电气化铁路对埋地金属管线的影响及防护技术

孙震洋

电气化铁路对埋地金属管线的影响及防护技术

孙震洋

研究了电气化铁路防护技术方案和排流方法，分析了目前国内通常采用的排流方式不足之处，提出了新的排流理念和措施，完善了各种排流器的改进方案，为电气化铁路安全绿色运营提供借鉴。

电气化铁路；干扰影响；防护；排流

0 引言

电气化铁路牵引供电系统分为交流工频单相25 kV供电制式和直流1 500 V或750 V供电制式两类，对沿线埋地金属管线的影响前者为交流电磁干扰影响，后者为直流杂散电流腐蚀影响。对交流电磁干扰影响及防护，国内主要的研究成果大多针对电力系统高压输电线，对直流杂散电流影响国内油、气管道行业通常利用阴极保护技术加以防护，但有针对性地结合电铁供电特点的金属管线防护技术和方法还有待进一步改善。

1 交流牵引供电的影响及解决方案

交流电气化铁路对沿金属管线的影响主要有静电影响、磁影响、地电位影响等3个方面。对于埋地金属管线，电铁的静电危害可忽略不计，其不平衡电流将通过感性、阻性耦合在金属管道上产生感应对地电压，从而对管道产生交流腐蚀影响、损害管道自身的阴极保护设施，严重时甚至危及管道施工和维修人员的正常工作和人身安全。

1.1 管道交流干扰影响的评估

与电气化铁路平行长度小于25 km的管道上电磁干扰最高电压可由以下经验公式计算：

式中，Umax为管道电磁干扰电压最大值，V；U20m为平行距离20 m时电磁干扰最大值，V/kA，该值查表可获得；fd为距离因子，，M为互感系数，该值查表可获得；Ick为短路电流，A；αγ为传播常数修正系数，，r1为管道防腐涂层单位电阻，Ω · m2；α为综合屏蔽系数，通常取0.4～0.8。

根据GB/T50698-2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》的规定，当管道上的交流干扰电压不高于4 V时，可不采取交流干扰防护措施，高于4 V时，应采用交流电流密度进行评估，交流电流密度可按下式计算：

式中，JAC为评估的交流电流密度，A/m2；V为交流干扰电压有效值的平均值，V；ρ为土壤电阻率，Ω·m；d为破损点直径，m。

管道受交流干扰程度可按下表交流干扰程度的判断指标的规定判定。

表1 交流干扰程度的判断指标表

当交流干扰程度判定为“强”时，应采取交流干扰防护措施；判定为“中”时，宜采取交流干扰防护措施；判定为“弱”时，可不采用交流干扰防护措施。

1.2 防护方案研究

防护方案主要分直接排流法和排流器排流法。直接排流法是指将被干扰管道与钢材构成的地床用导线直接连接起来，如果用镁、锌、铝等活泼金属作为接地极构成地床则通常又被称为负电位排流法；排流器排流是指被干扰管道与地床之间接入专用排流设备。直接排流法虽然施工简单，造价低廉，但其破坏了管道的整体绝缘，影响管道自身阴极保护，容易引起次生腐蚀，因此仅在少数情况下应用于非重要管道。

排流器排流是目前主流方式，排流设备主要有箝位式排流器和固态去耦合器2种类型。两者各具优缺点，分述如下。

（1）箝位式排流器优点：国内自有知识产权，技术成熟，交流排流效果较好；经过不断改良，二代产品排流、测试、测量等模块整体封装，操作简单，维修方便；在干扰电流负半周流过时，为管道提供-0.9 V左右的负电位，变“废”为“宝”；故障情况下处于接地导通状态，维持排流功能。

箝位式排流器缺点：交流排流过程中，仍然会造成部分管道阴保电流漏失，同时二极管的残压作用，在一定程度上造成管道保护电位波动；直流阻断电压不可调；不具备保护管道防雷击功能。

（2）固态去耦合器优点：真正做到在排流过程中“隔直通交”；直流阻断电压可根据用户需求设置，应用更广泛；具有管道雷击防护功能。

固态去耦合器缺点：为国外引进技术，各元件阻抗匹配技术复杂，国产后技术不过关，性能不稳定，发热较严重；装置在工程使用过程中必须安放测试桩，增加工程量；电容元件在管道阴极保护电流断电时放电，影响管道产权单位对阴保系统的维护测试；故障情况下装置处于断开状态，失去排流功能。

