廣州地鐵22號線交流牽引供電系統電磁干擾問題分析

趙云云 桑國陽 龍意仁 李鯤鵬, 葉 俊 曹曉斌

(1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司,510010,廣州; 2.中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司,410007,長沙;3.西南交通大學電氣工程學院,611756,成都; 4.陽光電源股份有限公司,230088,合肥)

隨著城市軌道交通線路的速度目標值越來越高,傳統直流牽引供電系統制式的地鐵由于其供電電壓較低,需在區間設置大量牽引變電所,以延長供電距離。在這種情況下,直流牽引供電系統具有結構復雜、供電設備投資成本較高等缺點。此外,在直流牽引系統制式下,列車再生制動產生的能量不易返回電網,需增加價格不菲的專用設備,還要配以復雜的控制裝置[1],無法滿足現在與未來的節能減排目標。鑒于此,越來越多的城市開始規劃建設交流供電制式的地鐵。

由于地理條件與成本限制,地鐵線路需與油氣管道敷設在同一公共走廊,這將會在一定范圍內造成兩者平行接近或交叉穿越等情況。交流牽引供電系統大多以鋼軌和大地作為回流路徑,由于鋼軌對地不能做到完全絕緣,在線路正常運行時將會存在地中交流雜散電流,進而對鄰近金屬油氣管道產生交流干擾[2]。交流雜散電流極易導致電極表面產生去極化作用,造成鄰近埋地金屬油氣管道的絕緣層所承受的電壓過高,進而導致可能擊穿金屬油氣管道絕緣層并擊毀陰極保護設備,最終導致金屬油氣管道交流腐蝕穿孔,并對鄰近操作人員的人身安全造成威脅[3-4]。廣州地鐵18號線和22號線均采用鋼軌對地絕緣架設,并在道床中敷設了全線貫通的排流網,以減小地鐵在運行過程中對周圍油氣管道的影響。

目前,國內外學者對金屬油氣管道的電磁干擾問題進行了大量研究。文獻[5]采用EMTP-ATP軟件建立仿真模型,研究了電力系統架空線路短路引起的地下管道感應電壓問題。文獻[6]研究了高壓輸電線和交流電氣化鐵路對埋地管道的共同影響。文獻[7]研究了交流變電站對鄰近管道的電磁干擾影響。文獻[8]研究了高壓交流輸電線與管道間的平行長度、高壓線穩態運行電流和土壤電阻率對埋地管道電磁干擾的影響規律。文獻[9]基于CDEGS軟件,研究了交流電氣化鐵路對沿線油氣管道電磁干擾的影響。以上文獻的研究對象均是位于地面以上的電氣化鐵路,未研究位于地下的城市軌道交通對金屬油氣管道產生的交流電磁干擾問題。

鑒于此,本文基于地鐵隧道的實際情況,建立地鐵上下行隧道與金屬油氣管道模型,研究了采用交流牽引供電系統的地鐵線路對埋地金屬油氣管道的電磁干擾方式、影響程度、影響因素,以及減少電磁干擾危害的可行性措施。本文研究可為防治油氣管道電磁干擾提供依據,也可為今后交流供電制式地鐵線路的設計和規劃提供指導。

1 地鐵隧道與金屬油氣管道耦合模型

1.1 土壤結構模型

以廣州某金屬油氣管道與廣州地鐵22號線并行段為例,建立地鐵隧道、牽引供電系統與金屬油氣管道耦合模型。模型中的所有參數均來自于實際設計參數及現場勘測數據。在交流牽引供電系統中,將大地作為交流雜散電流的回流路徑,故土壤結構會對交流雜散電流的分布產生影響。該地鐵隧道區段的土壤結構模型參數如表1所示。

表1 土壤結構模型參數

1.2 耦合模型

地鐵隧道上下行兩路的水平間距為16 m,金屬油氣管道部分與地鐵線路并行,地鐵隧道與金屬油氣管道間有一條長約600 m的平行段,管道埋深為1.7 m,隧道頂部埋深為13.67 m,即管道距隧道頂部的垂直距離為11.97 m。管道的管徑為610 mm,壁厚為15.9 mm,輸送介質為天然氣,管道設計壓力為9.2 MPa,運行壓力為8.6～8.8 MPa。管道采用直縫埋弧焊接鋼管,鋼管材質為API 5L X65,屈服強度為450 MPa,焊縫系數為1.0,強度設計系數為0.4,管道相對電阻率為9.86,相對磁導率為300。管道涂層為3PE(聚乙烯)防腐涂層,涂層電阻率為1×105Ω·m,涂層厚為3 mm。在仿真模型中,管道設置為空心導線,半徑為300 mm,壁厚為15.9 mm,涂層電阻率為1×105 Ω·m,涂層厚為3 mm。

