电气化铁路对油气管道的交流干扰计算软件开发与应用

唐 伟，陈 殷，李良威

（1、2、3，中铁二院工程集团有限责任公司，高级工程师，四川成都 610031）

1 引言

油气管道与铁路临近时，电气化铁路中的交变电流会对钢制管道产生电磁干扰，从而改变管道及空间磁场分布，这一过程被称为交流干扰［1］，其会在管道上产生感应电压和电流，对管道造成电化学腐蚀，进而危害铁路和油气管道安全［2］。因此我国对交流干扰有严格限制，并规定在铁路开通运营前，需对其影响进行评估。

由于交流干扰是一个电磁感应过程，求解过程较为复杂。常用的方法为经验公式法和有限元法，经验公式法结果粗糙，工程应用常常造成不必要的冗余设计［3-4］。有限元法占用资源较大，计算速率慢，不适用于工程设计［5］。

文献［6］给出了交流干扰的解析计算方法［6］，但计算公式较为复杂，普通设计人员难以掌握。为解决这一问题，本文结合国内某条新建高速铁路与油气管道交汇时的一个典型点，介绍了一款自主开发的计算软件，该软件能计算管道交流干扰电压、电流以及空间磁场分部等，从而为防护提出建议。

2 数学建模

油气管道与铁路交汇时可能存在平行与交叉两种情况，其示意图分别如图1（a）/（b）所示。

图1 油气管道与铁路临近示意图

2.1 平行临近 当铁路与管道平行临近时，可等效为若干铁路载流导体与管道构成的电磁感应模型，此时管道上产生的感应电动势如式（1）所示，

其中，μ0、f、l分别为真空磁导率、电流频率和平行段长度，rf为大地交流电阻，Hm为管道埋设深度，dn为管道与载流导体的水平距离，D为等值深度，n为载流导体的数量，其与铁路供电方式及单复线等工况相关，In为不同导体中电流大小，与不同工况下电流分配系数相关。

2.2 交叉临近 当铁路与管道交叉临近时，可等效为无数平行微元的叠加，此时管道上产生的感应电流如式（2）所示，

其中，

其中，（x0,y0,z0）和（x1,y1,z1）为交叉接近段起止位置的空间坐标，（zd,yd,zd）为载流导体的空间坐标。

式（1）～（3）的详细推导过程如文献［6］所示。

3 软件开发

文献［6］研究了油气管道交流干扰产生的电流和空间磁场，并给出了计算公式。然而，表达式较为复杂，且为隐式，不能满足工程快速计算需求。未解决这一问题，本文开发了相应计算软件。

软件采用VB 2010和MATLAB混合编程，用MATLAB编写核心算法，VB 2010编写操作界面，既保证了计算的高效性，也保证了通用性。其开发过程如图2所示。

图2 软件开发示意图

主程序由VB 2010编写，VB2010是由美国微软公司开发的可视化、面向对象和事件驱动相结合的高级语言，因此，最终软件能兼容Windows 7/Vista/10等不同操作系统。

4 应用实例

4.1 软件安装 该软件基于VB 2010和MATLAB混合编程，可运行在安装有.Net 4.5.1以上版本的Windows系统中，软件安装主界面如图3所示。

图3 软件安装主界面

依次完成运行环境、编译器和主程序的安装即可，如果系统已有.Net 4.5.1以上版本，即可跳过第一步。

4.2 模块选择 本文将以国内某处新建高速铁路与油气管道交汇的实际情况为例，介绍该软件的使用方法。启动软件后，首先需根据实际情况进行模块选择，选择界面如图4所示。

图4 模块选择界面

4.3 输入与计算 根据工程现场情况选择完毕后，点击启动，进入参数输入界面，如图5所示。

图5 参数输入界面

如上图所示，由于要输入不同导体以及管道的空间坐标，因此需进行空间原点定位，点击参考图后，会给出原点位置，如图6所示。

图6 确定空间原点

此外，需输入铁路各载流导体的回流系数，该系数通常可由工程经验或理论计算确定。对于有条件的工程，也可采用实测值。所有参数输入完毕后，点击计算按钮，软件开始计算交流干扰大小以及空间磁场，其间会要求设置结果储存路径，如图7所示，用户可根据使用习惯选择。

图7 结果储存路径选择

4.4 结果输出 当计算完成后，软件会弹出输入界面如图8所示，软件提供了“牵引工况”和“短路工况”两种情况下的计算结果，用户可根据需要，点击相应按钮进行切换。

图8 输入界面

由上图可知，软件给出了不同工况下感应电压、电流、交流电流密度等结果，并对是否满足规范以及是否需要防护进行了判别。其中感应电压判别依据为《交流电气化铁道对油（气）管道（含油库）的影响容许值及防护措施》（TB/T2832-1997），交流干扰强度判别依据为《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》（GB/T 50698-2011）。最后，在图7所示选择的结果储存路径中，可以得到空间磁场的动态图，从而直观反映磁场随时间的变化，用户可根据需要使用，也可转为.mp4等视频格式。

5 结论

根据工程应用需求，本文开发了一款油气管道交流干扰计算软件，并以工程实际情况为例，着重介绍了软件的操作过程和方法，可为相关技术人员的使用提供参考。该软件计算速率高，结果准确度大大优于目前广泛采用的经验公式法，从而避免不必要的冗余设计，极大节省了管道的防护成本。该软件已成功应用于国内多条新建铁路的安全评估中，取得了较大的经济和社会效益。