城市地下綜合管廊內(nèi)高壓輸電線對(duì)鋼制管道電磁干擾的研究

羅艷龍，李仕力，周少坤，王俊強(qiáng)，王海濤，趙 偉

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

0 前 言

城市地下綜合管廊( Urban Underground Comprehensive Pipe Corridors)，全稱“城市地下管道綜合走廊”，又稱綜合管溝或共同溝，是建設(shè)于城市道路地下空間的構(gòu)筑物，可容納包括常見(jiàn)的市政埋地管道以及電力電纜等各種管線的綜合構(gòu)筑物。隨著城市化進(jìn)程的加快、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市人口的聚集以及民生需求的增大，城市地下綜合管廊的發(fā)展非常迅猛。國(guó)內(nèi)第一條城市綜合管廊建設(shè)于1958 年天安門(mén)廣場(chǎng)下部，是為了避免管線開(kāi)挖影響廣場(chǎng)使用，全長(zhǎng)1 km[1]。自此之后，國(guó)內(nèi)許多城市開(kāi)建城市綜合管廊，已建成的地區(qū)包括上海、天津、廣州等。2015年4月，中央財(cái)政部與住建部共同確定了10個(gè)綜合管廊試點(diǎn)城市，2016年，繼續(xù)增加15個(gè)試點(diǎn)城市，根據(jù)國(guó)務(wù)院印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)城市地下綜合管廊建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》[國(guó)辦發(fā)〔2015〕61號(hào)]的相關(guān)要求，到2020年，建成一批具有國(guó)際先進(jìn)水平的地下綜合管廊并投入運(yùn)營(yíng)[2]，截至目前，國(guó)內(nèi)已建地下綜合管廊多達(dá)數(shù)十個(gè)[3]。綜合國(guó)內(nèi)外的建設(shè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，城市綜合管廊的地位得到廣泛地認(rèn)同，建設(shè)技術(shù)已較為成熟，建設(shè)規(guī)模也逐漸擴(kuò)大。通過(guò)建設(shè)地下綜合管廊可以實(shí)現(xiàn)城市基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)代化、城市資源運(yùn)輸集約化，地下空間達(dá)到合理開(kāi)發(fā)利用，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外的廣泛共識(shí)，在城市地下空間綜合開(kāi)發(fā)、整合規(guī)劃中建設(shè)綜合管廊已成為明顯趨勢(shì)[4]。

李自力等[5，6]、尚秦玉等[7]通過(guò)研究高壓輸電線對(duì)埋地管道的電磁干擾影響，發(fā)現(xiàn)管道上感應(yīng)電勢(shì)隨輸電線路運(yùn)行電流的增大而增大，兩者基本成線性正比關(guān)系，管道規(guī)格對(duì)感應(yīng)電勢(shì)影響不大。蔣俊[8]通過(guò)研究埋地管道受高壓線電磁干擾影響，發(fā)現(xiàn)交流線路正常運(yùn)行時(shí)，在平行敷設(shè)的油氣輸送管道上產(chǎn)生的對(duì)地電壓在平行段中點(diǎn)為0，在平行段中點(diǎn)至平行段端點(diǎn)間不斷增大并在平行段端點(diǎn)達(dá)最大值。王世偉等[9]、王帥華[10]研究表明高壓輸電線路會(huì)在帶絕緣涂層的金屬油氣管道上感應(yīng)出電壓和電流。郝宏娜等[11]提出了公共走廊中管道會(huì)受到臨近高壓線干擾造成管道發(fā)生交流干擾腐蝕的觀點(diǎn)，探討了交流干擾判斷準(zhǔn)則[12-14]以及埋地管道與高壓線的安全距離。而城市地下綜合管廊作為承載多種運(yùn)輸管線的綜合體，管廊中管線的安全問(wèn)題，一直是城市市政建設(shè)中的重點(diǎn)關(guān)鍵，也是城市運(yùn)行過(guò)程中重點(diǎn)進(jìn)行安全防范的對(duì)象。電磁干擾作為城市地下綜合管廊內(nèi)管線安全的最大影響因素之一，目前針對(duì)這方面的研究幾乎空白。本工作通過(guò)CDEGS專業(yè)分析軟件研究了入廊高壓輸電線對(duì)鋼制管道電磁干擾的影響因素和規(guī)律，以指導(dǎo)城市地下管廊的建設(shè)。

1 電磁干擾的機(jī)理

在綜合管廊內(nèi)，一條與交流高壓輸電線共享走廊的金屬管道將會(huì)被電力系統(tǒng)周圍的空氣和土壤中的電磁場(chǎng)激勵(lì)。這種交流干擾可能導(dǎo)致接觸這一管線或者與其相連的金屬結(jié)構(gòu)的人員有發(fā)生電擊事故的威脅，甚至是僅僅站在管線附近都有可能產(chǎn)生危險(xiǎn)，而且這種干擾可能會(huì)損壞管線的外殼、絕緣法蘭、整流閥、電子設(shè)備，甚至直接損壞管壁。

