的管線，建議采取固態去耦合防護方案。對可能造成影響的防護設施，可采取先監測后防護的方法，待電氣化鐵路開通后根據測試結果確定補充防護方案。

2 防護方案

2.1 防護方案說明

防護方案通過防護理論模擬計算和方案設計研究確定，并根據不同的防護對象與防護經驗確定被防護設施防護類別與性質，確定防護方案設計，并得到產權單位的同意和認可方可進行實施。以沈陽樞紐區域為例，該區域地下管網多為天然氣鋼制管道，管徑150～400 mm，部分管線外側設有高性能3PE防腐層，設置有強制電流保護。經過與產權單位協商和專家方案評審，最終確定采用固態去耦合器排流方式。

固態去耦合器通過電纜與管道采用鋁熱焊連接，另一端與接地地床連接，接地地床需埋設于凍土層以下，接地電阻要求低于管道對地電阻且不大于4 Ω，從而達到排流的效果。測試探頭通過電纜接入固態去耦合裝置，利用測試探頭可以測量管地電位、交流干擾電壓等數據。排流設施縱斷面布置情況如圖1所示。

圖1 排流設施縱斷面布置示意圖（單位：mm）

2.2 排流設備工作原理

國外學者多年前曾利用固態半導體材料研制出固態去耦合器，2007年前后該方案被引入我國，并在新建長輸管道中得到了廣泛應用[4]。固態去耦合器采用整流裝置對交直流干擾進行電流泄放和電壓限制，正常工作狀態下既能夠阻斷直流，防止既有管道陰極保護電流的流失，又能釋放交流電流，降低入地交流雜散電流對管道的影響。此外，該設備充分利用了壓敏電阻型浪涌保護器快速響應的特性，并結合火花間隙型浪涌保護器的耐受電流大、殘壓低等特性，能有效避免直擊雷電流和感應雷電流等強能量的干擾[5]。本工程選用的固態去耦合器性能參數如表1所示。

表1 固態去耦合器的性能參數

當有長時小電流干擾時，固態去耦合器工作在“直流隔離模式”，主要通過箝位式模塊將管道電位限制在-2.0～+2.0 V范圍，該閾值電壓也可以根據運營單位要求適當調整，以確保管道在既有陰極保護效果不受影響的同時免受交流電氣化鐵路接觸網運行電流產生入地雜散電流的影響。

當與管道鄰近的電氣化鐵路存在短路故障或架空避雷線遭受雷擊時，入地短路電流瞬間激增，管道周圍土壤電位梯度變化較大。感性及阻性耦合等因素交織，會在管道中感應出短時大電流，此時，固態去耦合器自動切換為“短路模式”，浪涌保護器動作，經過短暫延時后火花間隙動作，從而有效降低直擊雷、感應雷等強電流沖擊對管道的影響。

通過箝位模塊和防浪涌模塊的切換配合，可排除各種工況下電磁干擾對管道陰極保護系統的影響，延長管道的使用壽命，確保運行安全。

2.3 施工主要技術要求

2.3.1 管道定位開挖

通過管道里程標初步判斷管道位置，采用地質雷達對管道位置進行精確測量，技術人員對管道位置進行標定，并指導施工人員開挖。開挖采用機械與人工相結合的方式，初始開挖時可采用機械開挖，當接近管道時，采用人工開挖方式，避免機械開挖損傷管道。

2.3.2 管道焊接與補口

在管道焊接施工前，施工單位需與相關單位辦理管道動火作業手續，并要求產權單位派遣安全監督人員對動火全過程進行監督管理，同時做好相應安全措施與配備消防設備，保證油氣管道的安全。

在取得產權單位安全監督人員的同意后，施工人員方可實施焊接。焊接前，在管道焊接防腐層上開50 mm×50 mm的方孔，需露出金屬管壁，采用鋁熱焊模具進行電纜焊接。焊接工藝如圖2所示。

圖2 管道與電纜焊接工藝示意圖

管道焊接施工完成后，需對連接處焊點采用補傷片和固定片防腐密封，要求固定片與電纜結合緊密。先將破口處清理干凈，去除焊渣等異物，然后將補傷片平鋪在破口處，用火焰加熱器均勻加熱，保證補傷片均勻融化并覆蓋住整個破口區域；取固定片，固定片大小與防腐層搭接寬度不小于100 mm，用火焰加熱器均勻加熱膠黏劑，膠黏劑均勻溶化后，開始封閉破口區域，從一側均勻擠壓，排出空氣，直至固定片整體覆蓋破口處。

