埋地管道電磁干擾及緩解措施分析

鄭 軒，宋萌清，楊勁松，馬成廉

（1.吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；2.安徽明生電力投資集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 232001；3.現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東北電力大學(xué)），吉林 吉林 132012）

0 引 言

隨著我國(guó)電力、鐵路、天然氣以及石油管道等基礎(chǔ)設(shè)施不斷發(fā)展，由于經(jīng)濟(jì)和地理?xiàng)l件的限制，部分地區(qū)的架空輸電線路和金屬管道經(jīng)常使用相同的路線。在這種情況下，架空輸電線路和金屬管線或鐵路之間會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。在高壓輸電線上發(fā)生短路的情況下，大量的電流會(huì)流向地面。如果在短路區(qū)域附近有管道，電磁干擾在該管道上會(huì)產(chǎn)生比正常情況下更高的感應(yīng)電壓。盡管短路干擾的影響會(huì)根據(jù)管道中涂層的特性而降低，但這種涂層可能在安裝或使用管道的過(guò)程中被損壞。

如果技術(shù)人員在管道泵站工作，并在短路時(shí)接觸到金屬表面，則可能會(huì)發(fā)生電擊。工人在接觸過(guò)程中所承受的電壓被定義為接觸電壓。在《電信線路遭受強(qiáng)電線路危險(xiǎn)影響的容許值》（GB 6830—1986）中，這種感應(yīng)電壓對(duì)管道的安全限制是60 V，在《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 540054—1995）中是50 V，在《傳統(tǒng)接觸電壓限值的使用-應(yīng)用指南》（IEC TS 61201—2007）中是33 V。如果電磁干擾超過(guò)了這些標(biāo)準(zhǔn)所確定的安全限度，則出于安全考慮，應(yīng)該采取一些措施降低感應(yīng)電壓。通過(guò)研究這種電磁干擾，并討論安全措施，以便在安全限度內(nèi)進(jìn)行工作。

采用CDEGS 軟件進(jìn)行長(zhǎng)架空輸電線路和管道的電磁干擾分析，而CDEGS 程序的準(zhǔn)確性在很多研究中已經(jīng)得到驗(yàn)證。在這些研究中，對(duì)于某一區(qū)域階躍電壓和觸摸電壓的增加，為了減少對(duì)管道的電磁影響，一種方法是在管道和400 kV 架空輸電線路的交匯處采用接地電纜，另一種方法是通過(guò)使用接地網(wǎng)減少觸摸電壓和階躍電壓[4]。針對(duì)干擾產(chǎn)生的由管道流向地面的電流導(dǎo)致管道變形的情況，文獻(xiàn)[5]使用絕緣法蘭緩解管道與輸電線路之間的干擾。此外，研究人員使用阻抗電流陰極保護(hù)減少干擾造成的影響。

文章研究了公共走廊上的架空輸電線路和一條彎曲鋪設(shè)的管道之間的電磁干擾，采用增設(shè)緩解線的方法，將架空輸電線路故障后的管道涂層耐受電壓降低到可接受的水平。

1 輸電線路及管道特性

在架空輸電線路發(fā)生短路的情況下，涂層應(yīng)力電壓、接觸電壓以及步進(jìn)電壓升高。這些電壓根據(jù)傳輸線路的電氣和物理參數(shù)、管道的物理參數(shù)以及接地電阻/電阻率的變化而變化。沿管道的任何點(diǎn)x處的傳導(dǎo)電壓為

式中：Ux為x點(diǎn)的感應(yīng)電壓，V；Ug為地電位升；x1為地和管道之間的距離，m；re為接地電極的半徑，m。

本研究模擬了總長(zhǎng)為64.39 km 的110 kV 輸電線路，桿塔為Delta 型、鋼質(zhì)。相導(dǎo)線為477 ACSS，屏蔽線為OPGW Optical ALCOA 48/48/606，平均檔距為121.95 m。將每個(gè)桿塔的塔基模擬成長(zhǎng)為6.098 m、直徑為0.305 m 的鋼型接地棒。沿著共用走廊，基于電阻率為100 Ω·m 的均勻土壤模型（2 個(gè)均勻土壤區(qū)域）計(jì)算接地電阻，其值為10.67 Ω。輸電線路兩端的2 個(gè)變電站接地系統(tǒng)的接地電阻分別為0.5 Ω 和1.0 Ω。正常情況下，最大負(fù)載電流值為三相的平衡電流，其值為830 A。埋地管道的材質(zhì)為鋼，直徑為0.610 m，壁厚為0.952 7 cm，埋深為0.915 m，相對(duì)電阻率（相對(duì)于退火銅）為10 Ω·m，相對(duì)磁導(dǎo)率為300 H/m，管道涂層電阻率為40 887.37 Ω·m，涂層厚度為1 mm。

2 穩(wěn)態(tài)及故障干擾分析

2.1 穩(wěn)態(tài)干擾

當(dāng)輸電線路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的負(fù)載電流為830 A 時(shí)，管道受到干擾產(chǎn)生的縱向電流和感應(yīng)電勢(shì)變化曲線如圖1 和圖2 所示。

