原油管道受混合交流雜散電流干擾的監測及防護設計

雍信實

(中國石化管道儲運有限公司 南京輸油處，南京 210046)

隨著我國經濟的發展，電力、石油及交通運輸等行業迅速發展，同時由于地理位置的限制，石油天然氣管道、輸電線路和電氣化鐵路使用的“公共走廊”越來越多[1-3]，高壓交流輸電線路和電氣化鐵路會產生雜散電流對石油管道形成干擾，近年來此類案例頻繁發生[4-8]，管道的安全問題日益凸顯。華東某原油管道同時與高壓交流輸電線路和電氣化鐵路相鄰，且長距離并行，管道存在交流雜散電流干擾的風險，管道的安全運行受到威脅。

本工作梳理了交流雜散電流的影響機理和危害，通過24 h監測管道交流電壓、交流電流密度及周邊的土壤電阻率，評估管道受交流雜散電流干擾的程度，分析了高壓交流輸電線路、電氣化鐵路和兩者同時存在情況下，交流雜散電流干擾的規律，并利用數值模擬技術對干擾嚴重管段的防護措施進行模擬計算，提出干擾防護的具體實施措施。

1 交流雜散電流影響機理和危害

交流雜散電流對鋼質管道造成影響的機理主要有：感應耦合影響、容性耦合影響和電阻耦合影響[9-11]。

感應耦合影響是由于電流在高壓交流輸電線路或者電氣化鐵路的高壓牽引供電線路中流動時，電流的大小和方向會不停變化，導致周圍形成交變磁場,處于該交變磁場范圍內的埋地鋼質管道就會產生感應電動勢，管道對地出現交流電壓。

容性耦合影響又稱靜電耦合影響。高壓交流輸電線路或者電氣化鐵路的高壓牽引供電線路周圍會形成垂直于輸電線路表面的高壓靜電場，在靜電感應作用下，輸電線路與管道之間通過分布電容的耦合，引起管道對地電壓升高，從而產生有害的影響。由于大地具有良好的靜電屏蔽作用，所以容性耦合只對架空管道產生影響，即此影響主要發生在管道安裝階段，而對于埋地管道不會產生影響。

阻性耦合影響又稱入地電流影響。除了作為機車車輛的走行軌之外，電氣化鐵路的鋼軌作為牽引供電系統的重要組成部分之一還起到牽引供電網回流線的作用。道床上的鋼軌與大地之間并非完全絕緣，機車正常運行時部分牽引電流可在機車附近通過鋼軌泄入大地。這些流入大地的部分雜散電流會對埋地金屬管道造成阻性耦合影響。輸電線路發生短路或者故障時，也會有故障電流通過輸電線路的桿塔接地流入大地，對附近的埋地金屬管道造成阻性耦合影響。

交流雜散電流對埋地鋼質管道造成的危害主要有[2,12-13]：1) 管道上的交流電壓超過人體承受值，可能威脅人身安全；2) 影響管道上陰極保護裝置的正常運行甚至導致陰極保護裝置損壞；3) 故障狀態下，電阻耦合影響造成的高電壓可能擊穿管道絕緣層或者本體；4) 管道防腐蝕層破損點處流出雜散電流，產生了交流腐蝕。

2 監測方法

對輸油管道的交流電壓和交流電流密度進行24 h監測。測試使用uDL2數據記錄儀、銅/飽和硫酸銅參比電極和1 cm2的極化試片，接線方式如圖1，在每個測試樁位置進行測試，數據記錄儀設置為每秒采集1組數據。

圖1 交流電壓和交流電流密度測試接線示意圖Fig.1 Schematic diagram of wiring for AC voltage and AC current density test

3 結果與討論

3.1 管道與干擾源的相對位置

輸油管道在348號和372號測試樁附近與電氣化鐵路交叉，在322號至373號測試樁間與電氣化鐵路長距離并行，并行間距為30～1 540 m；從347號測試樁開始與高壓交流輸電線路并行；在350號測試樁附近與輸電線路分開，在352號測試樁附近再次與輸電線路并行，在354號測試樁附近再次分開，見圖2。

圖2 高壓交流輸電線路、電氣化鐵路與輸油管道的相對位置示意圖Fig.2 Schematic of relative positions of high-voltage AC transmission line and electrified railway with oil pipeline