电气化铁路干扰防护设备应该只针对解决牵引电流带来的各种影响，因此固态去耦合器中附加的管道雷击防护功能可以去除，综合考虑固态去耦合器和箝位式排流器的优缺点，二者取长补短，结合起来改进去耦合排流器如图1所示。

采用电解电容与箝位排流节相结合，以电容作为“隔直通交”的主排流通道，以箝位排流节替代原先去耦合器采用的易发热、易损坏、价格昂贵的晶闸管元件，直流阻断阀值固定为-2.1/+0.7 V。利用箝位排流中的直流电压残留，确保电容两端电压限制，不至于受到冲击后击穿，同时箝位排流节作为大电流情况下主泄放通道。结合电容蓄电平衡滤波功能，使阴保直流在该排流器上获得一定的电量存贮，从而保证直流电位更加趋于稳定。采用压敏元件构成的浪涌保护器，保证排流器在地中涌流影响下排流器的安全。

图1 去耦合器改进方案原理图

2 直流牵引供电的影响及解决方案

直流电气化铁路产生杂散电流，地中杂散电流流过金属管道的过程形成了2个有外加电位差而建立的腐蚀电池，使电流流出管道一端遭受腐蚀。

2.1 管道直流干扰影响评估

《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》（GB50991-2014）规定：

（1）当在管道上任意点的管地电位较自然电位正向偏移（极化）20 mV，或者管道附近土壤的电位梯度大于0.5 mV/m时，确定有直流干扰。

（2）当在管道上任意点的管地电位较自然电位正向偏移（极化）100 mV，或者管道附近土壤的电位梯度大于2.5 mV/m时，管道应采取直流排流保护或其他防护措施。

2.2 防护方案研究

直流电气化铁路沿线的油、气金属管道防护，目前多采用通过由二极管构成的排流器经负电位地床强制排流方式，该方式不能区分管道上的感应干扰是否造成了腐蚀而直接排流，因此埋地镁阳极在实际不需要排流的状态下也造成消耗，从而减少阳极使用寿命，增加运营成本。

针对上述问题，本文提出一种可选电压式排流电路结构，设计思想如图2所示，阴极保护电位根据使用条件而设定，在满足设定条件情况下方可排流，根据环境条件而设定阴极保护电压，实现按需排流的智能电路结构。将排流回路一端连接到金属管道，另一端连接到镁阳极，通过检测回路比较管道实测的电压与设定开关的预设电压进行比较，根据逻辑判定结果，控制回路决定排流回路是导通还是截止。同时排流回路设有常规二极管排流的备用通路，在主回路出现故障时，可以通过控制投入备用回路。

可选电压式排流器防护方案不是简单的将管道和镁阳极直连，而是通过管地电位的判定结果来确定是否打开主回路连接管道与镁阳极，实现了智能化的“按需排流”功能，故镁阳极的消耗大为降低，起到节省运营费用，减少维护工作量的目的。

3 结语

众所周知，利用电能作为牵引动力的电气化铁路，以其运行速度快、运载能力强、既环保又节能等优势，在国内飞速发展起来。但该电牵引模式在给交通运输带来方便快捷的同时，也带来了电磁感应干扰及杂散电流腐蚀等问题。固态去耦合器是新兴的交流电磁干扰防护设备，其与传统的箝位式排流器相互“取长补短”之后，应用于电气化铁路具有更高的性价比；常规的直流牺牲阳极保护法由于牺牲阳极的快速消耗，给管道维护带来很大工作量和高运营成本，可选电压式排流器将从根本上解决该问题。

[1] 李许立. 可控式油气管道感应电流排流法研究[J]. 铁道标准设计，2009.

[2] 王瑞鹏，程拥军. 埋地管道交流杂散电流的危害与排流[J]. 腐蚀与防护，2014.

[3] 铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津赛德电气设备有限公司，可选电压式排流电路结构：中国，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

孙震洋.铁道第三勘察设计院集团有限公司，高级工程师，电话：13752505297。