市域铁路交流杂散电流对周围埋地管道影响分析

李天石，李文涛，马九洋，赵崇景

“十三五”时期，我国开始进行市域（郊）铁路规划和建设工作，在《“十三五”规划纲要》和《城镇化地区综合交通网规划》中均提出要加快市域（郊）铁路投资建设，完善城市综合交通运输体系，更好地适应都市圈和城市群发展新要求［1］。

由于市域铁路线路都是为大型人口密集型城市服务，因此对线路的选择与石油天然气行业对传输路径的选择原则极为相近，导致二者之间相互交错的情况不可避免，往往会遇到铁路线与埋地油气管网线路交叉、并行的情况。为便于与城市间轨道交通线路互联互通和资源共享，新建的市域铁路主要采用与大铁相同的AC 25 kV供电制式［2］，即利用接触网作为供电线路，利用列车走行钢轨和大地作为回流线路的单相不平衡供电模式。当电力机车在牵引变电站供电区间内运行时，牵引回流主要流经钢轨，虽然钢轨本身是良导体，但是较长距离钢轨的电阻值对回流的影响不能忽视，较大的牵引回流流过钢轨会产生一定的电压降，从而使钢轨与远端大地之间产生电位差。另外，在市域铁路设计中并未要求钢轨与大地绝缘，二者间存在过渡电阻，使钢轨与大地间存在电位差，故一部分电流将会从钢轨流入大地，未按预期的回流通道流回牵引变电所，即产生交流杂散电流。

交流杂散电流干扰对邻近金属体及管线的危害有3种［3］：一是潜在感应电压威胁操作人员的人身安全；二是会对沿途埋地管道的阴极保护站恒电位仪等设施产生电磁干扰；三是周围金属设施受到交流电作用发生电化学反应的交流腐蚀。

1 交流杂散电流干扰影响及机理分析

市域铁路牵引供电系统一般采用单相AC 25 kV供电制式，与高压供电线路模型相近，可以视为同一模型。高压供电线路对其周围埋地金属管道的电磁影响从机理上可分为3类，分别是感性耦合影响、阻性耦合影响和容性耦合影响［4-5］。

1）感性耦合。当市域铁路牵引供电线路流过牵引电流时，交变电流会在接触网和回流线周围产生交变磁场。该磁场不仅存在于电缆周围的空气中，还同时存在于线路附近的大地中。根据法拉第电磁感应定律可知，大地中磁场作用于金属管道与大地构成的环路，将在金属管道上产生纵向感应电动势。由于在管道外壁及防腐层与大地之间存在寄生电导，使管道与大地之间形成电气回路，由磁场产生的纵向感应电动势在管道上产生纵向感应电流，即称为感性耦合影响。

2）阻性耦合。当牵引供电系统正常运行或发生对地短路时，电流将通过钢轨流回变电所，由于钢轨和大地之间存在泄漏电阻，有一部分短路电流通过轨地过渡电阻流入大地，再通过大地流入埋地金属管，当埋地金属管道防腐层的电阻率过高时，管道上就会产生一定的电位差，即为阻性耦合影响。阻性耦合与大地导电率、钢轨的过渡电阻有较大的关联性［6］。

3）容性耦合。对于AC 25 kV的牵引电压，接触网在正常供电时会在周围空间产生电场，由于线路与金属管道之间存在互电容，电场可以通过接触网与管道之间的互电容耦合，造成管道外壁的感应电压升高，在管壁和大地之间产生电位差，即为容性耦合影响。由于地表土壤对电场具有良好的屏蔽作用，一般可以忽略牵引供电系统对埋地管道的容性耦合影响。

