高壓輸電線路對管道穩(wěn)態(tài)電磁干擾的仿真研究

祝 賀，胡藝陽

(東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林132012)

?

高壓輸電線路對管道穩(wěn)態(tài)電磁干擾的仿真研究

祝 賀，胡藝陽

(東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林132012)

當(dāng)管道與高壓輸電線路在一個(gè)公共走廊中時(shí)，會(huì)受到電磁場影響，通常稱之為AC電磁干擾。當(dāng)干擾產(chǎn)生的感應(yīng)電壓較高時(shí)，會(huì)威脅到管道操作及維修人員的安全。因此，研究高壓交流輸電線路對鄰近管道的影響，判斷其是否超過限值，提出減小電磁干擾的方法和防護(hù)措施意義重大。該文選取淮南-南京-上海1000 kV特高壓交流輸電工程中，泰州站與蘇州站之間包10段輸電線路與天然氣管道3作為系統(tǒng)模型，采用加拿大SES公司開發(fā)的CDEGS軟件仿真計(jì)算輸電線路正常負(fù)載運(yùn)行下對管道3的穩(wěn)態(tài)干擾值，并對管道3上的感應(yīng)電位分布情況進(jìn)行分析評估。結(jié)論是管道3在進(jìn)戶位置上的對地感應(yīng)電壓高于人體安全電壓限值，需采取沿管道敷設(shè)裸銅帶等防護(hù)措施。

輸電線路；電磁干擾；仿真計(jì)算分析；防護(hù)措施

2014年7月開始實(shí)施的淮南-南京-上海1000千伏交流特高壓輸電工程已近竣工，由于走廊的限制，其線路與輸油輸氣管道存在長距離并行接近和交叉跨越，這將對管道造成電磁干擾，威脅人身和設(shè)備安全[1-2]。隨著經(jīng)濟(jì)增長，電磁干擾問題日益突出，因此開展研究，減小危害意義重大。國外的相關(guān)研究較早，特別是加拿大 SES 公司開發(fā)的CDEGS軟件，開創(chuàng)性地將仿真模擬技術(shù)應(yīng)用到解決電磁干擾的實(shí)際問題上，取得了成效。國內(nèi)的相關(guān)研究起步晚，仿真模擬技術(shù)的應(yīng)用更是缺乏經(jīng)驗(yàn)。該文選取淮南-南京-上海1000KV輸電工程中，泰州與蘇州段部分線路及管道為模型，采用CDEGS[3]軟件仿真計(jì)算線路正常負(fù)載運(yùn)行下管道上的干擾電壓分布，并對管道干擾超限值的結(jié)果進(jìn)行評估，提出合理有效的防護(hù)措施。其結(jié)論可作為管道部門施工時(shí)的參考依據(jù)。

1 電磁干擾的機(jī)理

分析與研究交流輸電線路對輸氣管道的電磁干擾影響，首先需要深入分析其影響機(jī)理，這有助于制定相關(guān)限值、確定實(shí)施防護(hù)措施。交流輸電線路對輸氣管道的電磁干擾影響從機(jī)理上可分為容性耦合影響、阻性耦合影響和感性耦合影響三類[4，5]。

1.1 容性耦合影響

由于輸電線路運(yùn)行時(shí)在周圍空間產(chǎn)生電場，電場通過線路與管道之間的相互電容耦合使管道和大地之間產(chǎn)生電位差，這種影響即為容性耦合。由于輸氣管道埋于地下，地表土壤對電場具有良好的屏蔽作用，同時(shí)，按照行業(yè)規(guī)定，管道在施工和維護(hù)時(shí)必須對管道進(jìn)行分段接地，所以輸電線路正常運(yùn)行時(shí)可忽略容性耦合影響。

1.2 阻性耦合影響

在電力線路發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，大的故障電流經(jīng)過桿塔流入大地使得附近土壤的電位升高，經(jīng)過埋地金屬管道時(shí)，管道上也會(huì)產(chǎn)生一定的電位，即為阻性耦合影響。輸電線路正常負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，電力線路上的三相電流基本對稱，入地電流非常小，因此輸電線路通過阻性耦合在管道上產(chǎn)生的干擾電壓可以忽略不計(jì)。

