孟 成

(國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)東部原油儲(chǔ)運(yùn)有限公司，武漢 430000)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來越多的埋地油氣管道和高速鐵路建成并投入使用。根據(jù)國(guó)家發(fā)改委頒布的《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》(2016年發(fā)布)和《鐵路“十三五”發(fā)展規(guī)劃》(2017年發(fā)布)，截至2015年底，全國(guó)鐵路營(yíng)運(yùn)里程為12.1萬公里，其中高速鐵路為1.9萬公里，至2020年，鐵路網(wǎng)規(guī)模為15萬公里，其中高速鐵路為3萬公里，至2025年，鐵路網(wǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)為17.5萬公里，其中高速鐵路預(yù)計(jì)為3.8萬公里。隨著我國(guó)高速鐵路的發(fā)展，高鐵線路運(yùn)營(yíng)里程不斷增長(zhǎng)，擬建/在建高鐵不可避免會(huì)與在役埋地鋼質(zhì)管道臨近、交叉和平行。我國(guó)電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)采用單項(xiàng)工頻25 kV交流供電制式，這會(huì)對(duì)鋼質(zhì)埋地管道產(chǎn)生阻性耦合干擾和感性耦合干擾[1]。

1984-1986年，胡士信等[2]測(cè)試了直供式寶成線和自耦變壓器供電式(AT供電方式)京秦線對(duì)臨近埋地鋼質(zhì)管道的干擾影響，結(jié)果表明，寶成線附近管道的交流干擾電壓為30 V，遠(yuǎn)大于京秦線附近的埋地管道(約2 V)，同時(shí)討論了受電氣化鐵路影響產(chǎn)生電阻耦合、電容耦合和電磁耦合干擾的埋地鋼質(zhì)管道需要采取的抗干擾防護(hù)措施類型及其效果。這可能是國(guó)內(nèi)最早關(guān)于電氣化鐵路對(duì)臨近埋地鋼質(zhì)管道干擾的研究報(bào)道之一。

高速鐵路綜合接地系統(tǒng)通過貫通地線連接將沿線路基段、隧道等強(qiáng)電和弱電接地、建筑接地等,使高鐵具有優(yōu)異的接地能，保證了高鐵的安全運(yùn)行。當(dāng)高鐵遭受雷擊和故障時(shí)，雷擊和故障電流會(huì)通過綜合接地系統(tǒng)的貫通地線散流，保障了高鐵的運(yùn)行安全，但這會(huì)對(duì)臨近、交叉處的埋地鋼質(zhì)管道產(chǎn)生影響。高鐵故障時(shí)有發(fā)生，最大故障電流為6 646 A[2-5]。

近年來，隨著技術(shù)進(jìn)步，采用數(shù)值模擬仿真計(jì)算可以預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)擬建/在建干擾源對(duì)在役埋地鋼質(zhì)管道的干擾影響，并可對(duì)超過限制要求的管道進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)。孫兆強(qiáng)[6]利用數(shù)值模擬軟件預(yù)測(cè)了埋地輸油管道受高鐵輸電系統(tǒng)干擾的模型,預(yù)測(cè)了高鐵機(jī)車運(yùn)行至不同位置對(duì)管道造成的干擾。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，三輛機(jī)車同時(shí)運(yùn)行時(shí)，管道沿線干擾電壓出現(xiàn)最大值71.33 V，管道沿線最大交流電流密度為223.22 A/m2，均需采取相關(guān)干擾防護(hù)措施。李平[7]也采用數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)研究了海纜和陸上換流站的穩(wěn)態(tài)和故障態(tài)雜散電流對(duì)海底管線的干擾，結(jié)果顯示海纜穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)對(duì)海底管線影響甚微，但故障態(tài)運(yùn)行時(shí)管道接觸電壓可能超限，需要采用鋅帶在登陸段進(jìn)行緩解。上述研究均著重于干擾源穩(wěn)態(tài)狀況下對(duì)臨近埋地鋼質(zhì)管道的影響，本工作采用軟件模擬和仿真計(jì)算，對(duì)高鐵故障狀態(tài)下對(duì)臨近埋地鋼質(zhì)管道的影響進(jìn)行建模計(jì)算和分析評(píng)價(jià)，并給出了緩解方案。

