220 kV海纜對(duì)海底管道電磁干擾分析及評(píng)估

徐 偉 李泊靜 高 媛 田念佩 梁 毅 杜艷霞

(1. 中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣東廣州 510663； 2. 北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院 北京 100083)

近年來，隨著中國海上油氣開發(fā)力度的加大，海底電纜得到了大規(guī)模敷設(shè)。由于地理位置的限制，不可避免地出現(xiàn)海纜與海底管道平行接近或交叉跨越的情況，形成長距離共用走廊帶，從而使海管受到電力系統(tǒng)的交流干擾[1-4]。交流干擾可能造成管道腐蝕穿孔，甚至引發(fā)爆炸事故[5]。此外，交流干擾也嚴(yán)重威脅下水作業(yè)人員的安全。目前，國內(nèi)外已有相關(guān)學(xué)者利用電磁干擾模擬軟件對(duì)管道交流干擾進(jìn)行了預(yù)測(cè)評(píng)估[6-9]。胡家元 等[10]采用CDEGS軟件對(duì)某500 kV交流海纜對(duì)鄰近原油管道電磁干擾風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了模擬評(píng)估，結(jié)果表明海纜正常運(yùn)行時(shí)，管道最大干擾電壓為0.063 V、電流密度9.36 A/m2，符合安全規(guī)定；白鋒 等[11]利用CDEGS軟件對(duì)某埋地油氣管道與1 000 kV特高壓交、±800 kV特高壓直流輸電線路均有交叉跨越和平行接近情況進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明特高壓交、直流輸電線路同走廊時(shí)，鄰近管道上的電磁影響主要由交流線路引起，交流輸電線路在管道上產(chǎn)生的對(duì)地電壓約為2.016 V。祝賀 等[12]研究了1 000 kV特高壓交流輸電線路對(duì)陸地管道的穩(wěn)態(tài)電磁干擾，結(jié)果表明在間距較近位置，對(duì)地電壓約達(dá)66 V。李平 等[13]通過數(shù)值模擬研究了海纜和陸上換流站的雜散電流對(duì)海底管線的干擾程度，該海纜正常運(yùn)行輸送電流約530 A，二者并行間距80～730 m，得出故障工況下接觸電壓最大值為1 633.5 V。

由于海纜是近年才得以迅猛發(fā)展，現(xiàn)階段針對(duì)高壓輸電工程交流干擾的研究多是圍繞陸上輸電線路開展，還鮮有針對(duì)海纜對(duì)海底管道的交流干擾影響方面的研究。此外，故障工況下電流在海水中的傳輸途徑與陸上土壤中傳輸途徑也截然不同。因此，隨著海洋輸電工程的發(fā)展，亟待開展海纜對(duì)海管的影響方面的研究。本文針對(duì)中國海油某油田群岸電工程項(xiàng)目，利用CDEGS電磁干擾模擬軟件對(duì)擬建高壓交流海纜對(duì)臨近海底管道交流干擾風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，并參考GB 16636—2008標(biāo)準(zhǔn)和GB/T 13870.1—2008標(biāo)準(zhǔn)，提出人員下水作業(yè)安全防護(hù)建議，從而為新建海纜布局及相關(guān)人員下水作業(yè)安全防護(hù)提供參考及建議。

1 分析模型及評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

1.1 分析模型

中國海油某岸電工程項(xiàng)目涉及2條待敷設(shè)海纜及2條海底管道。海纜1與海管P1并行約70 km，且海纜1與海管P2下端存在交叉；海纜2與海管P2并行約45 km，且在下端有交叉(圖1，該圖為海纜布局俯視圖)。2條海管材質(zhì)均為API 5L X52，防腐層為3PE，海管主要參數(shù)見表1。

圖1 某岸電工程項(xiàng)目高壓交流電纜與海底管道的幾何模型Fig.1 Geometric model of high-voltage AC cables and submarine pipelines used in a shore power engineering project

表1 某岸電工程海底管道主要參數(shù)Table 1 Main parameters of the subsea pipelines used in a shore power engineering project

2條擬敷設(shè)的交流220 kV海纜均為三芯海纜(圖2)。2條海纜導(dǎo)體規(guī)格不同，海纜1、2額定載流量分別為761、499 A，單相短路電流最大值分別為4 488.0、6 433.9 A，電流不平衡度均為4%。海纜在兩端存在接地網(wǎng)，接地形式為鉛套三相互聯(lián)直接接地及鎧裝直接接地，鉛套和鎧裝接入同一接地網(wǎng)。電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。海底管道沿線環(huán)境從上到下分別為海水層和海泥層。其中，海水層深度約27.015 m，海泥層厚度設(shè)置為無窮大，海水層、海泥層電阻率分別為0.199 5、1.29 Ω·m。