1.3 感性耦合影響

交流輸電線路正常運(yùn)行時(shí)交變的電流在其周圍空間產(chǎn)生交變的磁場，該磁場同時(shí)存在于空氣和大地中，當(dāng)埋地金屬管道與輸電線路接近時(shí)，交變的磁場通過電磁感應(yīng)在臨近的輸氣管道上感應(yīng)出縱向電動(dòng)勢。管道金屬外壁敷設(shè)的防腐層并非絕緣材料，而是具有一定電導(dǎo)率的物質(zhì)，因此管道與大地之間存在漏電導(dǎo)，縱向電動(dòng)勢作用于管道與大地形成的回路，進(jìn)一步產(chǎn)生縱向電流、泄漏電流，并在管道防腐層兩側(cè)產(chǎn)生電位差，即涂層電壓。這種作用稱為感性耦合影響。感應(yīng)縱電動(dòng)勢和電流的大小，主要由管道與輸電線路的平行長度、輸電線路電流的大小、輸電系統(tǒng)的頻率、管道與輸電線路的接近距離、管道防腐層電阻率、大地電阻率等因素決定。在大多數(shù)三相交流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，三相導(dǎo)線與管道是不對稱的，電感耦合的影響很明顯。由上分析可知，交流輸電線路正常運(yùn)行對輸氣管道的影響主要是感性耦合影響。

圖1 管道-大地回路等值電路

感性耦合電壓的計(jì)算方法通常是基于管道-大地回路傳輸線模型，并具此推導(dǎo)其解析表達(dá)式。 管道-大地回路傳輸線模型：將大地視為參考導(dǎo)體，管道-大地回路的等值電路如圖1所示。

相應(yīng)的頻域電報(bào)方程[6]為：

(1)

(2)

式中：U和I分別為管道沿線電壓、電流；Z和Y分別為管道-大地回路傳輸線模型的單位長度串聯(lián)阻抗和并聯(lián)導(dǎo)納；E為輸電線路在單位長度管道上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢。假設(shè)輸電線路在單位長度管道上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢不隨坐標(biāo)x改變，即E為常數(shù)，則可得式(1)和式(2)的通解如下：

U(x)=Aeγχ+Be-γχ，

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

當(dāng)交流輸電線路與輸氣管道平行接近時(shí)，可按管道布設(shè)的不同歸納為多種情況，本文采用的仿真系統(tǒng)模型中管道兩端為終止且不接地，即z1=z2=，ρ1=ρ2=1；將ρ1=ρ2=1 代入式 (5)及(6)中，結(jié)合式 (3) 即可得管道沿線電壓的解析表達(dá)式：

(9)

2 仿真系統(tǒng)的建立及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)描述

圖2顯示了待研究分析的系統(tǒng)模型，其中包含一條1 000 KV輸電線路以及沿著輸電線路走向的燃?xì)夤艿?。根?jù)西南院提供的資料，包10段在泰州站與蘇州站之間，管道3為進(jìn)用戶食堂的天然氣管道，在近用戶食堂前由鋼質(zhì)管道換為非金屬的PE管道，鋼質(zhì)管道端部無接地。圖3是燃?xì)夤艿?的位置示意圖。

圖2 待研究分析的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 燃?xì)夤艿?的位置示意圖

2.2 系統(tǒng)模型的相關(guān)參數(shù)

2.2.1 燃?xì)夤艿?的參數(shù)、坐標(biāo)及周圍土壤特性

管道3內(nèi)半徑為485 mm，外半徑為505 mm，埋深為1.5 m；防腐層為3層PE涂層，厚度為3 mm；鋼質(zhì)管道相對電阻率為10 Ωm2，相對磁導(dǎo)率為300 μ0；埋設(shè)層土壤電阻率為32.3 Ωm2。圖4為管道3的坐標(biāo)圖，表1為管道3中P1-P6點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)。

圖4 燃?xì)夤艿?的坐標(biāo)圖

PointX(m)Y(m)Z(m)P1046-1.5P215372-1.5P359136-1.5P479880-1.5P5101949-1.5P61682643-1.5

圖5 地線及各相線斷面圖

2.2.2 輸電線路斷面及相關(guān)參數(shù)

采用雙地線，型號為7 No.8 Alumoweld；相導(dǎo)線分裂數(shù)為8，相線型號為 795 MCM ACSR Drake。地線及各相線斷面如圖5所示，同塔雙回逆向序布置，其中H4為最下相導(dǎo)線的平均對地高度。線路斷面參數(shù)如表2所示。

表2 輸電線路地線及各相線斷面參數(shù)(m)

2.3 人身安全電壓限值

各類標(biāo)準(zhǔn)及其規(guī)定的長時(shí)間作用下人體安全電壓相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示[7]，從中可以看出管道交流干擾電壓允許值，其中國標(biāo)的電壓限值為60 V。

