超高壓交流輸電線路與油氣管道安全間距研究

阮亦根，李自力

（1.中國石化浙江石油分公司，杭州 310009；2.中國石油大學（華東），山東 青島 266580）

0 引言

隨著我國電氣化鐵路、電力工業(yè)的跨越式發(fā)展及近年來長輸油氣管道的大規(guī)模建設，導致管道與高壓輸電線路近距離并行或交叉的情況越來越多，在局部區(qū)域形成了所謂的“公共走廊”[1-2]。由于其容性耦合、阻性耦合和磁感應耦合的方式，導致交流輸電線路對埋地管道產(chǎn)生較大的交流感應電壓[3]。相關研究表明，高壓輸電線路對管道形成的雜散電流干擾已經(jīng)成為管道安全的主要威脅之一[4-6]。

在文獻[7]中，分別從交流電壓和交流電流密度2 個方面對干擾程度進行了劃分，并說明了直接接地、負電位接地和固態(tài)去耦合器接地3 種排流方式的應用范圍，同時規(guī)定了埋地管道與交流接地體的最小距離[8-9]。但是上述最小距離僅僅是根據(jù)電壓等級進行簡單的劃分，一方面沒有明確在該最小距離下管道交流干擾電壓的影響程度；另一方面沒有考慮復雜的土壤參數(shù)、輸電線路高度等參數(shù)對最小安全距離的影響[10-11]。

本文以甬紹金衢管道為研究對象， 通過CDEGS 軟件對500 kV 超高壓交流輸電線路對埋地管道干擾影響程度進行了研究，并將交流電壓為4 V 作為干擾限值，確定了不同因素下埋地管道與輸電線路的安全距離。

1 模型參數(shù)設置

圖1 為交流輸電桿塔頭結構與埋地管道相對距離示意圖。在本文所用的塔頭結構中，中性線/屏蔽線位于塔頭最上方，而3 條相線掛點在同一水平高度上。交流輸電線最大掛點高度為32.76 m，平均弧垂為16.98 m，導線對地平均高度為掛點高度減去2/3 弧垂，計算得到相線對地平均高度為21.44 m[11]。

圖1 交流輸電桿塔與埋地管道相對距離示意圖

表1 給出了高壓輸電線路相線和中性線/屏蔽線型號及電氣參數(shù)。

表1 高壓輸電線路相線和中性線/屏蔽線型號及電氣參數(shù)

500 kV 高壓交流輸電線通常額定功率下運行的單相線路電流約為1 600 A，甬紹金衢管道規(guī)格為Φ508 mm×7.9 mm，管道防腐層電阻率取20 kΩ·m2，埋深取1.5 m，管道連接情況取如圖2所示連接方式，2 端各延伸1 000 m。

圖2 交流輸電線路與埋地管道干擾模型

2 交流輸電線路與埋地管道干擾模型

甬紹金衢管道與輸電線分布關系比較復雜，并行長度各異；500 kV 輸電線路與輸油管道并行長度主要在0.5～10 km 變化。管道沿途經(jīng)過地區(qū)主要為水田、耕地、丘陵，土壤電阻率普遍較小，在5～200 Ωm 范圍內(nèi)。因此，選定管道與高壓三相導線的相對高度的取值為11 m（最小對地高度），21.44 m（平均對地高度）和32.76 m（最大對地高度），土壤電阻率取20 Ωm，60 Ωm 和200 Ωm，并行長度取500 m，1 000 m，2 000 m，3 000 m，5 000 m 和10 000 m，研究不同條件下高壓交流輸電線與埋地管道的安全距離。

3 管道安全極值研究

3.1 影響因素分析

如圖3 所示為不同土壤電阻率條件下埋地管道安全距離與并行長度的關系。在不同的相線對地高度條件下，隨著并行長度的增大，安全間距也增大，并且總體呈“凸”函數(shù)的變化規(guī)律，主要分為并行長度為0～4 000 m，4 000～10 000 m 的快速增大和平穩(wěn)變化2 個階段；同時，在相同的并行長度和相線高度條件下，隨著土壤電阻率的增大，安全距離也增大，這主要是由土壤電阻率的增大導致阻性耦合部分的增大引起的。當并行程度為10 000 m、土壤電阻率為200 Ωm 和相線高度為11 m 時為最危險工況，其安全間距達到5 880 m，才可滿足感應電壓低于4 V 的要求。