輸電線路與其附近的管線之間的低頻電磁干擾基本分為3類[15]：感應(yīng)、傳導(dǎo)和電容耦合，其干擾模型如圖1所示。導(dǎo)體中的感應(yīng)干擾是由于其他導(dǎo)體中的縱向電流感應(yīng)產(chǎn)生的，與感應(yīng)源中的電流基本平行，該干擾隨著導(dǎo)體間距和夾角的減小而增大，同時(shí)也會(huì)隨著土壤電阻系數(shù)減小和感應(yīng)源電流的增大、頻率的增大而增強(qiáng)。當(dāng)輸電線路出現(xiàn)單項(xiàng)接地故障時(shí)，故障設(shè)備以很大的電流對(duì)附近的土壤放電，導(dǎo)致故障點(diǎn)附近土壤電壓升高。如果管線的外壁有很高的電阻，那么管線將繼續(xù)保持一個(gè)相對(duì)較低的電壓。管線與土壤間的電壓差就是傳導(dǎo)干擾的表現(xiàn)。電容耦合干擾是由于帶電的輸電線路與其附近沒(méi)有良好接地的金屬導(dǎo)體之間存在電場(chǎng)梯度而產(chǎn)生的。電容耦合干擾對(duì)地下和接地的地上管線的影響與由于電壓引起的磁場(chǎng)干擾相比可以忽略不計(jì)。所以在城市地下綜合管廊內(nèi)管道主要受到感應(yīng)干擾的影響。

2 仿真模型的建立

在綜合管廊中，高壓輸電線與管道始終并行敷設(shè)，孟絮絮[15]通過(guò)對(duì)高壓交流及交直流并行輸電線路的電磁環(huán)境研究表明，當(dāng)并行敷設(shè)長(zhǎng)度大于2 km時(shí)，并行長(zhǎng)度對(duì)電磁干擾的影響趨于穩(wěn)定。所以本工作設(shè)計(jì)了一個(gè)并行長(zhǎng)度2 km的計(jì)算模型，管道與高壓輸電線位置如圖2所示。其中管道內(nèi)半徑為r1，外半徑為r2，防腐層為3PE，厚度3 mm，防腐層電阻率為105Ω·m2，管道的相對(duì)電阻率為10 Ω·m2，相對(duì)磁導(dǎo)率為300 μ0?？諝怆娮杪誓J(rèn)為1018Ω·m，土壤/混凝土電阻率默認(rèn)為100 Ω·m。管道與高壓輸電線的距離為dclose。

3 仿真計(jì)算方法與結(jié)果分析

3.1 仿真計(jì)算方法

CDEGS軟件(Current Distribution，Electromagnetic interference，Grounding and soil Structure Analysis)是加拿大SES安全工程技術(shù)公司基于矩量法開(kāi)發(fā)的電力系統(tǒng)電磁干擾仿真計(jì)算軟件包，能精確地分析包括接地、電磁場(chǎng)、電磁干擾以及陰極保護(hù)等一系列問(wèn)題。采用CDEGS中的HIFREQ模塊來(lái)計(jì)算廊內(nèi)高壓輸電線對(duì)鋼制管道電磁干擾的影響。由于在實(shí)際的城市地下綜合管廊中，高壓輸電線對(duì)管線的電磁干擾主要受到高壓輸電線的頻率、電壓以及管線的規(guī)格、管線與高壓輸電線間的距離等因素的影響，基于國(guó)內(nèi)高壓輸電線的頻率為恒定值50 Hz，所以只研究高壓輸電線電壓、管線的規(guī)格以及管線與高壓輸電線距離3個(gè)因素影響下，廊內(nèi)管線受到高壓輸電線電磁干擾的變化規(guī)律。

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

3.2.1 高壓輸電線電壓的變化對(duì)管道電磁干擾的影響

設(shè)定管道規(guī)格為φ219.0 mm×12.7 mm，即r1為96.8 mm，r2為109.5 mm，管道與交流輸電線之間的距離dclose為4.0 m， 高壓輸電線電壓為10，35，110，220，500 kV時(shí)，高壓輸電線在管道上的感應(yīng)電壓分布如圖3所示，感應(yīng)電流的分布如圖4所示。

從圖3、圖4可以看出，在不同的高壓輸電線電壓下，管道上均存在感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流。感應(yīng)電壓沿著管道先減小后增大，在管道1.05 km位置感應(yīng)電壓最小，兩端感應(yīng)電壓最大，呈V字形沿著管道分布。而感應(yīng)電流沿著管道流先增大后減小，在管道的1.05 km位置感應(yīng)電流最大，兩端感應(yīng)電流最小，呈拋物線形沿著管道分布。

