牽引供電系統對埋地管道阻性耦合交流干擾建模及仿真

陳民武，朱久國，解紹鋒，李建軍，朱遠帆，劉思陽

(1.西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都　610031；2.中國石油管道局工程有限公司 設計分公司，河北 廊坊　065000)

隨著我國國民經濟的快速發展，對各類能源和軌道交通運輸的需求日益增長，目前我國油氣管道和電氣化鐵路里程均保持著較高的增長率。截至2016年底，我國已建油氣管道總長度約12.6萬km，其中天然氣管道7.43萬km，原油管道2.62萬km，成品油管道2.55萬km[1]。《中長期鐵路網規劃(2016年調整)》提出，到2025年鐵路網覆蓋20萬以上人口城市，鐵路運營里程達到17.5萬km(高速鐵路3.8萬km)左右。由于地理位置和土地資源的限制，在油氣管道、電氣化鐵路的實際工程設計和建設過程中，往往選取共同的傳輸走廊進行敷設，特別是在對能源和軌道交通需求極大的中東部經濟發達地區尤為普遍。

一般而言，強干擾源(如高壓電力輸電線和電氣化鐵路牽引供電網絡等)會通過電磁耦合作用對鄰近區域鋪設的埋地管道產生影響，致使金屬結構發生不同程度的腐蝕[2]。在缺乏有效保護措施的情況下，長時間作用會使埋地管道受到嚴重腐蝕甚至穿孔，影響其安全乃至能源運輸。

目前國內外關于埋地管道交流干擾的研究主要集中于電力系統高壓輸電線路的干擾方面。文獻[3—4]分別采用矩量法和有限元方法對Maxwell方程進行場域求解，得到交流輸電線對埋地管道感性耦合下的穩態交流干擾。文獻[5]將埋地管道視為參數均勻分布的電路，得到特定條件下交流輸電線對埋地管道穩態交流干擾電壓的簡化計算方法。文獻[6]運用導體傳輸線理論推導了高壓輸電線路對鄰近埋地管道感性耦合的穩態干擾簡化計算公式。

然而，不同于三相電力系統，電氣化鐵路牽引供電系統是一種單相工頻含地不對稱高壓供電系統，采用鋼軌和大地作為回流路徑，正常運行時就存在顯著的地中電流[7]。同時，由于鋼軌與大地之間僅僅依靠道床或者絕緣墊片絕緣，伴隨著絕緣性能的逐步劣化和大功率電力機車(含動車組)的上線運行，鋼軌泄漏電流增加[8]，這將造成阻性耦合交流干擾程度顯著增大。因此，不同于電力系統高壓輸電線路的感性耦合穩態交流干擾，電氣化鐵路牽引供電系統對鄰近埋地管道的干擾主要是阻性耦合瞬時交流干擾方式[9-10]。

文獻[11—12]基于阻性耦合理論，評估了交流電氣化鐵道牽引供電系統對周圍電氣及電子系統的影響，構建了埋地管道阻性耦合交流干擾模型。文獻[13]通過對交流干擾信號的時頻特征分析，提出了埋地管道交流干擾的判定依據以及監測方法。文獻[14]主要分析了雜散電流在大地中以及埋地管道上的電位分布規律以及干擾程度。實際上雜散電流的分布與電氣化鐵路牽引供電系統的電氣拓撲結構和設計參數密切有關，構建統一的牽引供電系統對埋地管道交流干擾模型，研究上述參數變化對阻性耦合的影響規律，對管道干擾評估與防護具有重要意義。

本文在構建了基于CEDGS軟件的牽引供電系統對埋地管道的阻性耦合交流干擾模型的基礎上，分析了牽引供電網絡阻抗特性與阻性耦合之間的內在聯系。研究了牽引變電所接地網電阻大小、鋼軌對地泄漏電阻變化以及牽引回流網絡阻抗參數等對管地電位分布的影響程度，給出了電力機車移動時沿線埋地管道管地電位的分布規律。通過優化牽引供電方案設計，可以有效降低埋地管道受到的阻性耦合交流干擾。

