交流輸電線路單相接地故障下油氣管道交流干擾的緩解

楊 光

(中石化勝利油田 海洋采油廠海底管道管理中心,東營 257237)

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交流輸電線路單相接地故障下油氣管道交流干擾的緩解

楊 光

(中石化勝利油田 海洋采油廠海底管道管理中心,東營 257237)

摘要：交流輸電線路發(fā)生單相接地故障時會對“公共走廊”內(nèi)的油氣管道產(chǎn)生嚴重的交流干擾，危害人身安全、管道涂層及管道相關(guān)設(shè)備。因此，有效的緩解技術(shù)對于減小油氣管道的交流干擾，保證人身安全和管道完整性具有重要的意義。以東營某油氣管道為模型，對交流輸電線路單相接地故障下油氣管道交流干擾進行了系統(tǒng)的分析，提出了故障點處阻性耦合交流干擾的最佳緩解線長度計算公式；阻性耦合交流干擾的可緩解范圍以及在可緩解范圍內(nèi)其他區(qū)域?qū)嵤┚徑鈺r為達到與故障點處緩解相似的緩解效果所需緩解線長度的估算公式；提出綜合緩解感性和阻性耦合交流干擾時應充分考慮兩者之間的相位差。

關(guān)鍵詞：單相接地故障；交流干擾；阻性耦合；感性耦合；緩解

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，我國電力事業(yè)、鐵路交通及能源運輸業(yè)不斷邁向新的臺階，但受地域條件及實際工程設(shè)計需要等因素的限制，油氣管道與高壓交流輸電線路或高速鐵路出現(xiàn)“公共走廊”的頻率越來越高，導致的交流干擾也越來越嚴重[1-6]，特別是“公共走廊”內(nèi)交流輸電線路發(fā)生接地故障時(其中單相接地故障占70%[7])，故障電流會比正常相線電流大很多倍，從而產(chǎn)生一個強電磁場，對位于該電磁場作用范圍內(nèi)的管道產(chǎn)生很強的交流干擾。交流干擾會對人身安全、涂層安全和管道及其設(shè)備安全(絕緣法蘭、陰極保護設(shè)備等)產(chǎn)生危害，同時還會增大油氣管道的交流腐蝕風險，造成腐蝕穿孔[8-10]。有效的緩解措施可顯著降低埋地油氣管道的交流干擾程度，具有重要的實際和安全意義。圍繞輸電線路單相接地故障下埋地管道交流干擾緩解問題，國內(nèi)外學者已經(jīng)展開了部分研究，但由于故障情況下交流干擾由感性耦合和阻性耦合綜合作用引起，情況復雜，至今為止仍存在一定的認知空白，例如：阻性耦合交流電壓的最佳緩解線長度，可緩解的范圍，如何在不同的緩解位置處得到相似的緩解效果，如何對阻性耦合和感性耦合進行綜合緩解等。本工作以東營市某油氣管道為模型，利用電磁干擾數(shù)值模擬軟件SES CDEGS對以上存在的問題進行了系統(tǒng)的研究，為業(yè)內(nèi)人士的進一步研究提供一定的參考。

1干擾“公共走廊”簡介

某油氣管線位于東營市，管道全長7 043 m，直徑為508 mm，埋深1.5 m，采用3PE涂層，管道全線與220 kV 1號線、110 kV 1號線、220 kV 2號線和220 kV 3號線并行或接近，其中220 kV 1號線、110 kV 1號線屬于同一同塔雙回路體系，220 kV 2號線與220 kV 3號線屬于另一同塔雙回路體系，走廊布置圖及故障點位置、高壓輸電線桿塔結(jié)構(gòu)示意圖見圖1和圖2，故障桿塔接地系統(tǒng)與管道的距離為9 m，管道與輸電線路桿塔的相關(guān)參數(shù)見表1。

圖1　“公共走廊”示意圖Fig. 1　Schematic diagram of common corridor

圖2　輸電桿塔結(jié)構(gòu)圖Fig. 2　Structure of power tower

2單相接地故障時安全電壓限值

單相接地故障時產(chǎn)生的交流干擾危害主要包括三個方面：危害人身安全、擊穿涂層及融化管壁。

表1　管道和輸電線路系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)以上三個方面危害安全限值的相關(guān)標準，確定本工作所采用的安全限值。

目前國內(nèi)外人身安全標準主要有：IEEE Std 80、IEC 479-1、國內(nèi)電力行業(yè)標準DL/T 6211《交流電氣裝置的接地》[11-12]。IEEE Std 80、IEC 479-1在世界范圍內(nèi)被廣泛認可，相對而言，IEEE Std 80更加簡便，適用范圍更廣，并提供了接地系統(tǒng)安全評價程序。