当市域铁路线路与埋地金属管道线路并行或者交叉跨越时，交流杂散电流对埋地金属管道的干扰危害主要源于2个方面：一是电力供电列车正常运行时，牵引供电线路和回流线路中流过较大电流，产生较大的交变电磁场，导致在邻近埋地金属管道上产生的感应电压和感应电流对金属管道造成交流电气腐蚀，或是影响阴极保护装置的正常工作；二是当铁路牵引供电系统发生接触网对地短路故障时，短路电流未按预期回流途径回流牵引变电所，产生的交流杂散电流会在大地中无序扩散，由于埋地管线的金属材质阻抗较小，会有部分杂散电流从金属管道上流过，使金属管道对地产生电位差，在金属管道上感应产生的瞬态高电压可能超过管道绝缘层的耐压水平，击穿绝缘，带来安全隐患，且较高的感应电压还可能击毁阴极保护装置，或者对人身安全造成威胁。

2 交流杂散电流干扰标准要求

我国对埋地管道腐蚀问题较为重视，对于埋地管道的交流干扰防护有着明确的评估原则，主要评估指标参照《埋地钢制管道交流干扰防护技术标准》（GB/T 50698—2011）［7］。该标准规定：如果交流干扰在埋地管道上产生的对地电压（有效值）小于4 V，可认为干扰较小，管道不用采取防护措施应对交流干扰；当干扰在埋地管道上产生的对地电压大于4 V时，则认为干扰较大，需计算交流泄漏电流密度，进一步评估埋地管道的受干扰情况。其计算式为

式中：J为管道破损点处的泄漏电流密度，单位A/m2；UAC为管道破损点处的交流干扰电压，单位V；ρ为土壤电阻率，单位Ω·m；d为管道破损点的等效直径，单位m。

在实际交流干扰影响评估中，埋地管道破损点面积无法准确测量。为降低风险，可按照破损最严重情况进行最保守的计算。根据欧洲标准EN/TS 15280—2006和ISO 15589-1—2003给出的参考数值，在发生交流腐蚀的情况下，管道最有可能的裸露面积取100 mm2（等效直径0.0113 m）［8］，即式（1）中的d=0.0113 m。利用泄漏电流密度参与管道交流腐蚀影响判定，见表1。

表1 管道交流腐蚀影响判定

线路正常运行时，按照《电信线路遭受强电线路危险影响的容许值》（GB 6830—1986）中规定［9］：人身瞬时安全电压为60 V，线路短路故障时人身瞬时安全电压值的限值基于GB/T 13870.1—2008、GB/T 28026.1—2018和IEC 61936—l计算，按表2取值。一般交流电气化铁路短路持续时间为0.1～0.3 s［10-11］。埋地管道三层PE防腐层管道的工频耐受电压限值取57 kV。

表2 交流牵引供电系统中人体最大允许接触电压与时限的关系

3 建模与应用

3.1 理论模型及仿真计算

为计算交流供电线路对邻近油气管道电磁的影响，可假设大地是参考导体，每个管段作为微元处理，则借助多导体传输线理论可以建立等效的管道-大地回路模型［12］，见图1。

图1 管道-大地回路等值模型

相应的频域方程为

式中：Z为单位长度串联阻抗；Y为单位长度并联导纳；I为管道沿线电流；U为管道沿线电压；E为单位长度管道感应电动势。

联立式（2）和式（3）有

联立式（4）和式（5）可得通解为

其中，

式中：α为衰减常数；β为相位常数；γ为传播常数；Zc为特性阻抗。

文献［12］的研究表明，当埋地管道两端接匹配阻抗时，管道-大地回路传输线模型的传播常数γ可由公式（8）计算得出。单位长度串联阻抗Z由管道内阻抗、管道防腐层感抗和大地返回阻抗3个部分组成；单位长度并联导纳Y由管道防腐层导纳和大地返回导纳2部分组成。在获知实际工程信息后，可将管道磁导率、管道电导率、管道防腐层相对介电常数、50 Hz工频信号角频率、管道防腐层电阻率、大地电阻率、管道埋设深度等信息代入一种电力系统设计与分析软件（Current Distribution， Electromagnetic Fields，Grounding and Soil Structure Analysis，CDEGS），自动计算得出串联阻抗和并联导纳。