根據管道與地鐵隧道的位置關系,把金屬油氣管道劃分為4段:第1段與地鐵線路夾角為45°,長度為1 690 m;第2段與地鐵線路夾角為30°,長度為360 m;第3段位于地鐵線路正上方,與地鐵線路并行,長度為600 m;第4段垂直于地鐵線路,長度為2 000 m。4段管道總長為4 650 m。地鐵隧道與金屬油氣管道位置示意圖如圖1所示。

圖1 地鐵隧道與金屬油氣管道位置示意圖

1.3 仿真模型等效參數

在CDEGS軟件中所建立的模型包括接觸線、鋼軌、回流線、排流網、結構鋼筋及油氣管道等。仿真模型等效參數如表2所示。

表2 仿真模型等效參數

2 金屬油氣管道電磁干擾仿真分析

2.1 不同類型耦合電壓的分布規律

交流雜散電流干擾對埋地管道的影響主要包括容性耦合、阻性耦合、磁感應耦合[10]。由于金屬油氣管道通常有良好的絕緣防護層,內阻較高,因此可忽略容性耦合的影響。交流牽引供電系統大多以鋼軌和大地作為回流路徑,線路正常運行時存在地中交流雜散電流,引起地電位有所變化,進而產生阻性耦合。同時,由于接觸網與回流系統中的電流在外界產生的磁場不能相互抵消,導致周邊金屬油氣管道兩側存在磁場差,從而在鋼管上產生感應電壓。

將地鐵隧道與金屬油氣管道耦合模型的仿真數據繪制成金屬油氣管道的電磁感應、地電位和管道涂層耐受電壓的分布曲線,如圖2所示。由圖2可知:①金屬油氣管道的電磁感應電壓變化落差較大,整體隨著金屬油氣管道的走向呈下降的趨勢;最大電磁感應電壓位于油氣管道首端;金屬油氣管道與地鐵隧道并行段的下降幅度最大。②管道沿線地電位較低,且沿線地電位變化范圍較小,變化幅值約為2 V,這說明金屬油氣管道對于地面有電流泄漏現象,但泄漏到大地中的電流并不多。③電磁感應電壓幅值遠遠大于地電位,且金屬油氣管道涂層耐受電壓值為管道電磁感應電壓與地電位的差值。

a) 電磁感應電壓

2.2 電磁干擾影響分析

2.2.1 管道敷設方向對電磁干擾的影響

利用所建立的地鐵隧道與金屬油氣管道耦合模型,通過仿真計算研究了首段及末段金屬油氣管道的電磁感應電壓、地電位和涂層耐受電壓的分布情況,其中不設回流線時,各電壓情況如表3—表5所示。不同區段電磁干擾的強度并不相同。電磁感應電壓變化最大的管道段為第3段,即金屬油氣管道與地鐵隧道平行敷設的那一段,其電磁感應電壓差高達31.218 V。電磁感應電壓變化最小的管道段為4段,即金屬油氣管道與地鐵隧道垂直敷設的那一段,其電磁感應電壓差非常小,幾乎為0。此外,即使地電位變化幅度并不大,但金屬油氣管道沿線最大地電位差也位于第3段,地電位差為2.713 V。

表3 不設回流線時的管道電磁感應電壓

表4 不設回流線時的管道地電位

表5 不設回流線時的管道涂層耐受電壓

綜上所述,不論是電磁感應電壓還是地電位,管道第3段并行段兩端的電壓差值均最大。由此可知,金屬油氣管道和地鐵隧道并行段受到電磁干擾的影響最大,是需要重點防范的區段。

2.2.2 耦合類型對電磁干擾的影響

金屬油氣管道電磁感應電壓與管道涂層耐受電壓對比情況如圖3所示。由于管道涂層耐受電壓為管道上的電磁感應電壓與地電位之差,從圖3可以看出,管道涂層耐受電壓與管道上的電磁感應電壓基本一致,地電位產生的影響基本可以忽略,因此可以認為金屬油氣管道所承受的電磁干擾主要來源于金屬油氣管道上的電磁感應電壓。