輸電線路發(fā)生單相接地故障時，入地的強電流會在管道涂層兩端產(chǎn)生很大的電壓降，若此電壓降超過絕緣涂層的安全耐受電壓時，則會擊穿涂層，影響陰保系統(tǒng)正常運行，增大埋地管道的腐蝕風險。當管道涂層的絕緣強度較低且故障電流的頻率較高時，2 500 V的干擾電壓足以破壞管道涂層[13]。瀝青涂層、PE和FBE涂層的安全耐受電壓范圍分別為1 000～2 000 V，3 000～5 000 V[13]。

本工作中人身安全采用IEEE Std 80標準，電阻率為80 Ω·m的土壤對應的安全接觸電壓和跨步電位分別為412.6 V和549.9 V，100 000 Ω·m2面電阻率涂層的安全耐受電壓為10 000 V。

3單相接地故障時交流干擾緩解

單相接地故障情況下，交流干擾計算結(jié)果見圖3(a)?？芍佑|電壓和涂層耐受電壓均遠小于其安全限值，接觸電壓在公共走廊兩端和故障點處取極值，在故障點處取得最大值，為1 154.4 V。故障情況下，接觸電壓=管道地表電位-阻性耦合產(chǎn)生的金屬GPR(地電位升)-感性耦合產(chǎn)生的金屬

(a)　總干擾

(b)　地表電位、感性耦合GPR和阻性耦合GPR圖3　交流干擾數(shù)值模擬結(jié)果Fig. 3　Numerical simulation results of AC interference: (a) total AC interference; (b) earth potential, pipeline GPR caused by conductive coupling and inductive coupling

GPR。為了更好地了解和分析故障情況下的緩解規(guī)律，分別計算了以上三種電位，結(jié)果見圖3(b)。可知，故障情況下該管線交流干擾以感性耦合為主，GPR在走廊兩端取極值，最大感性金屬GPR為973 V;地表電位在故障點處最大,約為496.6 V;阻性耦合引起的金屬GPR近似為一定值，約為43.43 V?，F(xiàn)分別對阻性耦合、感性耦合和阻性+感性耦合進行緩解分析，以接觸電壓為緩解指標，采用緩解線中點連接的緩解方式。

3.1阻性耦合緩解分析

阻性耦合的緩解分析以管道地表電位和阻性金屬GPR為研究對象。故障電流通過桿塔接地裝置進入大地，在接地系統(tǒng)附近產(chǎn)生同心圓形電勢場，距離故障點(桿塔接地極)r處的地表電位Er可根據(jù)式(1)計算。由于管道外敷有一層防腐蝕層，故障電流流經(jīng)防腐蝕層時會產(chǎn)生電壓降，所以管道GPR小于管道表面地電位，可根據(jù)式(2)進行估算。

(1)

式中：ρ是土壤電阻率，Ω·m；If為故障電流，A；r為桿塔接地極與管道的距離，m。

(2)

式中：Ep為管道GPR，V；ZG為管道接地阻抗，Ω；Z0為管道特性阻抗，Ω；RC為涂層阻抗，Ω。

對于該公共走廊而言，無緩解線時故障點處的入地故障電流為344.64 A，管道與故障桿塔之間的距離為9 m，根據(jù)以上公式估算故障點處管道地表電位和管道GPR分別為496.6 V和36.07 V，與計算機模擬結(jié)果496.6 V和43.43 V接近，由于全線管道GPR基本保持不變，可根據(jù)故障點處的金屬GPR來大致衡量管道全線的GPR。

發(fā)生單相接地故障時，高電阻涂層以及涂層漏點的存在，使得管道與地表之間存在很大的電壓降，施加緩解線后，緩解線的存在使得電流進入管道的阻抗減小，通過大地回路的故障電流減小，流經(jīng)管道和緩解線的故障電流增大，從而降低了管道表面地電位而升高了管道電位，有效降低了接觸電壓。如果一再地增大緩解線的長度，流經(jīng)管道和緩解線的電流固然會增大，但緩解線回路電阻和管道回路電阻的比值也會一直減小，當緩解線回路的電阻小于管道回路的電阻時，更多的電流會通過緩解線重新回到大地回路，導致管道地表電位的減小幅度和管道GPR的增大幅度減小，接觸電壓呈現(xiàn)重新增大的趨勢，所以對于阻性耦合而言，緩解線的長度應存在理論上最佳值，可根據(jù)式(3)進行估算。

(3)

式中：L為緩解線的長度，m；r為管道與故障桿塔接地極之間的距離，m；t為管道埋深，m；Dm為緩解線的直徑，m；Dp為管道直徑，m。

對于本工作中研究的公共走廊參數(shù)，得到阻性耦合的最佳緩解線長度為33.8 m。

由圖4可知，當緩解線長度小于33 m時，故障點處接觸電壓隨緩解線長度增大而減小，當緩解線長度大于33 m時，隨著緩解線長度的增大接觸電壓反而上升，最佳緩解線長度約為33 m，與前述分析結(jié)果相似。