3.2 管道沿線交流干擾程度

管道沿線24 h的交流電壓和交流電流密度監測結果見圖3和圖4。由圖3可以看出，管道交流電壓最大值達到了44.48 V，有13個測試樁測得的管道交流電壓的最大值高于15 V，超過NACE SP0177-2014(Mitigation of Alternating Current and Lightning Effects on Metallic Structures and Corrosion Control Systems)標準規定的安全電壓限值，存在人身安全風險，其中343號至357號測試樁測得的管道交流電壓平均值高于4 V。由圖4可見，管道交流電流密度最大值達到了1 248.66 A/m2，共有10個測試樁測得的管道交流電流密度平均值大于100 A/m2，交流干擾程度評價為“強”，根據GB/T 50698-2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》管道應采取交流干擾防護措施。

圖3 管道全線交流電壓分布圖Fig.3 Distribution of AC voltage along pipeline

圖4 管道全線交流電流密度分布圖Fig.4 Distribution of AC current density along pipeline

3.3 干擾規律分析

本案例中對50個測試樁處管道的交流電壓進行監測，此處以334號、342號、353號和357號4個測試樁測得的管道交流電壓為例進行分析，其在24 h內的交流電壓波動如圖5所示。從圖5可以看出，334號測試樁處交流電壓的平均值為1.65 V，最小值為0.16 V，最大值達到了16.04 V，夜間穩定在0.20 V左右；342號測試樁處交流電壓的平均值為4.45 V，最小值為1.46 V，最大值達到了10.98 V，夜間穩定在4.0 V左右；353號測試樁處交流電壓的平均值為23.59 V，最小值為18.27 V，最大值達到了28.28 V，夜間穩定在25.0 V左右；357號測試樁處交流電壓的平均值為5.06 V，最小值為1.93 V，最大值達到了7.32 V，夜間穩定在5.2 V左右。334號測試樁處交流電壓的波動規律與電氣化鐵路干擾有關，在有機車經過期間，交流電壓上升，機車離開后，交流電壓下降；353號測試樁處交流電壓的波動規律與高壓交流輸電線路干擾有關，交流電壓持續較高，在24 h內有一定幅度緩慢波動；342號和357號測試樁處交流電壓受到電氣化鐵路和高壓交流輸電線路的混合干擾，交流電壓持續較高，同時在有機車經過期間，管道的交流電壓或上升或下降，機車離開后，交流電壓恢復到持續的穩定值。在僅受到電氣化鐵路干擾的管段，24 h內交流電壓的平均值處于一個較低水平，每次機車經過會造成交流電流的沖擊波動；在僅受到高壓交流輸電線路干擾的管段，24 h內交流電壓的平均值處于一個較高水平，隨著輸電線路輸送的功率變化，交流電壓緩慢波動。

根據管道受干擾時交流電壓的波動規律，將管道分為受電氣化鐵路干擾占主導的管段(322號～340號和360號～373號測試樁)、受高壓交流輸電線路干擾占主導的管段(345號～347號和353號～355號測試樁)和同時受電氣化鐵路和交流輸電線路干擾的管段(341號～344號、348號～352號和356號～358號)，見圖6。

圖7為電氣化鐵路和交流輸電線路混合干擾狀態下，交流電壓波動規律放大圖。由圖7可以看出，在混合干擾狀態下，兩種干擾疊加時，有時造成交流電壓沖擊波動上升，有時造成交流電壓沖擊波動下降。在不同的位置，兩種干擾疊加造成的交流電壓上升和下降的幅度不一樣，如圖5中342號測試樁處交流電壓上升的幅度大于下降幅度，357號測試樁處交流電壓上升的幅度小于下降的幅度。

管道交流電壓的平均值代表管道受高壓交流輸電線路干擾的程度。圖8為管道交流電壓平均值分布。由圖8可以看出，從341號測試樁開始，管道交流電壓平均值上升，在347號、350號和354號測試樁處分別出現了3個峰值，從354測試樁之后交流電壓平均值開始下降。出現峰值的3個測試樁分別對應于管道與高壓交流輸電線路并行開始和結束位置，及并行段輸電線路拐點位置。這說明當管道路徑與輸電線路路徑相對關系發生變化時，高壓交流輸電線路對管道交流電壓干擾程度較大。管道與高壓交流輸電線路并行時，在并行段的中間位置管道受干擾程度低于并行開始和結束的位置。本案例中，在高壓交流輸電線路干擾下，管道交流電壓從峰值34.5 V(347號測試樁)降至最小值(3.47 V)的管道距離約6 km，從峰值28.02 V(354號測試樁處)降至3.16 V(358測試樁)的管道距離約4 km。這表明高壓交流輸電線路的干擾范圍能延伸至管道路徑與高壓交流輸電線路路徑相對關系發生變化位置以外4～6 km處。

(a) 334號 (b) 342號

(c) 353號 (d) 357號圖5 334號、342號、353號和357號測試樁測得的管道交流電壓Fig.5 AC voltages of pipeline tested by test piles of No.334, 342, 353 and 357