圖3 金屬油氣管道電磁感應電壓與管道涂層耐受電壓對比

3 電磁干擾主要影響因素

3.1 回流線影響

在城市軌道交通領域中,回流線的作用是減少牽引供電系統對外電磁泄漏量,從而達到降低電磁干擾的目的。本文選取無回流線、回流線在地鐵軌道側方、回流線位于接觸網上方、接觸網側方和上方各一根回流線、接觸網上方兩根回流線和接觸網上方三根回流線這幾種回流線方案進行研究。隧道橫切面軌道、接觸網和回流線位置示意圖如圖4所示。不同回流線方案下,金屬油氣管道電磁感應、地電位及管道涂層耐受電壓的分布曲線如圖5所示。

圖4 隧道橫切面軌道、接觸網和回流線位置示意圖

a) 電磁感應電壓

回流線的位置及數量均能起到降低管道電磁感應電壓的作用。若回流線位于軌道側,管道的最大電磁感應電壓由無回流線時的23.405 V下降到21.228 V,下降率小于10%。當回流線位于接觸網正上方時,管道的最大電磁感應電壓由無回流線時的23.405 V下降到14.698 V,下降率為37.2%。當接觸線上方和軌道側各安裝一根回流線時,管道最大電磁感應電壓從23.405 V下降到11.202 V,下降率為52.1%,僅比回流線位于接觸網正上方的情況多降低了14.8%,因此在軌道側加回流線的方案效果并不理想。當接觸線上方安裝兩根回流線時,管道最大電磁感應電壓從23.405 V下降到8.605 V,下降率為63.2%。當接觸線上方安裝三根回流線時,管道最大電磁感應電壓為5.885 V,下降率為74.9%。綜上所述,在接觸網上方增加回流線可以有效降低管道的電磁感應電壓,增加三根回流線時,金屬油氣管道上的感應電壓已低于其允許承受的電壓水平[2]。

3.2 隧道結構鋼筋影響

隧道壁的結構鋼筋產生的感應電壓會對金屬油氣管道產生電磁干擾。結構鋼筋全線連通時,金屬油氣管道電磁感應、地電位及管道涂層耐受電壓的分布曲線如圖6所示。當結構鋼筋全線連通時,金屬油氣管道內部鋼管上的電磁感應電壓及管道沿線地電位均有所增加。

a) 電磁感應電壓

當采用交流供電制式時,交流電磁場在結構鋼筋上會產生電磁感應電壓,且結構鋼筋越長,鋼筋兩端的感應電壓差越大。由于結構鋼筋不是對地絕緣架設,在電磁感應電壓作用下,結構鋼筋周邊的土壤電位會有所上升,導致平行于地鐵的金屬油氣管道周邊地電位有所上升。但由于地鐵隧道結構鋼筋與金屬油氣管道的長度及走向并不相同,故二者的電磁感應電壓相位也不同,則地電位與管道內部鋼管的電磁感應電壓相位也不一致,不能相互抵消,最終導致管道涂層耐受電壓有所上升。

4 結語

通過建立地鐵隧道與金屬油氣管道電磁干擾耦合模型,研究了電磁干擾的主要影響因素與減少電磁干擾的措施,主要獲得以下結論:

1) 交流牽引供電制式下,管道涂層實際承受電壓為涂層內部金屬管道表面的電壓和外部土壤中地電位的差值,地鐵牽引供電系統會引起油氣管道金屬表面感應電壓和外部地電位的變化,從而引起油氣管道涂層承受電壓的變化。地鐵隧道在金屬管道表面產生的感應電壓幅值是土壤地電位幅值的10倍以上,因此金屬油氣管道受到的電磁干擾以管道與地鐵的電磁感應電壓為主。

2) 電磁感應電壓與金屬油氣管道及地鐵隧道的相對位置及走向有關。當油氣管道與地鐵隧道水平夾角為90°時,油氣管道兩端產生的電磁感應電壓幾乎為0。金屬油氣管道及地鐵隧道并行段的管道兩段電磁感應電壓差非常大,因此金屬油氣管道及地鐵隧道并行段是產生電磁干擾的主要區段。

3) 增加回流線可以極大地降低金屬油氣管道的電磁感應電壓,回流線的位置與數量對減少電磁干擾效果有極大的影響,回流線應盡量靠近接觸線,并布置在靠近并行段油氣管道的一側。

4) 地鐵隧道的結構鋼筋通過電磁感應增大了對外泄漏電流,在全線連通時,不僅提高了金屬油氣管道的電磁感應電壓,還提高了金屬油氣管道沿線的地電位,整體上表現為油氣管道所受的電磁干擾有所增強。