交流輸電線路對埋地金屬管道穩(wěn)態(tài)干擾的影響規(guī)律

謝輝春，宋曉兵

（1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，武漢 430074;2.湖北超高壓輸變電公司，武漢 430050）

0 引言

高壓輸電線路正常運行時，感性耦合是線路和埋地金屬管道間電磁耦合的主要形式，線路上的電流周期性變化產(chǎn)生交變磁場[1-2]，會在管道上產(chǎn)生縱向感應(yīng)電動勢(如下圖1所示)，從而產(chǎn)生交流穩(wěn)態(tài)干擾[3-5]。

圖1 高壓交流輸電線路與埋地管道間感性耦合示意圖

由于感性耦合所產(chǎn)生的縱向感應(yīng)電動勢存在，根據(jù)表征現(xiàn)象和對應(yīng)的地電位參考物不同，又可分為管道接觸電勢、管道防腐層電壓2項穩(wěn)態(tài)干擾電壓指標。管道接觸電勢指的是管道鋼質(zhì)本體電位與人所處位置地表電位差，表征的是人接觸管道金屬部分（如測試樁接線柱）時人體所受的安全威脅。管道防腐層電壓指的是管道防腐層內(nèi)外側(cè)所受到的電壓差，表征的是管道防腐層所受的電壓威脅。影響輸電線路與埋地金屬管道間電磁感應(yīng)水平的影響因素很多，本文主要討論不同的管道特性參數(shù)以及線路與管道間并行接近參數(shù)，以典型的1 000 kV特高壓交流輸電線路為例，分析了各種因素對管道所受的穩(wěn)態(tài)干擾水平的影響規(guī)律。

1 管道的特性參數(shù)和評估所用典型輸電線路計算條件

管道自身的特性參數(shù)如圖2和表1所示[6-9]。本文根據(jù)國內(nèi)常用的輸油輸氣管道的特性參數(shù)，分別計算典型管道外徑×壁厚、管道埋深、防腐層絕緣電阻率、管道連接情況、土壤電阻率等因素對穩(wěn)態(tài)干擾電壓的影響規(guī)律。

圖2 管道部分特性參數(shù)示意圖

表1 石油長輸管道典型參數(shù)

本文以圖3所示的典型1 000 kV特高壓單回交流輸電線路為例進行規(guī)律研究，由于其電磁影響的本質(zhì)相同，因此所得規(guī)律可以作為其他電壓等級下高壓輸電線路對金屬油氣管道影響規(guī)律的參考。特高壓輸電線路的正常運行電流取2.5 kA，假設(shè)與管道并行長度1 km，間距50 m，土壤電阻率取100 Ω·m。

圖3 計算所用特高壓單回路典型塔型

管道并行段外連接情況分為2種[6]：連接情況A，與輸電線路并行段管道末端轉(zhuǎn)直角，管道繼續(xù)行進至2端較遠處。此情況代表的是管道在與輸電線路并行段前、后均不受輸電線路影響，實際情況往往是如此，如圖4；連接情況B，與輸電線路并行段管道2端處與絕緣法蘭（或絕緣接頭）連接，如圖5。

圖4 管道連接情況A

圖5 管道連接情況B

2 交流干擾計算方法

輸電線路對管道交流穩(wěn)態(tài)干擾的計算電路圖[3-4]如圖6。

其中埋地管道特性參數(shù)Z′、Y′具體求解參見參考文獻[3]，據(jù)傳輸線理論列寫電壓、電流回路方程如下[10-14]：

圖6 交流穩(wěn)態(tài)干擾的計算電路圖

式中，E為交流輸電線路在管道基本微元段感性耦合產(chǎn)生的縱向電動勢，I為管道基本微元段感性耦合產(chǎn)生的電流，聯(lián)立上述2方程得

考慮到理想并行狀況下，交流輸電線路與埋地金屬管道在并行段2者均保持物理特性不變，因此輸電線路對管道產(chǎn)生的E可看作不變，即E為常數(shù)，又由式（3）有

解此方程得

對于A、B，可根據(jù)管道并行段終端邊界條件，有

式中，U0、I0分別為管道并行段起始端電壓、電流；UL、IL為并行段末端電壓、電流，Z1、Z2分別為起始端、末端的接地阻抗。

3 管道外徑×壁厚對管道所受穩(wěn)態(tài)交流干擾的影響

管道防腐層電阻率取1 kΩ·m2，埋深取2 m，管道連接情況為B連接方式。不同管道外徑時的計算結(jié)果見表2，不同管道壁厚時的計算結(jié)果見表3。圖7、圖8分別給出了Φ1 016 mm×14.6 mm的管道防腐層電壓與管道接觸電勢沿管道的分布情況。

其他條件相同時，管道外徑越大，最大防腐層電壓及接觸電勢緩慢減小；管徑從Φ813 mm至Φ1 420 mm，兩者電壓減小不到5 V，影響不明顯。其他條件相同，壁厚對最大防腐層電壓與管道接觸電勢幾乎無影響?？偟膩碚f，埋深一定的不同管徑與壁厚的管道其上所受的穩(wěn)態(tài)交流干擾情況相差不大。