2.3.3 地床制作安裝

固態去耦合接地裝置制作：垂直接地極采用Φ20鍍鋅鋼管制作而成，每根長度為2.5 m，水平接地極采用50×5的鍍鋅扁鋼，兩者之間采用U型焊接加固夾進行焊接加固。地床土方挖填：開挖長25 m的地床溝，根據凍土情況確定埋設，并在每支接地鋼管位置開挖地極坑。

將預制好的接地極鋼管垂直安裝，接地極相互間距為5 m，其頂端距地面大于700 mm。用扁鋼帶將各鋼管連接，連接處采用電焊焊接，各接縫均應焊牢，焊縫應飽滿均勻。用銅焊將連接電纜焊至扁鋼端頭位置。上述焊點及周圍100 mm范圍內用環氧煤瀝青進行加強防腐絕緣處理。

2.3.4 測試探頭安裝

一般將探頭埋設在被保護管道附近的土壤中，埋設深度可與管道相同。實施前，先將測試探頭浸泡在適量的蒸餾水或清潔淡水中不少于2 h；將埋有測試探頭的回填料袋埋入預先挖好的埋設坑中，并將周圍土壤壓實，隨后在埋設地點澆灌適量的淡水以改善電極連接狀態；然后將電極導線接入排流裝置測量回路即可使用。

3 效果測試

3.1 測試方法

在京沈客專正式開通運營且管道防護工程設施安裝投用后，針對本工程范圍進行管道防護效果測試，以檢驗電氣化防護工程設施的防護效果。測試項目主要包括管道交直流24 h監測、排流設施檢查、土壤電阻率測試、接地極接地電阻及接地極開路電位測試、鐵路與防護對象位置關系調查等。主要項目測試方法如下：

在管道與鐵路交越或平行段上選擇排流設施安裝位置，利用雜散電流測試儀連續監測管道對地的交、直流電位，檢驗箝位式排流器電氣化防護設施的防護效果。直流電位測試采用飽和硫酸銅參比電極，交流電位測試采用鋼釬參比電極，雙通道同時監測，測試周期為24 h，采樣速率為1次/s。

利用接地電阻測試儀采用等距四極法測量并計算2 m深的土壤電阻率，測試時4個鋼釬電極應平行于管道布置。

3.2 管道交流干擾防護效果評價指標

參照GB/T 50698—2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》的規定：針對已實施交流干擾防護工程的管段，在土壤電阻率不大于25 Ω·m的地方，管道交流干擾電壓低于4 V；在土壤電阻率大于25 Ω·m的地方，交流電流密度小于60 A/m2；在安裝陰極保護電源設備、電位遠傳設備及測試樁位置處，管道上的持續干擾電壓和瞬間干擾電壓應低于相應設備所能承受的抗工頻干擾電壓和抗電強度指標，并滿足安全接觸電壓的要求。

3.3 防護效果測試結論

以沈陽燃氣公司SYRQ-SSD10排流設備為例，該處防護對象與京沈客專線路呈交越狀態，二者位置關系如圖3所示。

圖3 鐵路與防護對象位置關系

經現場測試點檢測，現場排流設施外觀良好，接線、標牌及測試端子均完好；通過對管道及接地極參數測試，管地電位及接地電阻均滿足規范要求，管道排流后，交流干擾電壓降低率達到30.6%，效果較為明顯。測試數據詳見表2。

表2 排流設施測試記錄

通過對排流設施處管地電位進行24 h監測（圖4），測得管地電位最高-0.9673 V，管地電位最低-1.4223 V，平均管地電位為-1.1983 V，排流設施投運未對既有陰極保護系統產生影響，根據GB/T 50991—2014《埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準》，管地電位滿足陰極保護電位標準要求。

圖4 管地電位（V）24 h監測曲線

通過24 h交流電壓監測記錄（圖5），測得交流電壓最高0.5506 V、交流電壓最低0.0356 V，平均交流電壓為0.2531 V。

圖5 管道交流電壓（V）24 h監測曲線

分析該測試點交流干擾電壓-時間曲線，結果顯示：當鐵路列車通過時，該測試點管道交流干擾電位有所變化，但均小于1 V，其余測試點排流設施投入后的交流干擾電壓也均在4 V以下，防護狀態下的燃氣管道受電氣化鐵路交流干擾影響較弱；實測該處的土壤電阻率為72.8 Ω·m，防護設備投入狀態下的交流電流密度為8.0 A/m2，測試結果滿足GB/T 50698—2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》規范要求。

4 結語

針對電氣化鐵路與埋地鋼制油氣管線交叉或近距離并行產生的電磁干擾問題，本文結合實際工程項目，詳細描述了一種采用固態去耦合器排流方式的實施方案。在電氣化鐵路開通運營后，通過現場測試檢驗，并對采樣結果進行分析，證明了該防護方案的有效性，可為今后相關工程建設的電磁干擾防護設計提供參考。