圖2 三芯電纜結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of three core cable

表2 海纜結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structural parameters of submarine cable

1.2 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

1) 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下的交流干擾風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判指標(biāo)。

根據(jù)國際交流腐蝕評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)ISO 18086-2019[14]及NACE SP 21424-2018[15]，以交流電流密度作為交流干擾腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)判指標(biāo)，交流干擾腐蝕風(fēng)險(xiǎn)弱、中、強(qiáng)3個(gè)等級(jí)所對(duì)應(yīng)的交流電流密度分別為小于30 A/m2、30～100 A/m2、大于100 A/m2。

2) 故障工況下的防腐層耐受電壓評(píng)價(jià)指標(biāo)。

本次計(jì)算模型中海底管道涂層采用3PE涂層，因此發(fā)生故障時(shí)，依據(jù)Std.80 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的100 000 Ω·m2面電阻率的防腐層安全耐受電壓為10 000 V。

3) 人身安全評(píng)價(jià)指標(biāo)。

參考GB 16636—2008[16]和GB/T 13870.1—2008[17]分別獲得了海水環(huán)境下的人身安全電流限值及人體阻抗，通過計(jì)算得到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況和故障工況下，人身安全電場(chǎng)強(qiáng)度限值分別為2.5、14 V/m。

2 穩(wěn)態(tài)工況下電磁干擾影響規(guī)律分析及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

海管臨近海纜線路時(shí)，會(huì)因感性耦合和阻性耦合等產(chǎn)生感應(yīng)電壓。海管表面防腐蝕層破損點(diǎn)位置處基體裸露并與周圍介質(zhì)相接觸，管道上感應(yīng)電壓會(huì)在破損點(diǎn)處產(chǎn)生較大的泄漏電流，從而引發(fā)腐蝕。為了合理布局新建海纜，須探究不同海纜與海管間距下，海纜對(duì)海管電磁干擾影響以及對(duì)下水作業(yè)人員人身安全風(fēng)險(xiǎn)的影響。

2.1 海纜與海管間距對(duì)海管交流干擾的影響

1) 海管P1。

海纜1與海管P1并行長度約70 km，將海纜1和海管P1間距分別設(shè)為10、30、50、70、90、100、150 m(由于海纜與海管埋深處水深相近，二者的間距特指二者的平面距離，余同)，計(jì)算得到不同間距下海管P1所受交流干擾電壓和交流電流密度情況(圖3)?？梢钥闯?，海管P1所受交流干擾電壓和交流電流密度隨著二者間距的增大而減小，當(dāng)海纜1與海管P1的間距為10 m時(shí)，在海管P1與海纜1并行的起點(diǎn)與終點(diǎn)位置出現(xiàn)交流干擾電壓與交流電流密度的峰值點(diǎn)，最大交流干擾電壓為0.140 V，最大交流電流密度達(dá)到155.5 A/m2，海管P1交流干擾腐蝕風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到強(qiáng)等級(jí)(電流密度大于100 A/m2)，存在較大的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，其中交流電流密度超過30 A/m2的海管長度達(dá)42.6 km；當(dāng)海纜1與海管P1的間距為30 m時(shí)，最大交流干擾電壓為0.064 V，最大交流電流密度達(dá)到72.8 A/m2，交流干擾腐蝕風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到中等級(jí)(電流密度30～100 A/m2)，存在一定的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，其中交流電流密度超過30 A/m2的海管長度為8.31 km；當(dāng)二者間距為50 m時(shí)，最大交流干擾電壓為0.037 V，最大交流電流密度為41.9 A/m2，仍存在一定的交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，其中交流電流密度超過30 A/m2的海管長度為2.31 km；直到海纜1與海管P1的間距增大至70 m，海管P1全線所受交流電流密度均降至交流干擾腐蝕低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)(小于30 A/m2)標(biāo)準(zhǔn)以下，此時(shí)最大交流干擾電壓和交流電流密度分別為0.024 V、26.7 A/m2；當(dāng)海纜1與海管P1的間距增大至100 m時(shí)，海管P1的最大交流干擾電壓和交流電流密度分別為0.013 V和14.8 A/m2。

圖3 海纜1與海管P1的間距對(duì)海管P1交流干擾程度的影響Fig.3 Influence of distance between submarine cable 1 and pipeline P1 on AC interference degree of pipeline P1

進(jìn)一步研究不同間距下海管P1峰值交流電流密度分布情況(圖4)。可以看出，隨著海纜與海管間距的增加，管道上峰值交流電流密度降低。海纜實(shí)際敷設(shè)過程中，因施工工藝的限制，海纜實(shí)際敷設(shè)方位可能與路由有數(shù)米的偏差。此外，考慮工程應(yīng)用所需裕度，因此，實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，推薦海管P1與海纜1安全間距取100 m。