1　牽引供電系統對埋地管道阻性耦合干擾原理

電力機車負荷電流通過鋼軌回路和大地流回牽引變電所，其中大地中的雜散電流通過阻性耦合方式在埋地管道表面涂層上會產生一定的感應電壓。目前國家標準和行業標準均采用埋地管道的管地電位作為評價埋地管道受交流干擾程度的重要指標和參數[15-16]。埋地管道的管地電位求解示意圖如圖1所示。圖中：以電力機車泄流點為坐標原點，鋼軌為y軸，其水平垂直方向為x軸，建立坐標系；N(x,y)為與鋼軌并行埋地管道上的某點；Ig為鋼軌的電流。

圖1　埋地管道的管地電位求解示意圖

當電力機車電流I集中引入鋼軌時，鋼軌的電流Ig為

(1)

式中：γp為“鋼軌—大地”回路的傳播常數；x為N點距泄流點的水平距離；y為N點距泄流點的垂直距離。

電流dIg經阻性耦合作用集中流入大地(如圖2所示)，在埋地管道上任一點N將形成1個電位。此電位可根據地面管道的等效電路，由M點電位確定[2]，可得

(2)

其中，u=γx，v=γy。

式中：ρ為大地的電阻率；γ為“埋地管道—大地”回路的傳播常數；Ω(u,v)為特種函數。

圖2　入地電流對埋地管道干擾等效示意圖

忽略“埋地管道—大地”回路對“鋼軌—大地”回路的反作用影響，并不計兩回路間的互阻抗，由式(1)和式(2)可得埋地管道上點N的管地電位VN為

(3)

式中：λ為鋼軌屏蔽系數；Ω(γx,γy)和Ω(γpx,γpy)為特種函數。

由式(3)可知，埋地管道的管地電位主要受“鋼軌—大地”回路傳播常數的影響，而其取值由牽引供電系統的電氣拓撲結構及其設計參數決定。

2　牽引供電系統對埋地管道阻性耦合交流干擾模型

2.1　基于CDEGS軟件的耦合建模

以帶回流線的直接供電方式為例，電氣化鐵路牽引供電系統與埋地管道的布置如圖3所示。

圖3　電氣化鐵路牽引供電系統與埋地管道結構示意圖

CDEGS是加拿大SES公司開發的具有接地系統設計、土壤結構分析、電磁干擾分析等功能的集成軟件包[17]。其中，HIFREQ模塊可以計算地上和地下任意位置帶電導體結構的電流、電位和空間電磁場分布。本文運用CDEGS軟件構建電氣化鐵路牽引供電系統對埋地管道阻性耦合交流干擾的計算模型，如圖4所示。

圖4　牽引供電系統對埋地管道阻性耦合交流干擾建模

計算模型的參數：牽引供電系統供電臂長度為20 km，電力機車距牽引變電所15 km處，埋地管道與鋼軌并行長度為1 km。鋼軌采用60 kg·m-1標準鋼軌，縱向電阻取值為0.04 Ω·km-1，等效半徑為12.79 m；承力索型號為JTMH95，接觸線型號為CTMH120，回流線型號為LBGLJ—185/10，吸上線型號為YJV—150，設置間隔為1.5 km[18]。牽引變電所接地網面積為150 m×150 m，為9×9田字型接地網，材料為鍍鋅扁鋼，其阻抗為0.3 Ω；土壤電阻率為100 Ω·m；電力機車牽引電流為500 A。埋地管道選擇防腐涂層為高性能3層PE材料型鋼制管道，其參數見表1。

2.2　牽引供電回路阻抗特性校驗

基于CDEGS軟件構建的牽引供電系統模型決定了供電網絡潮流分布，也是定量評估其對埋地管道阻性耦合交流干擾的重要基礎。牽引供電回路的阻抗特性可以用于描述上述模型的精確性。基于CDEGS軟件的牽引供電系統短路阻抗與基于傳統Carson理論計算的短路阻抗對比情況見表2。

