埋地管道杂散电流监测系统研究现状

同济大学机械与能源工程学院 娄志标 秦朝葵 陈志光

埋地管道杂散电流监测系统研究现状

同济大学机械与能源工程学院 娄志标 秦朝葵 陈志光

分析了埋地管道杂散电流监测系统的构成，讨论了几种常见杂散电流监测方法对监测系统量程、续航能力、频率的要求，评述了现有监测系统数据存储、处理、远传的关键技术，总结了几种常见的监测数据分析方法，最后指出了管道杂散电流监测系统现存的问题和未来发展的方向。

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1 概述

杂散电流是指在非指定回路中流动的电流。因来源不同，可分为直流杂散电流、交流杂散电流和大地自然电流。杂散电流腐蚀属电化学腐蚀，与通常自然腐蚀的原电池作用相比具有以下特点：腐蚀强度高，危害大；腐蚀集中于局部位置；容易交叉干扰；干扰影响范围大；随机性强。杂散电流会对地下隧道结构钢筋，高架桥结构钢筋，沿线金属管线，屏蔽网等金属设施产生严重腐蚀。因此，有必要对其进行监测，一旦发生严重腐蚀，即可采取及时有效的措施进行防护处理。

目前，轨道交通侧已有成型的监测系统，如西安地铁一、二号线、武汉轨道交通1号线和上海轨道交通3号线北延伸线等均采用集中式杂散电流监测系统，沈阳地铁一、二号线、上海轨道交通9号线、武汉轨道交通2号线采用分布式杂散电流监测系统。然而，埋地管道侧的监测系统尚未有深入的研究，其监测的手段和设备也较为简单，实际的工程实践更是寥寥可数。本文对管道侧杂散电流监测系统研究现状进行综述，分析现有监测系统的构成和关键技术，对其存在的问题做了总结，对其未来的发展进行了展望。

2 监测系统

2.1 监测系统的构成

监测系统包括硬件部分和软件部分。硬件部分包括数据采集仪、现场服务器和中心服务器。软件部分包括数据传输软件和诊断分析软件，其中数据传输软件一般包括数据采集、数据存储、数据上传等功能。诊断分析软件则可根据需要实现实时显示、时频分析、限值报警等功能。

2.2 监测方法

目前常见的监测方法有管地电位法、土壤电位梯度法和管中电流法。不同的监测方法会对监测系统的量程、续航时间、监测频率提出不同的要求。

2.2.1 管地电位法

管地电位指埋地管道与相邻土壤的电位差，通常通过测量管道与对应参比电极之间电位差获得。

《埋地钢质管道腐蚀防护工程检验》(GB/T 19285—2003)规定：当管地电位较自然电位正向偏移≥100 mV时，管道应采取防护措施；规定测定时间段一般为40~60 min，对运行频繁的直流电气化铁路可取30 min，读数时间间隔一般为10~30 s，电位交变激烈时，不得大于10 s。

由于不同现场实测管地电位变化大，有时会面临交流电干扰，有时需要测试阴极保护电位，所以监测系统的量程因根据现场情况和实际需求选取±5 V、±10 V甚至更大。由于自然电位难以测试，有时需要24 h连续监测管地电位来获得地铁停运时的稳定管地电位作为“自然电位”。由于杂散电流干扰源未知，有时需要长时监测杂散电流以寻找不同时刻的干扰原因，所以监测系统的续航时间因根据监测需要选取24 h甚至更长。由于交流杂散电流的干扰，杂散电流采集频率应根据数据频谱分析处理的需要选取1 Hz、50 Hz甚至更高。

2.2.2 土壤电位梯度法

土壤电位梯度指电流通过时形成的土壤电位差。通过测试布置在平行和垂直于管线方向的两组参比电极的电位差，得到沿管线方向和垂直于管线方向上土壤电位梯度的变化，其矢量和即为该点土壤电位梯度，进而可判定土壤中电流大小和方向。

《埋地钢质管道腐蚀防护工程检验》(GB/T 19285—2003)规定：当管道附近土壤表面电位梯度＞2.5 mV/m时，应采取直流排流保护或其他防护措施；规定电极间距宜为10 m，当受到环境限制时可适当缩短。因此，当需采取防护措施时，土壤电位梯度法的电位差为25 mV(取间距10 m)，小于管地电位法的100 mV。尚秦玉等《高压线路对地下输油管道中杂散电流影响规律》中也给出了两种方法同时采用时的实测值对比情况。因此相对于管地电位法，土壤电位梯度法对监测系统的量程要求较小。使用该方法时，重要测点需保证监测系统24 h续航时间，而对于采集频率则没有明确要求。

