交流架空輸電線路對(duì)埋地油氣管道的電磁影響研究

謝 濤 王 力 羅正幫 趙 暉 鄭 琪 肖冬萍 張占龍

(1. 國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司， 合肥 230001； 2. 安徽華電工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)有限公司， 合肥 230022；3. 重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400044)

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交流架空輸電線路對(duì)埋地油氣管道的電磁影響研究

謝 濤1王 力2羅正幫2趙 暉2鄭 琪3肖冬萍3張占龍3

(1. 國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司， 合肥 230001； 2. 安徽華電工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)有限公司， 合肥 230022；3. 重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400044)

隨著我國(guó)能源公共通道的發(fā)展，交流架空輸電線路對(duì)鄰近埋地油氣管道的電磁影響日益凸顯，需采取有效措施予以抑制。研究基于麥克斯韋方程組建立Taylor場(chǎng)線耦合模型，計(jì)算了穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下輸電線路在并行油氣管道上所產(chǎn)生的交流電磁干擾；分析了線路塔高、線路與管道水平距離、線路電壓等級(jí)、管線并行長(zhǎng)度、土壤電阻率等因素對(duì)管道感應(yīng)電壓大小的影響。可為輸電工程及石油工程的管線敷設(shè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

輸電線路； 油氣管道； 電磁干擾； 耦合模型； 影響因素

近年來(lái)，電力作為生產(chǎn)生活中的主要能源越來(lái)越受到國(guó)家重視，電力設(shè)施建設(shè)工程項(xiàng)目不斷增加。與此同時(shí)，“西氣東輸”“西電東輸”兩大能源工程也在快速推進(jìn)。鑒于輸電線路與輸油氣管道對(duì)傳輸走廊的擇優(yōu)原則極為相近，出于降低成本、減少占地的考慮，施工中更多地利用了“能源公共通道”，造成了輸電線路與輸油氣管道平行接近或交叉跨越的情況時(shí)有發(fā)生。由于自身的固有物理特性，工頻交流輸電線路會(huì)在其周圍產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，通過(guò)電磁感應(yīng)耦合到鄰近的金屬物體上。油氣管道金屬線型結(jié)構(gòu)，成為良好的電磁能量接收器，因而易受到輸電線路的電磁干擾。在我國(guó)已經(jīng)發(fā)生多起由輸電線路和油氣管道并行引起的管道防護(hù)層受交流電磁影響而破損，加劇管道腐蝕或造成檢修人員觸電的事故[1]。隨著電壓等級(jí)升高、線路密集化程度的加劇，這種電磁影響問(wèn)題和危害越來(lái)越突出[2-3]，已引起了業(yè)界的高度重視，并制定了一系列的限值標(biāo)準(zhǔn)。

此次研究，首先剖析了交流輸電線路對(duì)金屬管道產(chǎn)生電磁影響的機(jī)理；然后針對(duì)輸電線路對(duì)埋地油氣管道的穩(wěn)態(tài)交流耦合，建立了數(shù)學(xué)模型，定量計(jì)算油氣管道上產(chǎn)生的電磁感應(yīng)電壓；進(jìn)而研究了線路與管道水平距離、兩者并行長(zhǎng)度以及輸電線路電壓等級(jí)等因素對(duì)管道所受電磁干擾強(qiáng)度的影響。為今后輸電工程及石油工程的管線敷設(shè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 機(jī)理分析及限值標(biāo)準(zhǔn)

交流輸電線路對(duì)鄰近金屬管道的電磁耦合類型有容性耦合、感性耦合和阻性耦合[4]。

容性耦合也稱為電場(chǎng)耦合，是指交流輸電線路電壓所產(chǎn)生的電場(chǎng)通過(guò)靜電感應(yīng)在管道上感應(yīng)出對(duì)地電位。如果金屬管道埋于地下，由于地表土壤對(duì)電場(chǎng)具有良好的屏蔽作用，可忽略容性耦合的影響。但是在對(duì)管道進(jìn)行施工或維修時(shí)管道可能置于地面，容性耦合會(huì)比較明顯。

感性耦合也稱為磁場(chǎng)耦合，是指交流輸電線路電流在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)通過(guò)電磁感應(yīng)在金屬管道上產(chǎn)生縱向電動(dòng)勢(shì)，并在管道外護(hù)套兩側(cè)產(chǎn)生電位差。感性耦合是加劇金屬管道涂層交流腐蝕的主要原因。

阻性耦合主要是指線路故障電流或者雷擊電流在阻性土壤中擴(kuò)展，引起地電位升高并導(dǎo)致土壤中的金屬管道電位不均勻升高，金屬管道局部可能產(chǎn)生瞬態(tài)高電壓。

交流輸電線路對(duì)鄰近油氣管道的電磁影響主要涉及3個(gè)方面：對(duì)金屬管道的交流腐蝕、對(duì)管道陰極保護(hù)設(shè)備安全的影響和對(duì)人身安全的影響。