當相線對地高度為11 m 時發(fā)現(xiàn)，土壤電阻率為20 Ωm 時，其并行長度與安全間距的變化曲線呈“S”型變化，與常見的“凸”函數(shù)變化規(guī)律有所不同，這主要是由低電阻率和較小并行長度條件下不同耦合的作用方式引起的。

圖3 土壤電阻率與安全間距的關系

如圖4 所示為不同相線對地高度條件下埋地管道安全距離與并行長度的關系。在不同的土壤電阻率條件下，不同的并行長度，導線對地距離越小，安全間距也就越大。由圖4 可知，相線對地高度為21.44 m 和32.76 m 時的2 條曲線基本重合，因此在本文研究條件下，當相線對地高度大于21.44 m 時，高度對埋地管道交流干擾的安全間距沒有影響。但是在實際中，輸電線為弧垂型，因此應以相線與對地最小距離為依據(jù)進行判別。

由圖4 可知，當相線對地高度為11 m、土壤電阻率為20 Ωm 時，其并行長度與安全間距的變化曲線呈“S”型，通過對比可知，引起該現(xiàn)象的主要因素是土壤電阻率（隨著土壤電阻率的增大，“S”型變化特征逐漸消失）。由交流干擾的作用過程可知，從磁感應耦合、阻性耦合和容性耦合來看，磁感應產(chǎn)生的縱向電壓占主要部分；當土壤電阻率較小且并行長度較短時，此時磁感應產(chǎn)生的干擾電壓與阻性耦合產(chǎn)生的干擾電壓相互作用，表現(xiàn)在管道上的總干擾電壓數(shù)值減小，因此其安全間距呈“S”型變化。

圖4 相線對地高度與安全間距的關系

3.2 擬合公式

由3.1 小節(jié)可知，當相線對地高度大于21.44 m 時，安全間距主要受到土壤電阻率的影響。因此本文為描述土壤電阻率對安全間距的影響，定義單位變化率D0來描述單位土壤電阻率的改變對安全間距的影響，可通過式（1）來描述：

式中：ΔD 為不同土壤電阻率下安全距離的改變量；Δρ 為土壤電阻率的變化量。

以并行長度10 000 m 為例，當相線對地高度為11 m 時，ρ 在20～60 Ωm 和60～200 Ωm 范圍內(nèi)，D0=27.8 和44.3；當相線對地高度為21.44 m和32.76 m 時，在ρ=20～60 Ωm 和60～200 Ωm 范圍內(nèi)，D0=15.3 和28.8。因此對于高壓交流輸電線路對埋地管道的干擾來說，土壤電阻率的影響大于輸電線路對地高度，同時土壤電阻率越大，對埋地管道干擾電壓變化程度影響越大。

表2 為不同輸電線路對地高度和土壤電阻率條件下的管道安全間距擬合公式和誤差。由表2可知，在不同相線對地高度和土壤電阻率下，安全間距與并行長度呈對數(shù)關系；同時從擬合公式的系數(shù)也可以看出，土壤電阻率對管道干擾電壓的影響大于導線高度，并且土壤電阻率越大，影響越明顯。

表2 不同輸電線路對地高度和土壤電阻率條件下的管道安全間距擬合公式

4 結論

本文以埋地管道交流干擾電壓4 V 為限值，通過CDEGS 軟件對不同相線高度和土壤電阻率條件下埋地管道交流干擾安全間距進行了研究，主要得到以下結論：

（1）在不同的相線對地高度條件下，安全間距與并行長度總體呈“凸”函數(shù)的變化規(guī)律，主要分為并行長度為0～4 000 m，4 000～10 000 m 的快速增大和平穩(wěn)變化2 個階段（當并行程度為10 000 m、土壤電阻率200 Ωm 和相線高度11 m時為最危險工況，其安全間距可達5 880 m；在本文的研究條件下，當相線對地高度大于21.44 m時，高度對埋地管道的交流干擾的安全間距沒有影響）。

（2）對于交流輸電線路對埋地管道干擾來說，土壤電阻率的影響大于輸電線路對地高度，土壤電阻率越大，對埋地管道干擾電壓變化程度影響越大。

（3）在不同相線對地高度和土壤電阻率條件下，安全間距與并行長度呈對數(shù)關系。因此可根據(jù)該方程確定不同條件下管道交流干擾的安全范圍。