表2 不同管道外徑的影響

表3 不同管道壁厚的影響

圖7 Φ1 016 mm×14.6 mm管道防腐層電壓沿管道的分布

圖8 Φ1 016 mm×14.6 mm管道接觸電勢沿管道的分布

4 管道埋深對管道所受穩(wěn)態(tài)交流干擾的影響

管道外徑×壁厚取為Φ508 mm×7.1 mm，管道連接情況取B連接方式，管道防腐層電阻率取1 kΩ·m2，計算管道埋深從1～10 m變化時，管道防腐層電壓與管道接觸電勢的變化規(guī)律。計算結(jié)果如表4。

表4 不同埋深的影響

埋深增加，最大管道防腐層電壓及管道接觸電勢減小，這顯然是由于管道距離干擾源（輸電線路）更遠的原因造成的；埋深加大9 m，但電壓減小不到5.5 V，總的來說，管道的埋深對穩(wěn)態(tài)干擾的影響不明顯。

5 管道防腐層絕緣電阻率對管道穩(wěn)態(tài)交流干擾的影響

“埋地管道防腐層絕緣電阻”應(yīng)視為單位面積的防腐絕緣層平均（面）電阻，單位為Ω·m2，其數(shù)值的大小基本由防腐絕緣層漏敷、缺陷數(shù)目和大小決定，因此它是衡量防腐層質(zhì)量好壞的尺度。因為指的是單位面積，所以又稱“埋地管道防腐層絕緣電阻率”。

根據(jù)相關(guān)文獻資料，尤其是實測數(shù)據(jù)，選取對防腐層絕緣電阻率分別為100 kΩ·m2、10 kΩ·m2、5 kΩ·m2、3 kΩ·m2、1 kΩ·m2、0.1 kΩ·m26種級別的絕緣狀況進行計算，可以涵蓋目前防腐層的主要狀況。

管道類型選擇Φ508 mm×7.1 mm及Φ1 016 mm×14.6 mm 2種，埋深2 m，防腐層厚度0.003 mm，管道連接情況取表2所描述的B連接方式。計算管道防腐層絕緣電阻率處于100 kΩ·m2至0.1 kΩ·m2的6種級別時，管道防腐層電壓與管道接觸電勢的變化規(guī)律。計算結(jié)果如表5、表6。

結(jié)果表明：其他條件相同時，防腐層絕緣電阻對其上交流干擾電壓影響較大，絕緣電阻越小，防腐層電壓、管道接觸電勢越小。從理論分析看來，防腐層絕緣電阻越大，防腐層內(nèi)外電壓差越大，因而防腐層電壓、管道接觸電勢越大。

表5 Φ508 mm×7.1 mm，不同防腐層電阻率的影響

表6 Φ1 016 mm×14.6 mm，不同防腐層電阻率的影響

3層PE結(jié)構(gòu)的防腐層電阻普遍大于石油瀝青防腐層，因而其交流干擾電壓大于后者，但其泄漏電流卻因為高電阻值而小于后者，這對于管道防腐蝕是有利的。

6 管道連接情況對管道穩(wěn)態(tài)交流干擾的影響

由式（7）不難發(fā)現(xiàn)，連接情況直接決定了Z1、Z2，其對管道所受穩(wěn)態(tài)干擾有一定影響，因此本文針對圖4、5兩種管道連接的典型情況予以考慮?？紤]幾種不同并行長度，間距50 m。管道參數(shù)如表7，選管道Φ1 016 mm×14.6 mm及2 m埋深，防腐層電阻率取10 kΩ·m2。

表7 2種管道連接情況的影響

在連接A、B情況下，管道并行段所受干擾的變化規(guī)律相似，最大干擾都出現(xiàn)在并行段2端，管道中間干擾為0。但是對管道連接情況B而言，即在并行段兩端有絕緣法蘭（絕緣接頭）時，最大防腐層電壓、管道接觸電勢大于連接情況A，而且相差較大。

7 結(jié)論

1）其他條件相同時，管道外徑增大、埋深增加，最大防腐層電壓及接觸電勢緩慢減小，壁厚對最大防腐層電壓與管道接觸電勢幾乎無影響?？偟膩砜垂艿劳鈴胶捅诤駥艿浪芊€(wěn)態(tài)干擾電壓的影響不明顯。

2）其他條件相同時，管道的防腐層絕緣電阻對其上交流干擾電壓影響較大，絕緣電阻越小，防腐層電壓、管道接觸電勢越?。?層PE結(jié)構(gòu)的防腐層電阻普遍大于石油瀝青防腐層的防腐層，因而其穩(wěn)態(tài)干擾電壓大于后者，但其泄漏電流卻因為高電阻值而小于后者，這對于管道防腐蝕是有利的。

3） 圖4、5所示A、B 2種管道連接情況下，管道并行段沿線所受干擾的變化規(guī)律相似，最大干擾都出現(xiàn)在并行段兩端，并行段中間干擾為0；管道連接情況B所受穩(wěn)態(tài)干擾電壓較連接情況A嚴重。

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