2.2.3 电流探针测试法

该法采用探针电流相对于基准电流的比例及对应电流作用时间来综合评价杂散电流的干扰。在整个测试时间段内，如果探针电流低于基准电流某一比例的时间超过了标准中规定的最大可接受时间比例，或者低于基准电流某一比例的累积时间超过了最大可接受持续时间，则可判定所测管道受到杂散电流影响。《直流电流杂散电流的腐蚀防护》(EN 50162—2004)的附录D中给出了电流探针法杂散电流判定标准，见表1。

表1 电流探针法杂散电流判定标准

该判定标准并未给出电流大小，而电流探针法国内也尚无应用实例，实测时因根据现场情况确定监测系统量程。该方法通常需要24小时连续测试。测试频率以保证数据量为目标，无明显要求。

2.2.4 测试方法小结

现有的管道杂散电流监测系统以测试管地电位为主，土壤电位梯度为辅，国内尚无探针电流测试的工程应用实例。三种测试方法对监测系统的量程有不同要求，但对系统续航能力都提出了24 h的要求，而根据测试判定的方法，三者对测试频率没有明确要求，可根据数据的分析处理需要确定。

2.3 监测数据传输

监测数据可以由采集仪采集后存储在现场的服务器中，将数据的采集和处理分析过程分离；也可以通过虚拟仪器将采集所得数据在现场进行实时显示和处理分析；也可以通过无线传输的方式将数据实时传输给中心服务器，在中心服务器上实现数据处理。

2.3.1 基于存储

常见的存储类型有存储芯片存储、SD卡存储和USB自动存储。姜长洪等采用AT45DB041B存储芯片作为储存介质，配合AT89C51单片机研制了埋地管道的杂散电流测试仪。该方法的优点在于价格便宜(芯片和单片机单价都在10元以内)，能耗低(AT89C51单片机，在最高电流工作状态下功耗仅为0.1 W)，缺点是容量小(AT45DB041B储存芯片，容量仅为4 MB)，无法保存高频持续采集的大量数据。

陈奥林等及施泽钦各自独立研发了基于SD卡存储的杂散电流测试设备。该方法的优点在于容量大，在GB级别，性价比高(高于1 MB/元)，但SD卡多适用于手持式电子设备，设备功能多样，所以功耗各不相同。

王华等采用了HC-069存储式杂散电流测试仪测试了轻轨运行干扰下的埋地燃气管道杂散电流情况。该设备采用USB自动存储的方式，相比较于SD卡具有传输速度更快、容量配置灵活的特点，可插入容量从MB级别到GB级别甚至TB级别不等的U盘或移动硬盘。

2.3.2 基于虚拟仪表

虚拟仪表具有软硬件无缝集成，使用方便，扩展性强等特点，测试杂散电流时常用主要有HS801和labVIEW两种。

HS801是一款五合一的虚拟仪器，包括任意信号发生器、伏特表、频谱分析仪、数字存储示波器和瞬态记录仪，但本身不具有数据分析和处理功能。李德臣等、马草原等及马永儒都通过软件的二次开发各自实现测量数据最高值、最低值、平均值的统计，数据波形图的绘制显示，数据保存至电子表格等功能。labVIEW是虚拟仪器应用中最常见的开发平台，使用图形化的编程方式，并兼容大量仪器驱动程序。张维及陈志光等通过软件编程实现了杂散电流测试数据的现场实时显示及自动存储。

采用虚拟仪表的优势在于及时显示、分析监测系统所采集到的数据，但为便于数据存档和分析，通常会结合存储方式将数据保存备份。

2.3.3 基于无线远传

目前杂散电流主要的无线远传方式是GPRS。GPRS理论网络传送速率可达171.2 kbit/s，实际传送速率在13~46 kbit/s，适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。陈飞等采用GPRS网络方式，成功实现了远程终端与主站服务器之间的数据通讯，长时间连续检测了管地电位。安成名等通过对同一时间点的现场数字式万用表数据和无线远程传输系统数据作对比，得到了GPRS无线远传系统结果准确、效率高的结论。