表3 人體長時(shí)間安全電壓標(biāo)準(zhǔn)(50Hz/60Hz交流電)

3 仿真計(jì)算的方法及結(jié)果分析

3.1 仿真計(jì)算方法

加拿大SES安全工程技術(shù)公司基于矩量法[3]開發(fā)的電力系統(tǒng)電磁干擾仿真計(jì)算軟件包CDEGS(電流分布、電磁場、接地和土壤結(jié)構(gòu)分析)，是以電磁理論為基礎(chǔ)編寫分析程序的，不受頻率限制，所以，分析結(jié)果極為精確。CDEGS具有接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析、電磁干擾研究等一系列功能。其核心主要是計(jì)算在穩(wěn)態(tài)、故障和雷擊等暫態(tài)條件下由地上或地下任意形狀導(dǎo)體所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)周圍電磁場分布及感應(yīng)電位分布。軟件包提供了三種不同的子軟件Sestlc、Right-of-Way、Splits用以分析計(jì)算共用走廊內(nèi)輸電線路對其它系統(tǒng)(含管道)的電磁干擾情況。該文采用SESTLC子軟件仿真計(jì)算包10段輸電線路正常負(fù)載運(yùn)行下對管道3的穩(wěn)態(tài)干擾值。SESTLC子軟件快速易用，可以解決任意導(dǎo)向的地上和埋設(shè)導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)，可由任意數(shù)量的電流和電壓源進(jìn)行激勵(lì)。首先輸入上一節(jié)系統(tǒng)模型的相關(guān)參數(shù)(管道、輸電線路、土壤等參數(shù))，計(jì)算出系統(tǒng)模型中各相線及地線的自互感系數(shù)，最終計(jì)算管道上感應(yīng)電壓和管道涂層感應(yīng)電壓的分布數(shù)值。在計(jì)算過程中需注意以下條件：

(1)電力系統(tǒng)工作頻率設(shè)定50 Hz；系統(tǒng)單位采用公制。

(2)管道3與輸電線路不是平行的視為彎曲被干擾線路。

(3)為了更精確地計(jì)算管道電位，輸電線路每段跨長和每檔距的分段數(shù)分別采用300米和3米來控制管道的分段情況。

(4) 左端接地阻抗和右端接地阻抗分別定義管道左端點(diǎn)和右端點(diǎn)的接地電阻。本系統(tǒng)中左端管道在進(jìn)用戶食堂前由鋼質(zhì)管道換為非金屬的PE管道且鋼質(zhì)管道端部無接地，故此端點(diǎn)相當(dāng)于懸空。右端點(diǎn)也設(shè)為懸空，接地阻抗視為無窮大。

(5) 相線及中性線外半徑、內(nèi)半徑、相對電阻率及相對電磁率等參數(shù)分別由其線型號ACSR Drake和Alumoweld 7 No.8在計(jì)算中從導(dǎo)體數(shù)據(jù)庫中獲取。

(6) 本系統(tǒng)線路的額定電流為3.46 kA，由于通常情況下可以忽略埋地管道的電容耦合影響，需選擇不考慮感應(yīng)到中性線的電流。

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

圖6是經(jīng)過仿真計(jì)算得到的管道3上的感應(yīng)電壓(涂層感應(yīng)電壓)沿線分布曲線。在穩(wěn)定狀態(tài)條件下，管道感應(yīng)電壓和管道涂層感應(yīng)電壓是相同的。

圖6 燃?xì)夤艿?上的感應(yīng)電壓(涂層感應(yīng)電壓)沿線分布曲線

由感應(yīng)電壓分布曲線可以看出，管道3上沿線大部分電壓處于40 V以下，處于正常范圍，但在進(jìn)戶位置上產(chǎn)生的對地電壓達(dá)到了約66 V，超過了國標(biāo)60 V的人體安全電壓限值，經(jīng)分析數(shù)據(jù)，主要原因有以下兩個(gè)：

(1)管道3與輸電線路在1 km范圍內(nèi)的接近距離很小，大部分位置接近距離在 30 m-75 m 之間，接近距離越小，輸電線路對管道的感性耦合程度越大，感應(yīng)電壓就越高；

(2)燃?xì)夤艿?在進(jìn)食堂之前由鋼質(zhì)管道換為非金屬的PE管，金屬管道無接地。管道上的感應(yīng)縱向電流在進(jìn)戶端只能經(jīng)由防腐層入地，相較于兩端無限延伸的管道，防腐層電阻率遠(yuǎn)大于延伸段管道的等效對地阻抗，這也就使得無延伸管道端部的對地電壓高于兩端延伸管道的對地電壓。