圖4　鋪設(shè)不同長度緩解線時阻性耦合引起的接觸電壓數(shù)值模擬結(jié)果Fig. 4　Numerical simulation results of conductive touch voltage with various lengths of mitigation wires

為了取得良好的緩解效果，除了緩解線的長度，緩解線的安裝位置也至關(guān)重要。根據(jù)圖3中管道地表電位曲線及式(2)可知，若在離故障點較遠的地方布置緩解線，管道GPR增幅及地表電位降幅都會比較小，從而無法有效抑制接觸電壓。對于桿塔入地故障電流而言，其影響范圍約為2r(r表示桿塔接地系統(tǒng)與埋地管道的距離)，初步判斷故障點的有效緩解距離為r，數(shù)值模擬計算結(jié)果見圖5所示?？芍?，緩解線的有效緩解距離約為12 m，與r=9 m相當，因此在實際工程中可近似的根據(jù)r來確定有效緩解距離。

圖5　緩解線鋪設(shè)位置與故障點距離不同時阻性耦合引起的接觸電壓數(shù)值模擬結(jié)果Fig. 5　Numerical simulation results of conductive touch voltage in different distances between installation positions and fault-sites

阻性耦合最佳的緩解位置位于故障點處，在有效緩解范圍內(nèi)其他位置實施緩解時，若想得到與故障點處布置緩解線相近的緩解效果，需要增加緩解線的長度。所需緩解線的長度可根據(jù)下式估算。

(4)

(5)

式中：Er,f為故障桿塔處的地表電位，V；Er,x為故障點附近的地表電位，V；ZG為管道的接地電阻，Ω；RC為涂層電阻，Ω；Rm,f為故障點處鋪設(shè)的緩解線的接地電阻，Ω;Rm,x為故障點附近其他位置鋪設(shè)的緩解線的接地電阻，Ω；Rm為緩解線的接地電阻，Ω；ρ為土壤電阻率，Ω·m；L為緩解線的長度，m；t為緩解線的埋深，m；Dm為緩解線的直徑，m。

以距離故障點4 m處布置緩解線為例，為達到與故障點處安裝5 m緩解線近似的緩解效果，根據(jù)式(4)和(5)計算得到所需緩解線的長度為6.3 m。由圖6可知，離故障點4 m處布置6.3 m緩解線時緩解效果與故障點處布置5 m緩解線的緩解效果相近。需要注意的是，若計算得到的緩解線長度大于最佳緩解線長度時，為保證最佳的緩解效果，應取最佳緩解線長度。

圖6　在故障點和其附近其他位置處鋪設(shè)不同長度緩解線時阻性耦合接觸電壓數(shù)值模擬結(jié)果Fig. 6　Numerical simulation results of conductive touch voltage with various mitigation wire lengths at fault-site and near installation location

3.2感性耦合緩解分析

由圖3可知，感性耦合管道GPR在走廊兩端取極值，根據(jù)極值處緩解的原則，在走廊兩端施加緩解線，緩解線的長度可跟據(jù)式(6)初定，對于感性耦合而言，緩解效果主要依賴于緩解線的接地電阻[14]，但緩解線也存在長度極值，當緩解線的長度大于此極值時，增加緩解線的長度不再降低接地電阻，進而無法有效降低管道GPR，此長度極值可根據(jù)式(7)確定。

(6)

(7)

式中：vmit為緩解后管道交流干擾電壓的期望值，V；vo為緩解前管道交流干擾電壓，V；Z為管道的特性阻抗，Ω；R為緩解地床的接地電阻，Ω；Lm為緩解線的最大有效長度，m；ρ為土壤電阻率，Ω·m。

需要注意的是，式(6)只是單點確定法，緩解線可能會使管道其他位置的GPR發(fā)生變化，所以在確定緩解方案時，應首先根據(jù)單點法確定所需緩解線的長度，再利用數(shù)值模擬軟件進行修正和調(diào)整。根據(jù)實際情況和最終緩解目標確定的緩解方案如下:80 m(遠離故障點的走廊終端)+270 m(5 428 m管道長度處)+190 m(走廊另一終端)，計算結(jié)果見圖7。

圖7　管道感性耦合交流干擾電壓數(shù)值模擬結(jié)果Fig. 7　Numerical simulation results of inductive GPR of pipeline