圖6 管道沿線不同干擾源干擾的分區圖Fig.6 Zoning diagram of different interference sources along pipeline

管道交流電壓最大值與穩定值的差值代表管道受電氣化鐵路動態干擾的程度。圖9為管道沿線交流電壓最大值與穩定值的差值和測試點與軌道的直線距離。由圖9可以看出，在334號、340號和372號測試樁位置，由電氣化鐵路造成的交流電壓最大值與穩定值的差值(以下簡稱差值)出現峰值。334號和340號測試樁分別位于電氣化鐵路與管道并行間距最近段的開始和結束位置附近，372號測試樁位于電氣化鐵路與管道交叉分開點的位置，在344號與341號測試樁之間，管道與電氣化鐵路的并行間距在100 m左右，其他位置管道與電氣化鐵路的并行間距在200～1 000 m。這表明電氣化鐵路與管道近距離并行時，對管道造成干擾影響的峰值也出現在電氣化鐵路與管道路并行間距發生變化的位置。

圖7 混合干擾狀態下管道交流電壓波動的放大圖Fig.7 Enlarged diagram of AC voltage fluctuation of pipeline in mixed interference

圖8 管道沿線交流電壓平均值分布Fig.8 Distribution of average AC voltage along pipeline

圖9 管道沿線交流電壓最大值與穩定值差值及測試樁與軌道的距離Fig.9 Difference values between maximum values of AC voltage and stable values and distances between test piles and track

4 緩解措施的數值模擬

在本案例中，管道受干擾嚴重的管段主要為與高壓線并行的管段，干擾主要是由高壓交流輸電線路造成的，因此采取數值模擬技術，對此段管道的干擾防護措施進行計算。

4.1 預測評估與模型校正

根據管道和輸電線路的相對位置，建立高壓交流輸電線路與管道的計算模型，見圖10。利用現場交流干擾的監測數據，對模型進行調整、校正，使得模型計算得到的交流電壓與現場實際測試值接近，見圖11。

圖10 計算模型中管道與高壓輸電線路相對位置Fig.10 Relative position map of pipeline and high-voltage transmission line in calculation model

(a) 交流電壓

(b) 交流電流密度圖11 交流電壓和交流電流密度的計算值與測試值對比Fig.11 Comparison between calculated values and test values for AC voltages (a) and AC current densities (b)

4.2 緩解措施

本案例參考NACE SP0177-2014標準要求，將管道的緩解目標確定為交流電壓小于15 V，交流電流密度小于100 A/m2。緩解措施采用鋅帶加固態去耦合器，鋅帶填包料的直徑為200 mm，鋅帶距離管道0.3 m，鋅帶與管道并行敷設，見圖12。

圖12 鋅帶緩解措施示意圖Fig.12 Schematic of zinc belt mitigation measure

根據緩解目標的要求及現場施工條件不斷調整鋅帶的位置及數量，計算得到合格的緩解措施方案，即在管道沿線選擇9處設置鋅帶共1 220 m，具體方案見表1。采取緩解措施后，高壓交流輸電線路干擾段管道的交流電壓降低到6.92 V，低于15 V安全限值，交流電流密度降至98 A/m2，小于100 A/m2安全限值，模擬計算結果顯示該措施可達緩解目標要求，見圖13。

表1 鋅帶敷設的位置及數量Tab. 1 Location and number of zinc belt laying

5 結論

(1) 研究管道同時受到電氣化鐵路和高壓交流輸電線路的交流雜散電流干擾，管道的交流電壓達到44.48 V，交流電流密度達到1 248.66 A/m2，管道上的交流電壓和交流電流密度均超過標準限值的要求。

(a) 交流電壓

(b) 交流電流密度圖13 采取緩解措施前后交流電壓和交流電流密度Fig.13 AC voltages (a) and AC current densities (b) before and after mitigation measure

(2) 當管道主要受高壓交流輸電線路或電氣化鐵路干擾時，管道的交流干擾峰值出現在干擾源路徑與管道路徑的相對關系發生變化的位置，如并行開始位置和并行結束位置等。

(3) 在電氣化鐵路與高壓交流輸電線路造成的混合干擾狀態下，兩種干擾疊加，有時造成交流電壓沖擊波動上升，有時造成交流電壓沖擊波動下降。兩種干擾的疊加造成交流電壓上升和下降的幅度不一樣，部分位置干擾疊加造成的交流電壓上升的幅度大于下降幅度，部分位置干擾疊加造成的交流電壓上升的幅度小于下降的幅度。

(4) 將受高壓交流輸電線路交流干擾管段的交流電壓降低到15 V，交流電流密度降至100 A/m2時，需要在管道沿線設置9處交流排流點，共需要1 220 m鋅帶。