3.3 管道感應(yīng)電壓影響因素的計(jì)算分析

影響高壓輸電線路對埋地管道感應(yīng)電壓大小的因素很多，其中包括管道特性參數(shù)，高壓輸電線特性參數(shù)，線路與管道間并行接近參數(shù)等影響因素[8]。這其中有些是重要因素，而有些因素則是理論上有影響，但實(shí)際影響很小，可以忽略。管道特性參數(shù)主要有管道外徑、管道的防腐層絕緣電阻率；輸電線特性參數(shù)主要有電流等；其它的因素還有管道埋深、線路與管道的間距及土壤電阻率等。

通過選取以上參數(shù)由小到大個(gè)3組數(shù)據(jù)，在其它參數(shù)不變的情況下，分別輸入SESTLC軟件進(jìn)行計(jì)算，得出輸電線路在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下，影響感應(yīng)電壓的因素結(jié)論如下：

感應(yīng)電壓隨著線路電流的增大而增大，而且成線性正比關(guān)系；感應(yīng)電壓隨著管道的防腐層絕緣電阻率的增大而增大；感應(yīng)電壓隨著線路與管道間距的增大減小。這三個(gè)因素的影響較大，屬重要影響因素。理論上感應(yīng)電壓隨管道外徑增加而減?。浑S埋深的增加而減??；隨土壤電阻率的增加而增加，但計(jì)算結(jié)果顯示其影響不大。

4 防護(hù)措施

為確保人身安全及相關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行，本文中管道3電磁干擾超標(biāo)需采取防護(hù)措施。目前常用的管道防護(hù)措施主要有四個(gè)。一是改變桿塔接地電阻；二是改變架空地線電阻；三是增設(shè)管道的陰極保護(hù)設(shè)施[9]；四是沿管道敷設(shè)裸銅帶。頭兩個(gè)措施主要對線路與管道交叉跨越時(shí)，線路發(fā)生單相接地短路故障時(shí)有效。增設(shè)管道的陰極保護(hù)設(shè)施雖可達(dá)到減緩管道交流腐蝕的目的，但成本較高。第四個(gè)措施沿管道敷設(shè)裸銅帶是目前我國管道部門采用較多的一項(xiàng)防護(hù)措施。裸銅帶與管道通過隔斷直流、導(dǎo)通交流的去耦合器連接，具有良好的接地效果，發(fā)揮了屏蔽效應(yīng)，相當(dāng)于管道通過小電阻接地，從而可以顯著降低管道干擾電壓，能夠使電磁影響降低至滿足相關(guān)限值要求。同時(shí)，通過選擇合適的裸銅帶參數(shù)，也可達(dá)到適當(dāng)控制成本的目地。根據(jù)以上分析，鑒于論文中系統(tǒng)模型管道3與輸電線路為平行接近狀態(tài)，且長度約為1 km，從技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性二個(gè)方面綜合考慮，選用第四個(gè)防護(hù)措施。

根據(jù)本文系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)際，管道3上可以采取以下防護(hù)措施(位置示意圖如圖7)，具體實(shí)施如下：共設(shè)置2個(gè)集中接地網(wǎng)(接地網(wǎng)A和B)，接地網(wǎng)A的尺寸為80 m*40 m，接地網(wǎng)B的尺寸為120 m*60 m，網(wǎng)格尺寸均為10 m*10 m，埋深2 m。在管道的一側(cè)敷設(shè)單根鍍鋅裸銅帶，鍍鋅裸銅帶半徑為3 mm，與管道相距2 m，埋深與管道底部相同。其中，鍍鋅裸銅帶①長約250 m，設(shè)置于距接地網(wǎng)A與管道連接點(diǎn)約110 m處，在裸銅帶中部與管道相接；鍍鋅裸銅帶②長約200 m，設(shè)置于距接地網(wǎng)B與管道連接點(diǎn)約160 m處，在裸銅帶端部與管道相接；鍍鋅裸銅帶③長約200 m，設(shè)置于距接地網(wǎng)B與管道連接點(diǎn)約290m處，在裸銅帶中部與管道相接。表4為防護(hù)措施中相關(guān)接地裝置的參數(shù)。

圖7 防護(hù)措施位置示意圖

包段位置管道編號集中接地網(wǎng)參數(shù)敷設(shè)裸銅帶的參數(shù)數(shù)量尺寸隔直去耦合器數(shù)量敷設(shè)方式總長度隔直去耦合器數(shù)量包10段管道32個(gè)接地網(wǎng)A:80m*40m接地網(wǎng)B:120m*60m網(wǎng)格:10m*10m2個(gè)沿管道單側(cè)敷設(shè)650m3個(gè)