表1　埋地管道參數

表2　牽引供電系統短路阻抗

由表2可見：短路點距牽引變電所距離為1 km時，基于CDEGS軟件計算得到的短路阻抗與基于Carson理論的誤差不超過5%，產生上述誤差的主要原因是后者僅考慮牽引網自身阻抗大小，忽略了接地電阻對牽引網短路阻抗的影響，而基于CDEGS軟件的牽引供電系統對埋地管道阻性耦合交流干擾模型在牽引變電所增加了接地網模型，當短路點距離牽引變電所較近時上述影響較明顯；隨著短路點距離牽引變電所較遠時，兩者基本一致。

2.3　阻性耦合特性

利用阻性耦合電磁干擾理論，還可以計算得到埋地管道與線路中心點水平距離的變化對其管地電位的影響，并與基于CDEGS軟件的牽引供電系統對埋地管道阻性耦合交流干擾模型的仿真結果對比，情況見表3。

表3　埋地管道管地電位(正對泄流點)

由表3可見：基于CDEGS軟件的牽引供電系統對埋地管道阻性耦合交流干擾模型的管地電位計算結果與基于阻性耦合電磁干擾理論的計算結果基本一致，且誤差隨著埋地管道與線路中心點水平距離的增大而減小，主要原因是埋地管道距離線路中心點水平距離越小，鋼軌的磁屏蔽效應越強；因此，基于CDEGS軟件的牽引供電系統對埋地管道阻性耦合交流干擾模型具有較高的計算精度，可以用于模擬阻性耦合對埋地管道管地電位的影響。

3　阻性耦合主要因素的影響

3.1　牽引變電所接地電阻

TB 10009—2005《鐵路電力牽引供電設計規范》規定，當流經接地裝置的入地短路電流不小于4 000 A時，牽引變電所接地電阻不應大于0.5 Ω；在土壤電阻率較高地區，允許將接地電阻提高，但不應超過5 Ω[19]。因此選取牽引變電所接地電阻為0.5，1.0，2.5和5 Ω這4種典型工況，分析影響阻性耦合的主要因素。

以直接供電方式為例，當電力機車處于距牽引變電所的不同位置時，牽引變電所接地電阻對鋼軌回流分布的影響如圖5所示。

圖5　牽引變電所接地電阻對鋼軌回流分布的影響

由圖5可見：隨著接地電阻和電力機車距牽引變電所距離的增大，鋼軌回流所占比例也隨之增大；以電力機車距牽引變電所距離為1 km時為例，接地電阻從0.5 Ω增大到5.0 Ω時，鋼軌回流所占比例從67.9%增大到79.4%。

電力機車距牽引變電所不同距離時牽引變電所接地電阻埋地管道管地電位的影響如圖6所示。

由圖6可見：埋地管道管地電位與牽引變電所接地電阻密切相關，以電力機車距牽引變電所距離為1 km時為例，接地電阻分別取0.5 ，1.0，2.5和5.0 Ω，管地電位的幅值依次為2.39，1.81，1.27和0.95 V。此外，隨著電力機車距牽引變電所距離的減小，埋地管道管地電位受牽引變電所接地電阻變化的影響越明顯。

圖6　牽引變電所接地電阻對埋地管道管地電位的影響

因此，牽引供電系統主要采用鋼軌與大地作為回流路徑，而牽引變電所接地網用于收集途徑大地的回流。隨著接地網電阻減小，大地回流顯著增大，埋地管道受到的阻性耦合交流干擾程度也升高，管地電位增大的更為顯著。

3.2　回流網阻抗

目前復線電氣化鐵路采取每隔一定距離設置鋼軌橫向連接線，將上下行鋼軌橫連(一般布置間隔為1.5 km)，實際上是改變了回流網阻抗特性。選取單線鐵路、復線鐵路2種典型工況，分別計算電力機車距牽引變電所不同位置時埋地管道管地電位的影響，如圖7所示。

圖7　回流網阻抗對埋地管道管地電位的影響

由圖7可見，相對于單線鐵路，復線鐵路埋地管道的管地電位更小。以電力機車距牽引變電所10 km時為例，單線鐵路沿線埋地管道的管地電位幅值為11.02 V，而復線鐵路的則降為7.69 V，降幅達到30.2%。