為此，國(guó)內(nèi)外各電力行業(yè)和石油天然氣行業(yè)制定了各種限值標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)涉及輸電線路的油氣管道進(jìn)行保護(hù)。此次研究主要分析交流輸電線路對(duì)鄰近油氣管道的交流腐蝕影響和對(duì)人身安全的影響，建立穩(wěn)態(tài)耦合模型。表1所示為本次研究用作參考的限值標(biāo)準(zhǔn)。

2 穩(wěn)態(tài)電磁耦合計(jì)算模型

本次研究的核心問(wèn)題在于建立架空輸電線路電磁場(chǎng)與處于電磁場(chǎng)中的金屬管道導(dǎo)體的耦合模型。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，這里采用基于Maxwell方程推導(dǎo)出的場(chǎng)線耦合模型 —— Taylor模型[5-6]。Taylor模型的等效電路如圖1所示，設(shè)管道軸向?yàn)閤方向，總長(zhǎng)度為L(zhǎng)。

圖1 Taylor模型的等效電路圖

Toylor模型電報(bào)方程為：

(1)

式中：U(x)、I(x)分別為管道距離始端x處的感應(yīng)電壓(V)、感應(yīng)電流(A)；Z為管道單位長(zhǎng)度阻抗，Ω/m；Y為管道單位長(zhǎng)度導(dǎo)納，S/m。

管道上分布的電壓源US、電流源IS可以由管道微元所處位置的電磁場(chǎng)求出，其中Hy、Ez分量的計(jì)算參見(jiàn)文獻(xiàn)[7-8]。

(2)

式中：μt為土壤磁導(dǎo)率，H/m；D為管道埋深，m；ω為交流電角頻率，rad/s；Hy為輸電線路所產(chǎn)生的y方向磁場(chǎng)分量，A/m；Ez為z方向上的電場(chǎng)分量，V/m；d為線路與管道之間的距離。

管道阻抗導(dǎo)納參數(shù)的計(jì)算在求解過(guò)程中尤為重要，采用蘇聯(lián)米哈伊洛夫提出的管道電氣參數(shù)公式，管道分布電阻R、分布感抗ωL、分布電導(dǎo)G、分布容納ωC的計(jì)算公式分別為：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：ρs—— 管道鋼材電阻率，Ω·m；

μ—— 管道鋼材相對(duì)磁導(dǎo)率，H/m；

μ0—— 真空磁導(dǎo)率，H/m；

f—— 交流電頻率，Hz；

δ—— 管道防護(hù)層絕緣厚度，mm；

ε—— 防護(hù)層絕緣材料相對(duì)介電常數(shù)；

ε0—— 空氣介電常數(shù)，F(xiàn)/m；

Dp—— 管道直徑，m；

rm—— 管道防護(hù)層單位面積上的電阻值，簡(jiǎn)稱防護(hù)層電阻率，Ω·m。

3 算例分析

建立的計(jì)算模型參數(shù)如下：線路選取電壓等級(jí)500 kV水平排列塔型，塔高33.5 m，三相線路間距為24.2 m，導(dǎo)線型號(hào)LGJ-300/25，桿塔結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2；管道鋼材電阻率為4×10-8Ω/m，管道相對(duì)磁導(dǎo)率為636 H/m，防護(hù)層材料為3層PE，防護(hù)層厚度 3 mm，管道外半徑0.505 m，內(nèi)半徑0.485 m，埋深 2 m；管道與輸電線路并行距離為20 km，土壤視為單層均勻土壤，電阻率為100 Ω·m。

通過(guò)計(jì)算得到管道感應(yīng)電壓隨管道與線路中心距離變化的情況(見(jiàn)圖3)。管道上的感應(yīng)電壓值隨著管道與線路之間的水平距離變化明顯。由于水平排列時(shí)線路在空間所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)成馬鞍形分布，最大值出現(xiàn)在兩邊相對(duì)應(yīng)位置處，因而如果將管道埋設(shè)在輸電線邊相下方，其感應(yīng)電壓也達(dá)到最大值。隨著管道與線路之間距離的增加，管道上的感應(yīng)電壓迅速衰減。

圖2 桿塔結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 管道感應(yīng)電壓隨管道與線路水平距離變化趨勢(shì)圖

4 影響因素分析

管道上的感應(yīng)電壓受到很多因素的影響。線路周圍電磁場(chǎng)的分布對(duì)輸電線路的負(fù)荷、架空線路桿塔結(jié)構(gòu)以及線路與管道相對(duì)位置十分敏感，因此，管道感應(yīng)電壓的大小也與這幾方面的因素密切相關(guān)。

4.1 架空線路塔高對(duì)管道感應(yīng)電壓的影響

圖4為塔高對(duì)管道感應(yīng)電壓的影響，隨著導(dǎo)線高度的增加，管道最大感應(yīng)電壓急劇減小，因此適當(dāng)增加輸電線路桿塔高度可以有效防止管道交流電磁干擾造成的損害。