圖8 敷設(shè)鍍鋅裸銅帶后燃?xì)夤艿郎系母袘?yīng)電壓沿線分布曲線

在燃?xì)夤艿?上采取相應(yīng)防護(hù)措施后，重新進(jìn)行仿真計(jì)算，輸電線路在正常運(yùn)行時(shí)管道對地電壓的最大值約8.4 V，比采取措施前下降了87.3%，符合安全要求。管道感應(yīng)電位沿線分布曲線如圖8。

5 結(jié) 論

基于查閱中國電力研究院相關(guān)資料，對淮南-南京-上海1 000 kV特高壓交流輸電線路泰州站與蘇州站之間包10段輸電線路在正常運(yùn)行情況下對鄰近天然氣管道3的電磁干擾進(jìn)行了仿真計(jì)算。由計(jì)算結(jié)果可以看出，本文中燃?xì)夤艿?在進(jìn)戶位置上產(chǎn)生的對地電壓超過了人體安全電壓限值，在采取沿管道敷設(shè)裸銅帶措施后，在輸電線路正常運(yùn)行情況下，然氣管道3的電磁干擾電壓顯著降低，滿足了限值的要求，可確保人身安全和設(shè)備的安全運(yùn)行。

[1] 齊磊，崔翔，郭劍，等.特高壓交流輸電線路正常運(yùn)行時(shí)對輸油輸氣管道的感性耦合計(jì)算模型[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30(21)：121-126.

[2] 趙君.高壓交流輸電線路對埋地金屬管道的干擾影響研究[D].天津：天津大學(xué)，2012.

[3] 牛曉民.電力系統(tǒng)接地分析軟件CDEGS簡介[J].華北電力技術(shù)，2004(12)：29-31.

[4] 齊磊，原輝，李琳，等.架空電力線路故障狀況下對埋地金屬管道感性耦合的傳輸線計(jì)算模型[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28(6)：264-270.

[5] 董鐵柱，白鋒，李海鵬，等.新疆750kV二通道交流輸電線路對鄰近輸油輸氣管道電磁影響的仿真研究[J].電力建設(shè)，2013，34(8)：40-46.

[6] CIGRE.Guide on the influence of high voltage ac power systems on metallic pipelines[R].Paris：CIGRE，1995.

[7] 郭劍，曹玉杰，胡士信，等.交流輸電線路對輸油輸氣管道電磁影響的限值[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(2)：17-20.

[8] 王凱奇.超高壓輸電線路的三維工頻電磁場計(jì)算及其影響因素分析[D].吉林：東北電力大學(xué)，2015.

[9] 張秀麗，張萬友，王中秋，等.地下金屬管道的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)研究[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，16(4)：96-99.

Simulation and Research on Steady State Electromagnetic Interference on Pipelines Caused by High Voltage Transmission Lines

Zhu He，Hu Yiyang

(School of Civil Engineering and Architectural，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

When the pipeline is in the same public corridor with the high voltage transmission line，it will be affected by the electromagnetic field，which is usually referred as AC electromagnetic interference.When the induced AC voltage produced by the interference is higher，it will threat the safety of the pipeline operation and maintenance staff.Therefore，It is of great significance to study the influence of the high voltage AC transmission line on the nearby pipeline and to judge whether it exceeds the limited value and to put forward the method reducing the electromagnetic effect and the Mitigation-Method.This paper selects section 10 transmission line and gas pipeline 3 between the Taizhou Station and the Suzhou Station of “Huainan-Nanjing-Shanghai 1000 kV UHVAC power transmission project” as the system model.We use CDEGS developed by Canada SES Company to simulate steady state disturbance on pipeline 3 caused by transmission lines under steady state operation and to analyze the induction potential distribution on the pipeline 3.The conclusion is that the induced voltage of the pipeline 3 at household entrance is higher than the human safety voltage limits，and we need to lay bare copper along the pipeline or take other protective measures.

Transmission line；Electromagnetic interference；Simulation calculation and analysis；Mitigation-Method

2016-10-24

祝 賀(1978-)，男，博士，教授，主要研究方向：電網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備檢測及故障修復(fù)新技術(shù).

1005-2992(2017)03-0083-07

TM7

A

電子郵箱： zhuhe1215@163.com(祝賀)；1585741847@qq.com(胡藝陽)