2) 海管P2。

海纜2與海管P2并行長度約45 km，將海纜2和海管P2保持登陸端與平臺(tái)處的相對(duì)位置不變，中間部位的間距分別設(shè)為10、24、28、30、32、36、50、100、150 m，計(jì)算分析不同間距情況下的交流干擾風(fēng)險(xiǎn)(圖5)?？梢钥闯觯９躊2的交流干擾程度隨海纜2與海管P2間距的增大而減小，當(dāng)海纜2與海管P2的間距為10 m時(shí)，海管P2最大交流干擾電壓為0.055 V，最大交流電流密度達(dá)到61.7 A/m2，海管全線交流電流密度均超過交流干擾腐蝕低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)30 A/m2的限值；當(dāng)并行間距為24 m時(shí)，海管P2全線最大交流干擾電壓為0.030 V，最大交流電流密度為34.0 A/m2，其中交流電流密度超過30 A/m2的海管長度為10.5 km；當(dāng)間距增至30 m時(shí)，海管P2全線最大交流干擾電壓為0.025 V，最大交流電流密度為28.2 A/m2，略低于標(biāo)準(zhǔn)要求的30 A/m2；當(dāng)海纜2與海管P2的間距增大至100 m時(shí)，海管P2全線最大交流干擾電壓為0.005 2 V，最大交流電流密度為5.85 A/m2。

圖4 海纜1與海管P1不同間距下海管P1峰值交流電流密度Fig.4 Peak AC current density of submarine pipe P1 under different spacing between submarine cable 1 and submarine pipe P1

圖5 海纜2與海管P2的間距對(duì)海管P2交流干擾程度的影響Fig.5 Influence of distance between submarine cable 2 and pipeline P2 on AC interference degree of pipeline P2

不同間距下海管P2峰值交流電流密度分布情況如圖6所示?？梢钥闯觯c海管P1相似，隨著海纜與海管間距的增加，管道P2上峰值交流電流密度降低。根據(jù)穩(wěn)態(tài)工況下的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果并考慮實(shí)際工程的設(shè)計(jì)裕量，推薦海纜2與海管P2的安全間距取50 m。

圖6 海纜2與海管P2不同間距下海管P2峰值交流電流密度Fig.6 Peak AC current density of submarine pipe P2 under different spacing between submarine cable 2 and submarine pipeline P2

對(duì)比海管P1、P2所受電磁干擾程度，當(dāng)海纜與海管間距相同時(shí)，相較海管P1，海管P2的受干擾程度明顯降低。主要有兩方面原因:一是海管P2與海纜2并行的長度為45 km，僅為海管P1與海纜1并行長度(70 km)的64%，海纜與海管并行長度越短，海底管道受交流干擾程度越低；二是海纜1和海纜2負(fù)載電流不同，海纜1負(fù)載電流(761 A)遠(yuǎn)大于海纜2的負(fù)載電流(499 A)，負(fù)載電流越高，海管受交流干擾程度也越高。

2.2 人身安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

參考GB 16636—2008標(biāo)準(zhǔn)和GB/T 13870.1—2008標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)態(tài)工況下人身安全電場(chǎng)強(qiáng)度限值為2.5 V/m。通過數(shù)值模擬計(jì)算得到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下，海纜與海管不同并行間距下，海管P1、P2的最大接觸電壓(表3)?？梢钥闯?，海管P1、P2的最大接觸電壓分別為0.140、0.055 V。若下水作業(yè)人員手臂到海管距離為1 m，計(jì)算得到人與海管電場(chǎng)強(qiáng)度最大值分別為0.140、0.055 V/m，低于穩(wěn)態(tài)工況下人身安全電場(chǎng)強(qiáng)度限值，人員安全事故風(fēng)險(xiǎn)較低。

表3 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下不同海纜與海管間距下海管最大接觸電壓Table 3 Maximum contacting voltage of subsea pipelines with different distances between submarine cable and pipeline under steady operation conditions