2.3.4 监测数据传输小结

采用虚拟仪表可及时显示监测数据，有利于工作人员对现场情况进行判断分析。但杂散电流腐蚀是一个缓慢长期的过程，对监测数据并无实时处理必要，选择存储或者无线远传的方式有利于将数据采集和处理的过程分离，同时降低连续监测时工作人员的劳动强度。存储方式适用于短期、小数据量的监测，长期监测时需要定期拷贝数据并清空存储空间。而无线远传方式有利于长期监测，但也面临信号不好时，数据易丢失的问题。如条件允许，可将存储和远传方式相结合，以提高系统的稳定性。另外，目前埋地管道的监测系统难以利用市政供电，而蓄电池续航时间有限，各种方式都面临电池定时更换问题。

因此基于虚拟仪表的监测系统需要人员坚守，基于存储的监测系统则需要定期维护，两个方法无论单独使用或结合使用都无法适用于长期、大数据量的监测。而基于无线远传的监测系统数据不必定期维护，结合数据存储可提高系统稳定性，若能接入市电保证续航时间，该方式最具发展潜力。

2.4 监测数据分析

根据杂散电流的监测数据，一般可生成监测数据随时间变化的波形图，统计监测数据中的最大值、最小值和平均值。

不同监测方法对是否有杂散电流干扰的判断标准不同，对监测数据的处理方式也各不相同。管地电位法会计算管地电位与自然电位的偏差值；土壤电位梯度法会由垂直和平行管道的电位梯度合成矢量方向；电流探针法会统计探针电流的大小及作用时间。

由于杂散电流干扰源多样，其大小和方向往往处于激烈变化中，瞬时高频的偏移与累积同样会腐蚀管道，仅以平均值并不能真实反映动态杂散电流干扰的状态。《直流电流杂散电流的腐蚀防护》(EN 50162—2004)也提到，在电位频繁波动的情况下杂散电流的判定应基于管地电位正向偏移的大小以及偏移的持续时间和频率。因此为寻找动态杂散电流的干扰源和分析杂散电流动态特性，需要将监测数据与干扰源数据进行同步对比，通过频谱分析分离交流信号和直流信号，以及通过滤波处理分析主要的干扰源信号。

目前主要的数据分析工作由人工统计完成，对于软件的应用程度还不够，尚未有针对杂散电流监测数据分析处理的软件。随着城市轨道交通的建设完善，杂散电流的动态特性将更加明显，对干扰源的甄别也更为困难，利用软件对监测数据进行频谱分析和滤波处理是未来监测数据分析的发展方向。

3 问题与展望

(1)目前管道杂散电流监测系统以测试管地电位为主，土壤电位梯度为辅，国内尚无探针电流测试的工程应用实例。

(2)目前管道杂散电流监测系统尚不能接入市政供电，短期监测可采用虚拟仪表与存储结合现场查看数据并保存备份的方法，长期监测则宜采用无和后期发展。要有效地解决武汉市的供气调峰和事故储备问题，需要政府相关部门出面牵头建设一定规模的储气设施，完善武汉市调峰储备的总体布局和结构；天然气公司也应充分利用现有设施，积极发挥自我调节和平衡的能力。

完全依赖储存设施来解决调峰问题，最终难以根本性地解决，宜采用多种形式分散和缓解调峰压力，特别是优化用户市场结构不宜忽视。储气设施的建设，宜着眼于解决小时调峰和日调峰，兼顾解决部分季节调峰，适当增加事故调峰的储备量，综合利用各类储气方式的优势，统一规划布局。建议先启动一期LNG储存设施建设项目，作为事故和近期调峰储备。

储气设施是保障城市天然气安全供应必要的市政设施，其建设的问题宜未雨绸缪，尽快提到议事日程上来，不应等到问题发生之后再来考虑解决，否则会给武汉市的可持续发展带来不利的影响。线远传与存储相结合的方式保存传输监测数据。

(3)目前管道杂散电流监测系统所得数据主要由人工统计分析，软件频谱分析和滤波处理是未来处理监测数据的发展方向。

Review of Stray Current Monitoring System near the Buried Pipeline

Mechanical & Energy Engineering College Tongji University
Lou Zhibiao Qin Chaokui Chen Zhiguang

The composition of stray current monitoring system near the buried pipeline is analyzed. Several requirements of monitoring methods for the measuring range, endurance and frequency of monitoring system are discussed. Several traditional methods monitoring data analysis were summed up. In the end, the paper concludes the existing problems of the monitoring system and its direction of future development.

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