基于CDEGS軟件的牽引供電系統對埋地管道阻性耦合模型的不同線路等效回流網阻抗對比情況見表4。

表4　單復線工況下等效回流網阻抗的對比

由表5可見。以測點距牽引變電所10 km為例，單線鐵路回流網阻抗為5.405 Ω，而復線鐵路的則降為5.061 Ω。因此，復線鐵路采用鋼軌橫連線將上下行鋼軌并聯，可以降低回流網阻抗，減小了大地回流，也使得埋地管道的受阻性耦合交流干擾程度和管地電位顯著降低。

3.3　鋼軌泄漏電阻

由于鋼軌與道床之間的絕緣接觸不良，鋼軌對地存在泄漏電阻。同時，由于軌道制式的不同(無砟、有砟)和受絕緣墊片老化、天氣氣候等因素的影響，鋼軌泄漏電阻的數值變化較大，計算時的取值范圍一般為1～20 Ω·km[20]。選取鋼軌對地泄漏電阻分別1，5，10和20 Ω·km這4種典型工況，分別計算電力機車距牽引變電所不同距離時鋼軌泄漏電阻對埋地管道管地電位的影響，如圖8所示。

圖8　鋼軌泄漏電阻對埋地管道管地電位的影響

由圖8可見：鋼軌泄漏電阻越大，埋地管道的管地電位越小；以電力機車距牽引變電所為10 km時為例，鋼軌泄漏電阻由1 Ω·km增大至20 Ω·km時，埋地管道管地電位的幅值從13.04 V下降到8.63 V，降幅達到33.82%。

以電力機車為原點，計算不同泄漏電阻下1 km長鋼軌的泄漏電流密度如圖9所示。

圖9　單位長度鋼軌的泄漏電流密度

由圖9可見：隨著鋼軌泄漏電阻的增大，鋼軌泄漏電流密度減小；當電力機車距牽引變電所為10 km時，鋼軌泄漏電阻分別取1，5，10和20 Ω·km時，鋼軌泄漏電流密度的幅值依次為61.54，21.19，14.78和9.84 mA·m-1；因此，增大鋼軌與大地之間的絕緣特性及對應的泄漏電阻，可以有效減小牽引回流通過阻性耦合對埋地管道交流干擾的程度。

4　結　論

(1)牽引變電所接地電阻越小，埋地管道距牽引變電所越近，其管地電位越高。在低土壤電阻率地區，對埋設于牽引變電所附近區段的管道應重點加強防護措施，如采用加裝排流設施或增設金屬屏蔽帶等。

(2)復線鐵路采用上下行鋼軌橫聯方式，與單線鐵路相比，降低了回流網等效阻抗，降低了埋地管道所受阻性耦合交流干擾程度及其管地電位。

(3)鋼軌泄漏電阻越大，埋地管道的管地電位越小。工程中應盡可能增大鋼軌泄漏電阻，同時配合采用綜合接地系統，做好鋼軌對地絕緣防護。

[1]高鵬，譚喆，劉廣仁,等.2016年中國油氣管道建設新進展[J].國際石油經濟，2017，25(3)：26-33.

(GAO Peng, TAN Zhe, LIU Guangren,et al. China’s Oil and Gas Pipeline Construction in 2016[J]. International Petroleum Economics, 2017，25(3)：26-33. in Chinese)

[2]高攸綱.感性耦合與阻性耦合[M].北京：人民郵電出版社，1979.

[3]DAWALIBI F. Electromagnetic Fields Generated by Overhead and Buried Short Conductor, Part 1: Single Conductor[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1986, 1(4): 105-111.

[4]BORTELS L, DECONINCK J, MUNTEANU C. A General Applicable Model for AC Predictive and Mitigation Techniques for Pipeline Networks Influenced by HV Power Lines[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2006, 21(1): 210-217.

[5]崔鼎新.在電力線路電磁影響下管線上對地電壓和電流分布[J].電網技術，1977，1(1)：92-99.