1 項(xiàng)目介紹

對(duì)于電磁干擾的計(jì)算，傳統(tǒng)方法是采用等效電路法將整個(gè)系統(tǒng)等效為不同的電器元件，如：電阻、電容、電感等，然后利用經(jīng)典電工理論進(jìn)行求解。然而，這種方法存在過度簡(jiǎn)化計(jì)算參數(shù)、計(jì)算公式繁瑣、計(jì)算精度低等問題，因此逐漸被數(shù)值模擬技術(shù)所取代。數(shù)值模擬技術(shù)采用的工程理論和物理系統(tǒng)從根本上講是基于積分或微積分形式的麥克斯韋方程組。目前，求解麥克斯韋方程組的方法較多，本工作采用的數(shù)值模擬軟件是基于矩量法(MoM)進(jìn)行求解的。

本工作涉及的干擾源為在建合安九高鐵，現(xiàn)稱“京港高鐵合安九段”。由于地理區(qū)域局限，合肥至安慶段高鐵與已建管道1、管道2(原油管線)各存在1處交叉，且管道1與該鐵路段并行間距<1 000 m的管段長(zhǎng)度約3.25 km，管道2與該鐵路段并行間距<1 000 m的管段長(zhǎng)度約7 km，交叉并行信息見圖1。管道1材質(zhì)為L(zhǎng)450鋼，管徑864 mm，壁厚11.9 mm，管道利用外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)及防腐蝕層進(jìn)行保護(hù)，防腐蝕層采用環(huán)氧粉末。管道2材質(zhì)為L(zhǎng)450鋼，管徑864 mm，壁厚12.7 mm，利用外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)及防腐蝕層進(jìn)行保護(hù)，防腐蝕層為三層結(jié)構(gòu)的聚乙烯防腐蝕層(3PE)。根據(jù)相關(guān)資料，與埋地管道臨近交叉的高鐵共有1座分區(qū)所，2座變電所和2座AT所，將高鐵線路分為4個(gè)AT供電區(qū)間。

圖1 在建高鐵與管道1及管道2的位置示意圖

2 故障運(yùn)行評(píng)估指標(biāo)

高鐵運(yùn)行時(shí)發(fā)生的主要故障為短路故障，會(huì)導(dǎo)致供電系統(tǒng)電流增大，對(duì)周圍管道產(chǎn)生的干擾較穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)明顯增大，但是持續(xù)時(shí)間較短，造成的主要危害包括：對(duì)附近的人員造成電擊危害，導(dǎo)致管道防腐蝕層擊穿造成損害。關(guān)于人身安全電壓，表1所示為電力標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5033-2006《輸電線路對(duì)電信線路危險(xiǎn)和干擾影響防護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)程》規(guī)定的考慮了不同輸電線路故障持續(xù)條件下的人身安全電壓允許值，由此可得輸電線路故障時(shí)的人身安全電壓允許值至少為650 V。

表1 人身安全電壓允許值

另外，根據(jù)GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，人體可承受的接觸電壓差即人體安全電壓應(yīng)滿足如下要求：

(1)

式中：U為接觸電壓；ρ為地表層的土壤電阻率；C為表層衰減系數(shù)；t為接地故障電流持續(xù)時(shí)間。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試土壤電阻率為69.08Ω·m，高鐵故障的短路時(shí)間約為0.1～0.7 s，為了保證評(píng)估的安全性，故障時(shí)間選擇0.7 s；C為表層衰減系數(shù)，是為了提高接觸電壓差允許閾值而敷設(shè)高電阻率表層材料時(shí)，設(shè)置的一個(gè)校正系數(shù)，當(dāng)不敷設(shè)高電阻率表層材料時(shí)，C一般為1?？傻迷试S的人身安全電壓為222 V。

