電氣化鐵路對埋地金屬管線的影響及防護技術

孫震洋

電氣化鐵路對埋地金屬管線的影響及防護技術

孫震洋

研究了電氣化鐵路防護技術方案和排流方法，分析了目前國內通常采用的排流方式不足之處，提出了新的排流理念和措施，完善了各種排流器的改進方案，為電氣化鐵路安全綠色運營提供借鑒。

電氣化鐵路；干擾影響；防護；排流

0 引言

電氣化鐵路牽引供電系統分為交流工頻單相25 kV供電制式和直流1 500 V或750 V供電制式兩類，對沿線埋地金屬管線的影響前者為交流電磁干擾影響，后者為直流雜散電流腐蝕影響。對交流電磁干擾影響及防護，國內主要的研究成果大多針對電力系統高壓輸電線，對直流雜散電流影響國內油、氣管道行業通常利用陰極保護技術加以防護，但有針對性地結合電鐵供電特點的金屬管線防護技術和方法還有待進一步改善。

1 交流牽引供電的影響及解決方案

交流電氣化鐵路對沿金屬管線的影響主要有靜電影響、磁影響、地電位影響等3個方面。對于埋地金屬管線，電鐵的靜電危害可忽略不計，其不平衡電流將通過感性、阻性耦合在金屬管道上產生感應對地電壓，從而對管道產生交流腐蝕影響、損害管道自身的陰極保護設施，嚴重時甚至危及管道施工和維修人員的正常工作和人身安全。

1.1 管道交流干擾影響的評估

與電氣化鐵路平行長度小于25 km的管道上電磁干擾最高電壓可由以下經驗公式計算：

式中，Umax為管道電磁干擾電壓最大值，V；U20m為平行距離20 m時電磁干擾最大值，V/kA，該值查表可獲得；fd為距離因子，，M為互感系數，該值查表可獲得；Ick為短路電流，A；αγ為傳播常數修正系數，，r1為管道防腐涂層單位電阻，Ω · m2；α為綜合屏蔽系數，通常取0.4～0.8。

根據GB/T50698-2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》的規定，當管道上的交流干擾電壓不高于4 V時，可不采取交流干擾防護措施，高于4 V時，應采用交流電流密度進行評估，交流電流密度可按下式計算：

式中，JAC為評估的交流電流密度，A/m2；V為交流干擾電壓有效值的平均值，V；ρ為土壤電阻率，Ω·m；d為破損點直徑，m。

管道受交流干擾程度可按下表交流干擾程度的判斷指標的規定判定。

表1 交流干擾程度的判斷指標表

當交流干擾程度判定為“強”時，應采取交流干擾防護措施；判定為“中”時，宜采取交流干擾防護措施；判定為“弱”時，可不采用交流干擾防護措施。

1.2 防護方案研究

防護方案主要分直接排流法和排流器排流法。直接排流法是指將被干擾管道與鋼材構成的地床用導線直接連接起來，如果用鎂、鋅、鋁等活潑金屬作為接地極構成地床則通常又被稱為負電位排流法；排流器排流是指被干擾管道與地床之間接入專用排流設備。直接排流法雖然施工簡單，造價低廉，但其破壞了管道的整體絕緣，影響管道自身陰極保護，容易引起次生腐蝕，因此僅在少數情況下應用于非重要管道。

排流器排流是目前主流方式，排流設備主要有箝位式排流器和固態去耦合器2種類型。兩者各具優缺點，分述如下。

（1）箝位式排流器優點：國內自有知識產權，技術成熟，交流排流效果較好；經過不斷改良，二代產品排流、測試、測量等模塊整體封裝，操作簡單，維修方便；在干擾電流負半周流過時，為管道提供-0.9 V左右的負電位，變“廢”為“寶”；故障情況下處于接地導通狀態，維持排流功能。

箝位式排流器缺點：交流排流過程中，仍然會造成部分管道陰保電流漏失，同時二極管的殘壓作用，在一定程度上造成管道保護電位波動；直流阻斷電壓不可調；不具備保護管道防雷擊功能。

（2）固態去耦合器優點：真正做到在排流過程中“隔直通交”；直流阻斷電壓可根據用戶需求設置，應用更廣泛；具有管道雷擊防護功能。

固態去耦合器缺點：為國外引進技術，各元件阻抗匹配技術復雜，國產后技術不過關，性能不穩定，發熱較嚴重；裝置在工程使用過程中必須安放測試樁，增加工程量；電容元件在管道陰極保護電流斷電時放電，影響管道產權單位對陰保系統的維護測試；故障情況下裝置處于斷開狀態，失去排流功能。

