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)
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。
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
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。
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
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。
“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。
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。
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。
[1]楊澤明,肖勇,樊靈孟,等.南方電網(wǎng)500 kV交流輸電線路防雷策略及外絕緣合理配置方案研究[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2009,3(6):69-72.
[2]衣立東,孫強,黃宗君.750 kV緊湊型交流輸電關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(7):8-14.
[3]貝克曼W V,施文克W,普林茲W,等譯.《陰極保護手冊—電化學(xué)保護的理論與實踐》[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.
[4]尹可華,熊祥健,張達昌.工頻電磁場對地下石油天然氣管道的干擾[J].成都科技大學(xué)學(xué)報,1979(1):150-161.
[5]SY/T 0032—2000埋地鋼質(zhì)管道交流排流保護技術(shù)標準[S].
[6]SY/T0087—1995鋼質(zhì)管道及儲罐腐蝕與防護調(diào)查方法[S].
[7]SY 0007—1999鋼質(zhì)儲罐及儲罐腐蝕控制工程設(shè)計規(guī)范[S].
[8]龔樹鳴.長輸天然氣管道外防腐涂層選擇[J].天然氣與石油.2001,19(1):24-31.
[9]董旭,胡士信.西氣東輸工程及其管道防腐蝕概況[J].材料保護.2001,34(12):1-2.
[10]高攸綱.電力線對地中管線的影響[J].中國電機工程學(xué)報,1985,5(1):40-46.
[11]Dawalibi F.Electromagnetic Field Generated by Overhead and Buried Short Conductor[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1986,13(4):105-111.
[12]崔鼎新.在電力線電磁影響下管線上對地電壓和電流分布[J].電網(wǎng)技術(shù),1977(1):89-96.
[13]馮慈璋.電磁場[M].2版.北京:高等教育出版社,2000.
[14]高攸綱,杜麗冰.強電線對地下金屬管線的電磁耦合影響及防護技術(shù)[J].鐵道學(xué)報,1989,10(2):18-23.