NACE SP 0177標(biāo)準(zhǔn)將涂層耐受電壓(coating stress voltage)定義為管道涂層內(nèi)表面(鋼表面)與涂層外表面(接觸土壤的表面)之間的電位差。管道附近的高壓輸電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，管道外涂層會(huì)產(chǎn)生耐受電壓，埋地管道由于電磁感應(yīng)產(chǎn)生了交流電壓，同時(shí)，大量短路入地電流在土壤中形成一個(gè)強(qiáng)大的電場(chǎng)，并通過阻性耦合進(jìn)一步增大了埋地管道的對(duì)地電位。NACE SP 0177-2014第 4.13.2 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了不同管道防腐蝕層的耐受電壓閾值，瀝青涂層為1 000～1 200 V，煤焦油防腐蝕層為3 000 V，熔結(jié)環(huán)氧(FBE)和3層聚乙烯涂層(3LPE)為3 000～5 000 V。SOUTHEY等利用軟件模擬計(jì)算輸電線路故障狀態(tài)對(duì)管道的干擾影響時(shí)，指出FBE和聚乙烯(PE)管道涂層的耐受電壓極限值(最小值)為3 000 V，且3 000～5 000 V均是可以接受的[7-11]。該數(shù)值代表電弧通過涂層破損點(diǎn)對(duì)涂層進(jìn)行破壞的最小電壓，更大的電壓可能會(huì)導(dǎo)致管道本體損傷，但并未描述該極限值的試驗(yàn)依據(jù)。

我國(guó)目前在役管道的防腐蝕層主要類型為FBE和3LPE，但國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同涂層的耐受電壓并沒有詳細(xì)數(shù)據(jù)。何驍[8]研究了高壓輸電線路對(duì)埋地金屬管道的腐蝕影響，結(jié)果表明：熔結(jié)環(huán)氧粉末保護(hù)的金屬管道在工頻情況下的耐壓為14～15 kV，雷電沖擊耐壓為28 kV；三層聚乙烯(3PE)保護(hù)的金屬管道的工頻耐壓為57 kV，雷電沖擊耐壓為109 kV[11]。考慮到高鐵故障情況下大電流的作用可能會(huì)對(duì)管道涂層產(chǎn)生較大影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)形成地下電弧損害管道涂層和管道基體，故本工作選擇的管道涂層耐受電壓與NACE SP 0177-2014《Mitigation of alternating current and lighting effects on metallic structures and corrosion control systems》標(biāo)準(zhǔn)中的一致，為3 000 V。

綜上所述，得到故障態(tài)運(yùn)行情況下交流干擾的評(píng)價(jià)指標(biāo)：人身安全電壓為222 V；涂層耐受電壓小于3 000 V。

3 故障干擾預(yù)測(cè)

根據(jù)資料，高鐵變電所、分區(qū)所、AT所將該段高鐵線路劃分為4個(gè)AT區(qū)間，每個(gè)區(qū)間單向最多運(yùn)行1輛機(jī)車，在軟件中建立該段高鐵線路和臨近管道的模型。針對(duì)故障干擾狀態(tài)預(yù)測(cè)，將機(jī)車位置設(shè)置于交叉點(diǎn)處，發(fā)生短路故障時(shí)計(jì)算得到管道1的接觸電壓和涂層耐受電壓分布。由圖2可知，故障狀態(tài)下，管道交流干擾接觸電壓最大值均出現(xiàn)在交叉點(diǎn)附近，管道1的最大交流干擾接觸電壓為222.24 V，涂層耐受電壓為221.36 V。管道1的最大接觸電壓為222.24 V，大于222 V的安全電壓限值，需采取干擾防護(hù)措施。