3.3阻性、感性耦合綜合緩解分析

單相接地故障情況下，埋地管道交流干擾存在阻性耦合和感性耦合雙重作用，在實施緩解時應充分考慮兩者之間的相位差。當兩者的相位差為銳角時，減小感性耦合的同時增大阻性耦合可明顯降低管道總的干擾電壓;而當兩者之間的相位差為鈍角時，則應同時減小感性耦合和阻性耦合。本工作中，管道起點至4 470 m管道長度范圍內(nèi)，阻性耦合與感性耦合的相位差絕大部分位于5.74°～89.7°，即以銳角為主；4 470 m管道長度處至管道終點范圍內(nèi)，相位差絕大部分位于90.88°～178°范圍內(nèi)，即以鈍角為主。

根據(jù)3.1中內(nèi)容可知，在故障位置處布置最佳緩解線長度33 m時，管道起點至4 470 m管道長度范圍內(nèi)，阻性接觸電壓最高；4 470 m管道長度處至管道終點范圍內(nèi)，由于存在故障點，且故障點處阻性接觸電壓值最大，所以在緩解時應重點考慮故障點附近區(qū)域，兼顧其他區(qū)域，采用33 m緩解線長度時，故障點附近接觸電壓最低，綜合緩解效果最好。

根據(jù)阻性耦合緩解效果，為了使總體緩解效果低于標準值412.6 V，分別使管道起點至4 470 m管道長度、4 470 m管道長度處至管道終點范圍內(nèi)感性耦合管道GPR不高于663.6 V和187.2 V，可采用3.2中推薦的緩解方式。

綜合以上內(nèi)容，對于單相接地故障情況下埋地管道交流干擾采用緩解方案為：80 m(遠離故障點的走廊終端)+40 m(550 m管道長度處)+270 m(5 428 m管道長度處)+33 m(故障點處)+190 m(走廊另一終端)，計算結(jié)果見圖8。由圖8可知，緩解后，管道全線接觸電壓均小于標準值，緩解效果良好。

圖8　接觸電壓數(shù)值模擬結(jié)果Fig. 8　Numerical simulation results of touch voltage

4結(jié)論

(1) 交流輸電線路單相接地故障情況下，故障點處埋地管道阻性耦合交流干擾的最佳緩解線長度為33 m。

(2) 交流輸電線路單相接地故障情況下，埋地管道阻性耦合交流干擾存在一定的可緩解范圍，可根據(jù)故障桿塔接地系統(tǒng)與埋地管道的距離大致確定，本工作中阻性耦合交流干擾可緩解范圍為12 m，若在該可緩解范圍內(nèi)其他位置布置緩解線，為達到與故障點處布置近似的緩解效果，需增加緩解線的長度，所需緩解線的長度可根據(jù)式(4)～(5)估算。

(3) 對交流輸電線路單相接地故障情況下埋地管道感性和阻性耦合交流干擾進行綜合緩解時，應充分考慮兩者之間的相位差。若兩者之間的相位差為銳角，建議采取減小感性耦合增大阻性耦合的緩解方針;若兩者之間的相位差為鈍角，則建議同時減小兩種耦合交流干擾電壓。在實施綜合緩解時，若感性耦合緩解線的位置未處于阻性耦合可緩解范圍內(nèi)，則應在阻性耦合有效緩解范圍內(nèi)增加緩解線，最佳緩解線長根據(jù)式(3)計算得到。

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Mitigation of AC Interference on Oil and Gas Pipelines Due to Single-phase Earth Fault in AC Transmission Line

YANG Guang

(Submarine Pipeline Management Center, Marine Oil Production Plant, Shengli Oil Field, Sinopec, Dongying 257237, China)

Abstract：AC interference on oil and gas pipelines near AC transmission line because of the single-phase earth fault of AC transmission line will threaten the personnel safety, the coating on pipelines and relevant facilities. Hence, effective mitigation techniques are required to reduce the risk of AC interference to the levels that are safe for the personnel and integrity of pipelines. Based on a practical common corridor in Dongying, China, AC interference on buried pipelines under the single-phase earth fault condition was analyzed systematically; the formulas for optimum length and mitigation area of mitigation wire for AC interference at fault site due to conductive coupling were presented. The formulas for required length of mitigation wire installed in other sites within the mitigation area were presented in order to ensure a similar mitigation effectiveness as the mitigation wire installed at the fault site. Moreover, the mitigation methodology considering phase difference between conductive coupled and inductive coupled AC voltages on buried pipelines was presented.

Key words：single-phase earth fault; AC interference; conductive coupling; inductive coupling; mitigation

中圖分類號：TG172.82

文獻標志碼：A

文章編號：1005-748X(2016)02-0165-06

通信作者：楊 光(1982-),工程師,本科,從事油氣工程的相關(guān)研究,18906472709,yanggjxlcp@163.com

收稿日期：2015-11-11

DOI:10.11973/fsyfh-201602017