3 故障工況下電磁干擾風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

針對(duì)海纜1與海管P1推薦的安全間距100 m，海纜2與海管P2的安全間距50 m，開展海纜單相短路故障工況下海纜對(duì)海管的干擾模擬分析。

1) 海管P1。

假設(shè)海纜1在A、B、C、D等4處位置(圖7)發(fā)生單相短路故障，構(gòu)建故障工況下的數(shù)值模型，計(jì)算海纜1在上述位置發(fā)生單相短路故障時(shí)海管P1遭受的干擾情況(圖8)?？梢钥闯觯趩蜗喽搪饭收瞎r下，海管P1接觸電壓和防腐層耐受電壓峰值均出現(xiàn)在故障點(diǎn)處。當(dāng)海纜1在C位置即海纜中點(diǎn)處發(fā)生故障時(shí)，其接觸電壓與防腐層耐受電壓峰值最大，分別為76.3、75.7 V。在所計(jì)算的4個(gè)故障位置下，海管P1接觸電壓和防腐層耐受電壓峰值的最小為41.2 V。可見，當(dāng)發(fā)生單相短路故障時(shí)，防腐層耐受電壓遠(yuǎn)低于規(guī)定的安全耐受電壓限值，防腐層擊穿風(fēng)險(xiǎn)較小。而距海管P1 1 m的電場(chǎng)強(qiáng)度為41.2 V/m，高于全身浸沒環(huán)境下規(guī)定的人身安全電場(chǎng)強(qiáng)度(14 V/m)。因此，建議相關(guān)人員在海纜1發(fā)生單相短路故障情況時(shí)，下水作業(yè)須采取全套安全防護(hù)。

注：A為距海纜1起點(diǎn)2.8 km處；B為海纜1左端拐點(diǎn)處，距起點(diǎn)約12 km；C為海纜1中間處，距起點(diǎn)約40 km；D為距海纜1終點(diǎn)3 km處圖7 海纜1單相短路故障位置示意圖Fig.7 Schematic diagram of single-phase short-circuit fault location of submarine cable 1

圖8 海纜1單相短路故障工況下不同故障位置對(duì)海管P1的干擾影響Fig.8 Interference of different fault locations to subsea pipeline P1 under single-phase short-circuit fault condition of submarine cable 1

2) 海管P2。

同理，假設(shè)海纜2在E、F、G、H等4處位置(圖9)發(fā)生單相短路故障，構(gòu)建故障工況下的數(shù)值模型，計(jì)算海纜2在上述位置發(fā)生單相短路故障時(shí)海管P2遭受的干擾情況(圖10)。可以看出，單向短路故障工況下，海管P2接觸電壓和防腐層耐受電壓峰值均出現(xiàn)在海纜2拐點(diǎn)F、G處。當(dāng)在F位置即海纜2上端拐點(diǎn)處發(fā)生故障時(shí)，海管P2接觸電壓與防腐層耐受電壓最大，值分別為226.9、224.3 V。在所計(jì)算的4個(gè)故障位置下，海管P2接觸電壓與防腐層耐受電壓的最小峰值為55.6 V?？梢?，當(dāng)海纜2發(fā)生單相短路故障時(shí)，海管P2防腐層耐受電壓遠(yuǎn)低于規(guī)定的安全耐受電壓限值，防腐層擊穿風(fēng)險(xiǎn)較小。而距海管P2 1 m的電場(chǎng)強(qiáng)度高于全身浸沒環(huán)境下規(guī)定的人身安全電場(chǎng)強(qiáng)度(14 V/m)，因此，建議相關(guān)人員在海纜2發(fā)生單相短路故障情況時(shí)，下水作業(yè)須采取全套安全防護(hù)。

注：E為海纜2起點(diǎn)處；F為海纜2上端拐點(diǎn)處，距起點(diǎn)約12 km；G為海纜2下端拐點(diǎn)處，距終點(diǎn)約4 km；H為海纜2終點(diǎn)處圖9 海纜2單相短路故障位置示意圖Fig.9 Schematic diagram of single-phase short-circuit fault location of submarine cable 2

圖10 海纜2單相短路故障工況下，不同故障位置對(duì)海管P2的干擾情況Fig.10 Interference of different fault locations to subsea pipeline P2 under single-phase short-circuit fault condition of submarine cable 2

4 結(jié)論

1) 海纜穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下，海管的受干擾程度隨著海纜和海管間距的增大而降低。根據(jù)穩(wěn)態(tài)工況下的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果并結(jié)合實(shí)際岸電工程情況及設(shè)計(jì)裕量，推薦海纜1與海管P1的安全間距為100 m，海纜2與海管P2的安全間距為50 m；在該安全間距下，海管最大電場(chǎng)強(qiáng)度小于GB 16636—2008和GB/T 13870.1—2008規(guī)定的人身安全電場(chǎng)強(qiáng)度限值(2.5 V/m)，人員安全事故風(fēng)險(xiǎn)較低。

2) 單相短路故障工況下，海管P1、P2的防腐層耐受電壓低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的理想3PE防腐層耐受電壓值，防腐層擊穿風(fēng)險(xiǎn)較小；而距海管1 m的電場(chǎng)強(qiáng)度高于全身浸沒環(huán)境下規(guī)定的人身安全電場(chǎng)強(qiáng)度(14 V/m)，建議操作人員下水作業(yè)時(shí)，采取充分的絕緣防護(hù)措施，以免發(fā)生觸電危險(xiǎn)。