電氣化鐵路干擾防護設備應該只針對解決牽引電流帶來的各種影響，因此固態去耦合器中附加的管道雷擊防護功能可以去除，綜合考慮固態去耦合器和箝位式排流器的優缺點，二者取長補短，結合起來改進去耦合排流器如圖1所示。

采用電解電容與箝位排流節相結合，以電容作為“隔直通交”的主排流通道，以箝位排流節替代原先去耦合器采用的易發熱、易損壞、價格昂貴的晶閘管元件，直流阻斷閥值固定為-2.1/+0.7 V。利用箝位排流中的直流電壓殘留，確保電容兩端電壓限制，不至于受到沖擊后擊穿，同時箝位排流節作為大電流情況下主泄放通道。結合電容蓄電平衡濾波功能，使陰保直流在該排流器上獲得一定的電量存貯，從而保證直流電位更加趨于穩定。采用壓敏元件構成的浪涌保護器，保證排流器在地中涌流影響下排流器的安全。

圖1 去耦合器改進方案原理圖

2 直流牽引供電的影響及解決方案

直流電氣化鐵路產生雜散電流，地中雜散電流流過金屬管道的過程形成了2個有外加電位差而建立的腐蝕電池，使電流流出管道一端遭受腐蝕。

2.1 管道直流干擾影響評估

《埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準》（GB50991-2014）規定：

（1）當在管道上任意點的管地電位較自然電位正向偏移（極化）20 mV，或者管道附近土壤的電位梯度大于0.5 mV/m時，確定有直流干擾。

（2）當在管道上任意點的管地電位較自然電位正向偏移（極化）100 mV，或者管道附近土壤的電位梯度大于2.5 mV/m時，管道應采取直流排流保護或其他防護措施。

2.2 防護方案研究

直流電氣化鐵路沿線的油、氣金屬管道防護，目前多采用通過由二極管構成的排流器經負電位地床強制排流方式，該方式不能區分管道上的感應干擾是否造成了腐蝕而直接排流，因此埋地鎂陽極在實際不需要排流的狀態下也造成消耗，從而減少陽極使用壽命，增加運營成本。

針對上述問題，本文提出一種可選電壓式排流電路結構，設計思想如圖2所示，陰極保護電位根據使用條件而設定，在滿足設定條件情況下方可排流，根據環境條件而設定陰極保護電壓，實現按需排流的智能電路結構。將排流回路一端連接到金屬管道，另一端連接到鎂陽極，通過檢測回路比較管道實測的電壓與設定開關的預設電壓進行比較，根據邏輯判定結果，控制回路決定排流回路是導通還是截止。同時排流回路設有常規二極管排流的備用通路，在主回路出現故障時，可以通過控制投入備用回路。

可選電壓式排流器防護方案不是簡單的將管道和鎂陽極直連，而是通過管地電位的判定結果來確定是否打開主回路連接管道與鎂陽極，實現了智能化的“按需排流”功能，故鎂陽極的消耗大為降低，起到節省運營費用，減少維護工作量的目的。

3 結語

眾所周知，利用電能作為牽引動力的電氣化鐵路，以其運行速度快、運載能力強、既環保又節能等優勢，在國內飛速發展起來。但該電牽引模式在給交通運輸帶來方便快捷的同時，也帶來了電磁感應干擾及雜散電流腐蝕等問題。固態去耦合器是新興的交流電磁干擾防護設備，其與傳統的箝位式排流器相互“取長補短”之后，應用于電氣化鐵路具有更高的性價比；常規的直流犧牲陽極保護法由于犧牲陽極的快速消耗，給管道維護帶來很大工作量和高運營成本，可選電壓式排流器將從根本上解決該問題。

[1] 李許立. 可控式油氣管道感應電流排流法研究[J]. 鐵道標準設計，2009.

[2] 王瑞鵬，程擁軍. 埋地管道交流雜散電流的危害與排流[J]. 腐蝕與防護，2014.

[3] 鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津賽德電氣設備有限公司，可選電壓式排流電路結構：中國，ZL201320693198.7[P].2013-11-05.

The paper studies the schemes for electrified railway protection technologies and the modes for the current drainage, analyzes disadvantages of the modes usually adopted for current drainage, puts forward new theories and measures for current drainage, perfects the schemes for improving various current draining devices, these will provide references for safe and green operation of electrified railways

Electrified railway; influence by interference; protection; current drainage

U223.6+2

：B

：1007-936X(2016)01-0013-03

2015-08-27

孫震洋.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，高級工程師，電話：13752505297。