(CUI Dingxin. Distribution of Voltage and Current in the Pipeline under Electromagnetic Influence of Power Line[J]. Power System Technology, 1977，1(1): 92-99. in Chinese)

[6]焦保利，謝輝春，張廣洲，等.特高壓交流架空線路與油氣管道的防護間距[J]. 高電壓技術，2009，35(8)：1807-1811.

(JIAO Boli, XIE Huichun, ZHANG Guangzhou, et al. Protection Clearance between UHV AC Overhead Line and Oil or Gas Pipelines[J]. High Voltage Engineering, 2009, 35 (8): 1807-1811. in Chinese)

[7]李群湛，賀建閩.牽引供電系統分析[M].成都：西南交通大學出版社，2012.

[8]李良威，楚振宇，鄧云川.直供方式下牽引變電所軌地回流研究[J].鐵道工程學報，2012(9)：84-87.

(LI Liangwei, CHU Zhenyu, DENG Yunchuan. Research on Return Current to Traction Substation of TRNF Traction Network[J]. Journal of Railway Engineering, 2012 (9): 84-87. in Chinese)

[9]CEOCOR A C. Corrosion on Cathodically Protected Pipelines Guidelines for Risk Assessment and Mitigation Measures[M]. Roma：APCE: 2001.

[10]European Committee for Standardization. CEN/TS 15280—2006 Evaluation of a. c. Corrosion Likelihood of Buried Pipelines-Application to Cathodically Protected Pipelines[S]. London:BSI，2006.

[11]高攸綱，沈遠茂，石丹.交流電氣化鐵道對周圍電氣及電子系統的阻性耦合影響[J].郵電設計技術，2007(3)：57-60.

(GAO Yougang, SHEN Yuanmao, SHI Dan. Resistive Coupling Effects of AC Electric Railway to Surrounding Electric and Electronic System[J]. Designing Techniques of Posts and Telecommunications, 2007 (3): 57-60. in Chinese)

[12]汪可.電氣化鐵路對油氣管道的影響及防護措施[D].成都：西南交通大學，2013.

(WANG Ke. The Interference of Oil and Gas Pipelines Caused by Electric Railway and Protection Measures[D].Chengdu：Southwest Jiaotong University，2013. in Chinese)

[13]王新華，陳振華，何仁洋.埋地鋼質管道交流干擾測試與評價[J].腐蝕與防護，2011，32(1)：66-70.

(WANG Xinhua, CHEN Zhenhua, HE Renyang. Testing and Assessment of AC Interference on Buried Steel Pipelines[J]. Corrosion & Protection, 2011，32 (1): 66-70. in Chinese)

[14]李自力，孫云峰，陳紹凱，等.交流電氣化鐵路雜散電流對埋地管道電位影響規律[J].腐蝕與防護，2011，32(3)：177-181.

(LI Zili, SUN Yunfeng, CHEN Shaokai, et al. Influence of Alternating Current Electrified Railway Stray Current on Buried Pipelines[J]. Corrosion & Protection, 2011，32 (3): 177-181. in Chinese)

[15]中國石油天然氣集團公司規劃設計總院. SY/T 0032—2000 埋地鋼質管道交流排流保護技術標準[S].北京：石油工業出版社，2000.

[16]中華人民共和國住房和城鄉建設部. GB/T 50698—2011 埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準[S].北京：中國計劃出版社，2011.

[17]牛曉民.電力系統接地分析軟件CDEGS簡介[J].華北電力技術，2004(12)：29-31.

(NIU Xiaomin. Introduction of CDEGS[J]. North China Electric Power, 2004(12): 29-31. in Chinese)

[18]國家鐵路局.TB 10621—2014 高速鐵路設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2014.

[19]中鐵電氣化工程局.TB 10009—2005鐵路電力牽引供電設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[20]XIE Shaofeng. Study on Methods to Reducing Rail Potential of High-Speed Railway[C]// Proceedings of 32nd Annual Conference of IEEE Industrial Electronics Society. France: IECON, 2006: 1042-1046.