圖1 管道縱向電流

圖2 管道感應(yīng)電勢(shì)

由圖1 可知，輸電線路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，管道中間段縱向電流達(dá)到峰值7.2 A，向兩端平穩(wěn)下降。由圖2 可知，管道感應(yīng)電勢(shì)幅值呈現(xiàn)兩端高、中間低的趨勢(shì)，最高接近46.00 V（位于管道始端），最低約為9.00 V（位于管道中間段）。

2.2 故障情況下的交流干擾計(jì)算

在共用走廊中點(diǎn)處，當(dāng)110 kV 輸電線路發(fā)生故障時(shí)（相線和中性線間發(fā)生短路），計(jì)算管道上的交流（Alternating Current，AC）干擾。計(jì)算故障相線和中性線間的分路電流分布、電位分布以及故障時(shí)管道的感應(yīng)電勢(shì)（感應(yīng)和傳導(dǎo)分布）和涂層耐受電壓，結(jié)果如圖3、圖4、圖5 以及圖6 所示。

圖3 分路電位幅值

圖4 分路電流幅值

圖5 故障時(shí)管道感應(yīng)電勢(shì)

圖6 涂層耐受電壓幅值

當(dāng)輸電線路發(fā)生故障時(shí)，塔號(hào)為3 的桿塔處故障相線和中性線間的分路電流與電壓最高，分別為320 A、3 400 V。受干擾管道的感應(yīng)電勢(shì)和涂層耐受電壓變化趨勢(shì)十分接近，管道始端的感應(yīng)電勢(shì)和涂層耐受電壓較高，為3 100 V。

2.3 穩(wěn)態(tài)和故障情況下管道上的感應(yīng)電位

綜合考慮輸電線路穩(wěn)態(tài)與故障對(duì)管道的交流干擾，分析管道沿線的感應(yīng)電勢(shì)和管道涂層總耐受電壓，如圖7、圖8 以及圖9 所示。

圖7 穩(wěn)態(tài)情況下管道上的感應(yīng)電勢(shì)

圖8 故障情況下管道上的感應(yīng)電勢(shì)

圖9 涂層總耐受電壓

從圖7 可以看出，正常負(fù)載情況下，管道上的最大感應(yīng)電壓接近46 V，不超過(guò)埋設(shè)管道50 V 的限值，因此無(wú)須采取專門的緩解措施。從圖8 可以看出，故障情況下，管道始端感應(yīng)電勢(shì)較高，約為5 175 V。從圖9 可以看出，故障情況下管道的最大涂層耐受電壓為4 946 V，超過(guò)了安全限值2 500 V，此時(shí)需要對(duì)管道采取緩解措施。

3 降低管道干擾的緩解方法分析

為了將故障情況下管道沿線的涂層承受電壓和接觸電壓降低到設(shè)計(jì)閾值以下，需要進(jìn)行準(zhǔn)確的緩解措施設(shè)計(jì)。針對(duì)故障情況設(shè)計(jì)的緩解措施在負(fù)載情況下進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，多數(shù)能夠滿足要求。如果在負(fù)載情況下，緩解措施不能滿足要求，則需要重新設(shè)計(jì)緩解措施。通過(guò)在觸摸電壓和階梯電壓增加的區(qū)域增加一條新的代表緩解線的相線，將緩解線鋪設(shè)在管道溝的底部1.5 m 深，離管道邊緣的距離為0.3 m。仿真分析加入緩解線后，在輸電線路故障情況下，管道涂層總的耐受電壓如圖10 所示。

圖10 加入緩解后管道涂層總耐受電壓

由圖10 可知，加入緩解線后，管道涂層總耐受電壓最大值為280 V，較加入緩解線之前的4 946 V下降了94.34 %，此方法已經(jīng)將管道涂層承受電壓降低到可接受的水平?？紤]安全限制，緩解線為輸電線路與管道并行的情況提供了較佳的解決方案。

4 結(jié) 論

研究輸電線路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行與短路故障下與金屬管道之間的交流干擾，并對(duì)故障下管道涂層耐受電壓過(guò)高采取一定緩解措施，取得了一定的成果。110 kV輸電線路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下，負(fù)載電流為830 A 時(shí)，管道縱向電流最高為7.2 A，感應(yīng)電勢(shì)最高接近46 V，在安全限值以下?？紤]穩(wěn)態(tài)與故障情況下，管道的最大涂層承受電壓為4 946 V，超過(guò)了限值2 500 V，此時(shí)管道需要采取緩解措施。對(duì)于受干擾管道涂層耐受電壓遠(yuǎn)高于安全限值的情況，在管道溝的底部1.5 m 深鋪設(shè)緩解線，緩解線距管道邊緣0.3 m。通過(guò)增設(shè)緩解線的方法，可以降低架空輸電線路與管道之間的電磁干擾引起的感應(yīng)接觸和跨步電壓，降低管道涂層總耐受電壓。為限制感應(yīng)電壓，在輸電線路和管道的安裝過(guò)程中，應(yīng)選擇有效的屏蔽方法降低鐵塔接地電阻。