式（6）、式（7）中待定系数需满足传输线端部约束条件U（0）=-Z1I（0）和U（L）=-Z2I（L），代入整理后可得

式中：Z1为首端阻抗；Z2为末端阻抗；。

一般情况下，靠近供电线路的埋地油气管道都是两端向远方延伸，即Z1=Z2=Zc。代入可得

工程分析中，供电线路对管道腐蚀影响取决于管道防腐层电压。管道防腐层最大电压UP-max为

式中：U（L）max为管道最大干扰电压；Y1为管道涂层单位长导纳；Y2为大地返回导纳；Y2/（Y1+Y2）为管道单位长并联导纳。

线路与管道正常运行情况下，管道防腐层阻抗较大，Y1≈0，因此Up-max≈U（L）max。

式中：E0为单位供电线路负荷电流在单位长度管道上产生的感应电动势，可由架空导体与埋地导体之间的互阻抗计算得出，其与供电线路与管道接近时的等效接近距离成正相关，详细计算见文献［13］；Im为供电线路负载电流最大值。

3.2 应用举例

以广州一条市域铁路与天然气管道交叉工程为例，进行仿真计算。涉及埋地管道的管径为610 mm，壁厚12.7 mm，管道材质API 5L X65，相对电阻率为9.86，相对磁导率为300，管道涂层为3PE（三层聚乙烯防腐涂料），涂层电阻为1×105Ω·m2，涂层厚3 mm。市域铁路线路与上述天然气管道空间交叉夹角为45°；天然气管道与线路相交处管顶高程约4.1 m，埋深约1.4 m。市域铁路接触网线型号采用CTAH150，电阻为0.119 Ω/km；回流线采用LJ/LB1A-200/25，电阻为0.138 Ω/km；列车轨道为60型钢轨，电阻取0.036 Ω/km；列车走行轨与大地之间的过渡电阻值按照3 Ω·km考虑［14］，单列列车最大牵引电流按照400 A计算［15］，接触网短路电流按13 kA持续0.2 s计算，实测接近区段的均匀土壤电阻率为18.3 Ω·m。

利用软件，对不同列车运行工况下埋地管道的最大干扰电位进行计算，得到交流泄漏电流密度，计算结果见表3。

表3 交流牵引供电系统中人体最大允许接触电压与时限的关系

列车正常运行条件下，根据表3的计算结果可知，在牵引电流固定的情况下，列车在管道交叉供电臂区间运行时干扰电压就会增加，只有列车不在该供电臂区间时，管道最大干扰电位才能满足小于4 V的限值要求。当干扰电压大于4 V限值时，需要计算交流泄漏电流密度，且计算得出的泄漏电流密度均超过100 A/m2。按照表1的评价准则，此时管道交流腐蚀影响判定为强，在管道涂层破损情况下会加速管道腐蚀，造成管道穿孔，影响管道安全运行。

在接触网发生短路的情况下，短路入地电流在埋地管道外壁产生的干扰电压值为719.6 V，持续时间0.2 s。其幅度未超过埋地管道三层PE防腐层管道的工频耐受电压限值，不会造成管道防腐层的击穿。但干扰电压值超过了人体在0.2 s时限内的最大允许接触电压值，可能会危及管道维护人员安全。由于交流干扰影响在正常状态和故障状态下均存在安全隐患，因此区段埋地管道需要对交流杂散电流干扰进行有效的防护。

4 结论

1）市域铁路交流杂散电流干扰参数与在埋地管道附近供电臂区间内运行的列车牵引电流相关，与列车位置的关系不大，该供电区间运行的列车对数越多，杂散电流的干扰电压越高。

2）轨道线路对管道感性耦合影响较大，阻性耦合影响较小，大地具有良好的屏蔽作用，因此无需考虑电场容性耦合。由于感性耦合占主要分量，杂散电流干扰的强度随着管道至线路相对距离的减小而增大，随着并行长度增加而增大，距离地铁站较近的管道具有更高的腐蚀风险。

3）交流杂散电流对埋地管道的干扰与周围的土壤环境相关，土壤电阻率越低，会导致市域铁路系统产生更多的杂散电流，且在相同的干扰电压情况下，有更大的交流泄漏电流密度。

4）在与埋地管线有交叉并行的市域铁路，应该尽量缩短接触网短路的跳闸时间，以最大程度保护管道，维护人员安全。