圖4 塔高對(duì)管道最大感應(yīng)電壓的影響

圖5為電壓等級(jí)對(duì)感應(yīng)電壓影響示意圖。管道上的感應(yīng)電壓隨著輸電線路電壓等級(jí)的增大而增大，線路電壓等級(jí)越高其載流量越大，因而對(duì)管道的電磁干擾越強(qiáng)。

圖5 電壓等級(jí)對(duì)管道感應(yīng)電壓的影響

土壤電阻率對(duì)管道感應(yīng)電壓的影響見(jiàn)圖6。管道上的感應(yīng)電壓隨著管道與線路周圍土壤電阻率的增大而減小。在土壤電阻率小于100 Ω·m時(shí)，土壤電阻率對(duì)管道感應(yīng)電壓的影響尤其明顯；在土壤電阻率大于 300 Ω·m以后，土壤電阻率對(duì)管道感應(yīng)電壓的影響減弱。因此，在土壤電阻率比較小的地區(qū)敷設(shè)管道時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大埋深或提高其附近輸電線路桿塔高度等措施，來(lái)減小輸電線路對(duì)管道的影響。

圖6 土壤電阻率對(duì)管道感應(yīng)電壓的影響

輸電線路與管道并行長(zhǎng)度對(duì)管道感應(yīng)電壓的影響如圖7所示。隨著管道與輸電線路并行長(zhǎng)度的增加，管道感應(yīng)電壓呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但是增長(zhǎng)速度先快后慢，在并行長(zhǎng)度5 km以后達(dá)到飽和，管道感應(yīng)電壓基本不再隨著并行長(zhǎng)度的增加而增大。飽和并行長(zhǎng)度與輸電線路電壓等級(jí)、結(jié)構(gòu)以及管道參數(shù)等有關(guān)。

圖7 并行長(zhǎng)度對(duì)管道感應(yīng)電壓的影響

5 結(jié) 語(yǔ)

(1) 交流架空輸電線路會(huì)在鄰近埋地油氣管道上產(chǎn)生電磁耦合，感應(yīng)電壓、電流的大小可采用Taylor模型進(jìn)行計(jì)算。

(2) 輸電線路對(duì)埋地油氣管道的電磁影響受線路與管道間的水平距離、桿塔結(jié)構(gòu)、桿塔高度、電壓等級(jí)、土壤電阻率、管線并行長(zhǎng)度等因素的影響。

(3) 從優(yōu)化管線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，增加線路與管道間的水平距離及線路高度，可有效降低線路對(duì)油氣管道的電磁影響。

[1] 中國(guó)電力科學(xué)研究院.1000kV特高壓交流同塔雙線路對(duì)金屬管線影響及防護(hù)的研究[R]. 北京: 中國(guó)電力科學(xué)研究院，2009：10-15.

[2] 唐劍.電力線路對(duì)鄰近并行埋地金屬管道電磁干擾影響的研究[D]. 保定: 華北電力大學(xué)，2004: 2-3.

[3] 王愛(ài)玲. 750kV高壓交流輸電線路對(duì)埋地管道的干擾規(guī)律研究[D]. 青島:中國(guó)石油大學(xué)(華東)，2013: 2-3, 7-8.

[4] 董根生，蔣劍，相生榮，等. 750kV交流線路對(duì)多條油氣管道的電磁影響研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(2): 47-50.

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[7] 邵方殷．我國(guó)特高壓輸電線路的相導(dǎo)線布置和工頻電磁環(huán)境[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(8)：1-7.

Research of Electromagnetic Interference on the Burned Oil Pipeline Around the AC Overhead Transmission Lines

XIETao1WANGLi2LUOZhengbang2ZHAOHui2ZHENGQi3XIAODongping3ZHANGZhanlong3

(1.Anhui Electric Power Company of State Grid, Hefei 230001, China;2.Anhui Huadian Engineering Consultation and Design Company, Hefei 230022, China;3.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment and System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Along with the development of energy public channels in our country, the electromagnetic interference generated by the AC overhead transmission lines becomes a growing matter of concern, so some measures must be taken to prevent it. In this paper, the field-line coupling Taylor model based on the Maxwell′s equations is used for the calculation and research of the electromagnetic interference on paralleled oil pipelines when the transmission lines running stably. In addition, the paper focuses on the influence factors such as the height of tower, the horizontal distance between the overhead lines and the pipelines, the voltage level of the transmission lines, the parallel length and the soil resistivity. The results of the study can provide advice for the construction projects of the power transmission lines and the petroleum pipelines.

transmission line; petroleum pipeline; electro-magnetic interference; coupling model; influencing factor

2016-12-20

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目“電力電纜接頭狀態(tài)非接觸式檢測(cè)原理及方法研究”(CDJXY150008)

謝濤(1970 — )，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。

TM154

A

1673-1980(2017)03-0116-04