(a) 接觸電壓分布云圖 (b) 涂層耐受電壓分布云圖

針對(duì)管道2，機(jī)車位置為運(yùn)行至AT區(qū)間4的AT所，計(jì)算此位置發(fā)生短路故障時(shí)的管線接觸電壓及涂層耐受電壓。由圖3可知，故障狀態(tài)下管道2的最大交流干擾接觸電壓為1 048.30 V，涂層耐受電壓為1 049.73 V。管道2的最大接觸電壓為1 048.30 V，大于222 V的安全電壓限值,需采取干擾防護(hù)措施。

(a) 接觸電壓分布云圖 (b) 耐受電壓分布云圖

4 故障運(yùn)行時(shí)干擾防護(hù)措施設(shè)計(jì)

根據(jù)GB/T 50698-2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于"故障和雷電干擾的防護(hù)措施"的描述，可采用"故障屏蔽"的方式對(duì)故障和雷電干擾進(jìn)行防護(hù)。所謂故障屏蔽即為沿管道平行敷設(shè)一根或多跟淺埋接地線(一般為與管道同深的帶狀鋅陽極)作為屏蔽體，減輕在高速鐵路故障或雷擊時(shí)，強(qiáng)電沖擊對(duì)管道防腐層和管道本體的影響。在淺埋接地線和管道之間可安裝固態(tài)去耦合器等裝置，將管道瞬間干擾電壓降到容許值以下，值得注意的是，該固態(tài)去耦合器用于緩解故障電流時(shí)使用，選擇型號(hào)及參數(shù)時(shí)應(yīng)至少注意如下兩個(gè)方面[13]：

(1) 該固態(tài)去耦合器產(chǎn)品需具備“Fail-Sail”功能(失效安全功能)，當(dāng)強(qiáng)電流沖擊固態(tài)去耦合器發(fā)生故障時(shí)，固態(tài)去耦合為短路而非斷路；

(2) 該固態(tài)去耦合器性能指標(biāo)中的交流故障電流指標(biāo)至少大于3.5 kA。

4.1 管道1的干擾防護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述最大干擾預(yù)測(cè)結(jié)果，在管道1的4處位置敷設(shè)鋅帶，共計(jì)400 m，詳見表2。

表2 鋅帶敷設(shè)詳情

布置上述防護(hù)方案后，計(jì)算故障時(shí)管道1的干擾電壓分布如圖4所示，最大干擾電壓為192.61 V，滿足222 V的人身安全電壓限值。

圖4 敷設(shè)400 m鋅帶后，管道1在故障運(yùn)行時(shí)的接觸電壓云圖

4.2 管道2的干擾防護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述最大干擾預(yù)測(cè)結(jié)果可知，管道2的干擾電壓分布存在多個(gè)峰值，共在8處位置敷設(shè)鋅帶，共計(jì)900 m，詳見表3。

表3 鋅帶敷設(shè)詳情

布置上述防護(hù)方案后，計(jì)算得到故障時(shí)管道2的干擾電壓分布。由圖5可見： 最大干擾電壓由1 040.83 V降低至187.02 V，滿足222 V的人身安全電壓限值。

圖5 敷設(shè)900 m鋅帶后，管道2在故障運(yùn)行時(shí)的接觸電壓云圖

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，在管道1的4處位置敷設(shè)鋅帶400 m，在管道2的8處位置敷設(shè)鋅帶900 m后，管線所受干擾均滿足限值要求。

5 結(jié)論

(1) 高速鐵路故障時(shí)，會(huì)對(duì)埋地鋼質(zhì)管道產(chǎn)生人身安全和管道安全影響，尤其要注意大電流對(duì)涂層耐受電壓的影響；

(2) 采用敷設(shè)鋅帶+固態(tài)去耦合器的方式可以緩解上述影響，但應(yīng)注意固態(tài)去耦合器的參數(shù)和選型；

(3) 國(guó)內(nèi)對(duì)管道涂層耐受電壓的研究較少，筆者呼吁應(yīng)盡快開展相關(guān)研究和試驗(yàn)工作，保障管道服役安全。