圖5和圖6分別為不同高壓輸電線電壓下管道上的最大感應(yīng)電流和最大感應(yīng)電壓。由圖5可知，隨著高壓輸電線電壓的增大，管道上的最大感應(yīng)電壓逐漸增大，高壓輸電線電壓從10 kV增大至500 kV時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大感應(yīng)電壓從3.6 V增大到18.0 V。從圖6可知，隨著高壓輸電線電壓的增大，管道上的最大感應(yīng)電流也逐漸增大，高壓輸電線電壓從10 kV增大至500 kV時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大感應(yīng)電流從23 mA增大到112 mA。

3.2.2 管道與高壓輸電線之間的距離對(duì)管道電磁干擾的影響

設(shè)置管道規(guī)格為φ219.0 mm×12.7 mm，即r1為96.8 mm，r2為109.5 mm，高壓輸電線的電壓為10，110，220，500 kV，管道與交流輸電線之間的距離dclose為0.8，1.2，2.0，4.0，7.0，10.0，15.0 m時(shí)，管道上最大感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流的變化分別如圖7和圖8所示。從圖7和圖8可以看出，隨著距離的增大，最大感應(yīng)電壓和最大感應(yīng)電流逐漸減小。當(dāng)距離小于4.0 m時(shí)，曲線較陡，感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流對(duì)距離比較敏感；而當(dāng)距離大于4.0 m時(shí)，曲線變得比較平緩，感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流隨著距離的增大緩慢減小。

3.2.3 管道規(guī)格的變化對(duì)管道電磁干擾的影響

設(shè)置計(jì)算工況為高壓輸電線的電壓分別為10 kV和500 kV，管道與交流輸電線之間的距離為4.0 m，管道規(guī)格參數(shù)如表1所示，管道上最大感應(yīng)電壓和最大感應(yīng)電流的變化趨勢(shì)如圖9所示。從圖9可以看出，隨著管道規(guī)格的變化，最大感應(yīng)電壓和最大感應(yīng)電流基本不變。

表1 管道規(guī)格參數(shù)Table 1 Pipe specifications

3.2.4 土壤電阻率對(duì)管道電磁干擾的影響

設(shè)置計(jì)算工況為高壓輸電線的電壓為10 kV和500 kV，管道與交流輸電線之間的距離為4.0 m，管道規(guī)格為φ219.0 mm×12.7 mm時(shí)，管道上最大感應(yīng)電壓和最大感應(yīng)電流隨土壤電阻率的變化趨勢(shì)如圖10所示。從圖10可以看出，隨著土壤電阻率的增大，管道上最大感應(yīng)電壓逐漸增大，最大感應(yīng)電流先增大后維持穩(wěn)定。

3.2.5 防腐層電阻率對(duì)管道電磁干擾的影響

設(shè)置計(jì)算工況為高壓輸電線的電壓為10 kV和500 kV，管道與交流輸電線之間的距離為4.0 m，管道規(guī)格為φ219.0 mm×12.7 mm時(shí)，管道上最大感應(yīng)電壓和最大感應(yīng)電流隨防腐層電阻率的變化趨勢(shì)如圖11所示。從圖11可以看出，當(dāng)防腐層電阻率小于10 000 Ω·m2時(shí)，最大感應(yīng)電壓隨著土壤電阻率的增大逐漸增大，當(dāng)防腐層電阻率大于10 000 Ω·m2時(shí)，感應(yīng)電壓隨防腐層電阻率的增大趨于穩(wěn)定。最大感應(yīng)電流隨著防腐層電阻率的增大先快速減小，后緩慢減小。

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)高壓輸電線電壓為10，35，110，220，500 kV時(shí)，管道上均存在感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流。管道上最大感應(yīng)電壓、最大感應(yīng)電流均隨著高壓交流輸電線電壓的增大而增大，即高壓輸電線電壓越大，對(duì)管道的電磁干擾越強(qiáng)。

(2)隨著土壤電阻率的增大，管道上的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流均增大。管道上最大感應(yīng)電壓隨著土壤電阻率的增大逐漸增大，最大感應(yīng)電流隨著土壤電阻率先增大后維持穩(wěn)定。

(3)防腐層電阻率較小時(shí)，管道上的最大感應(yīng)電壓隨防腐層電阻率增大而增大，最大感應(yīng)電流隨防腐層電阻率的增大而快速減小，當(dāng)防腐層電阻率達(dá)到一定值時(shí)，管道上最大感應(yīng)電壓趨于穩(wěn)定，最大感應(yīng)電流緩慢減小。所以選擇高電阻率的防腐層可以抑制管道受電磁干擾的影響。

(4)管道上感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流隨著高壓交流輸電線與管道之間距離的增大而減小，但是減小速率先快后慢，即出現(xiàn)臨界距離，小于臨界距離時(shí)管道上感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流對(duì)于距離的變化比較敏感，大于臨界距離時(shí)，感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流隨著距離的變化趨于穩(wěn)定。掌握這一臨界距離對(duì)管廊設(shè)計(jì)和建設(shè)具有重要的工程指導(dǎo)意義，合理的設(shè)計(jì)管道與高壓輸電線之間的距離可以從根本上控制管道由于電磁干擾而造成的破壞。