高壓交流電纜對海底管道電磁干擾的計算分析

田念佩,梁守才,袁 洵,梁 毅,杜艷霞

(1.北京科技大學新材料技術研究院,北京 100083;2.遼河油田油氣集輸公司,盤錦 124010)

近年來,隨著我國海洋平臺的開發(fā)與應用,海底電纜也大規(guī)模進行敷設。由于地理位置限制,在實際設計與建設過程中,不可避免會出現海底電纜與海底管道長距離并行或多次交叉的情況,形成長距離的共用走廊帶,管道會受到來自電力系統(tǒng)的交流干擾[1-3]。目前,國內外已經發(fā)生了多起管道受到高壓交流電纜電磁干擾的案例。楊曉洪等[3]在西氣東輸管道晉豫段、安徽定遠段和陜京Ⅱ線石家莊段上測得最大管道交流電壓高達46 V,最大交流泄漏電流密度為22.2 mA/cm2,發(fā)現交流干擾源主要是110 kV和220 kV交流高壓輸電線路。WOLFGANG等[4]對美國現有輸氣管道超過10 300 km進行交流干擾風險等級評估,根據測量數據,有7個位置顯示出嚴重的交流腐蝕風險,其中最高交流電流密度為197 A/m2。莫冰玉等[5]研究了海西-塔拉線路烏蘭段公共走廊管道在 750 kV線路三相7%不平衡運行下的交流干擾情況,測得管地電位可達 140.7 V,正常運行時交流電流密度達到265.1 A/m2。交流干擾會加速管道的腐蝕,大大縮減管道的使用壽命[7|8],同時還會對工作人員造成電擊傷害,威脅人身安全。因此,開展高壓交流電纜對管道交流干擾腐蝕風險評估,并進行影響因素及干擾規(guī)律研究極為重要。

目前,國內外學者利用電磁干擾模擬軟件對交流高壓電纜對管道的交流干擾規(guī)律進行了一些研究[9-11]。呂智[11]通過建立埋地電纜與鄰近管道的電磁干擾模型,得出埋地電纜對管道的電磁干擾隨著并行間距的減小、并行長度的增加逐漸減小,最終趨于穩(wěn)定。李廣澤等[12]研究得出管道中感應電勢與高壓輸電線中運行電流成正比,管道與高壓輸電線交叉點的感應電勢最大,沿交叉點向兩側遞減,且隨著交叉角度增大,管道中的感應電勢逐漸降低,且降低趨勢漸趨平緩。梁毅等[13]構建了海底電纜對沉海油氣管道交流干擾的計算模型,研究得出隨著負載電流不平衡度和海底電纜外被層面電阻率的增大,管道的交流干擾電壓及交流電流密度均增大;當海底電纜由三相互連接地轉變成三相分別接地時,管道的最大交流干擾電壓增大了將近6倍。孟絮絮等[14]研究了特高壓交流輸電線路在不同管線位置對管道的干擾情況,得出隨著管道與線路中心距離增大,管道上最大感應電壓先增大再減小,且當距離為30 m時,達到最大值;管道上感應電壓隨著并行長度的增大而迅速增大,繼而緩慢減小,最終趨于穩(wěn)定,當并行長度在2 000 m左右時,管道感應電壓最大。目前,國內外學者的研究重點基本為陸地上高壓輸電線或電氣化鐵路等與管道并行情況下的干擾研究,關于海底電纜對海底管道的干擾研究較少,并且由于海底環(huán)境復雜,施工與維修困難,利用電磁干擾數值模擬軟件弄清海底管道受交流干擾的影響因素對于科學緩解交流干擾、確保管道的安全至關重要。

筆者基于實際工程參數建立了高壓交流電纜對海底管道的計算模型,利用CDEGS數值模擬計算技術探究了不同因素作用下海底電纜對海底管道電磁干擾的規(guī)律,以期為后續(xù)的海底電纜工程建設提供參考和借鑒。

1 計算模型建立與參數設計

基于現場案例參數,利用CDEGS軟件建立模型,開展高壓交流電纜對海底管道電磁干擾模擬計算分析。表1和表2分別為海底管道和環(huán)境的基礎參數。

表1 管道基本信息

表2 環(huán)境基本信息

海底電纜均采用三芯電纜,三相呈三角形排列。具體電纜結構如圖1所示, 將三相電纜分為纜芯、纜芯絕緣層、鉛套、鉛套絕緣層、鎧裝和外被層六部分。穩(wěn)態(tài)運行情況下,海纜1和海纜2負載電流分別為761 A和499 A,負載電流不平衡度為4%。電纜在兩端存在接地,接地形式為鉛套三相互聯接地及鎧裝接地,鉛套和鎧裝接入同一接地極。海底電纜埋設于海床下2 m位置。

圖1 海底電纜結構圖Fig.1 Structure diagram of submarine cable

按GB/T 50698-2011《埋地鋼制管道交流干擾防護技術標準》,采用交流電流密度對海底管道交流風險進行評估,交流電流密度公式見式(1)。

(1)

式中:J為管道破損點處交流電流密度,A/m2;V為管道交流干擾電壓,V;ρ為土壤電阻率,Ω·m;d為防腐層破損點等效直徑,按發(fā)生交流腐蝕最嚴重的情況,取0.011 3 m。

參考BS EN 15280-2015《應用于陰極保護埋地管道的交流腐蝕可能性評價》和BS ISO 18086-2019《金屬和合金的腐蝕交流腐蝕的測定防護等級》中交流干擾評估標準,采用如表3所示交流干擾風險評判指標。

表3 交流干擾程度的判斷指標

2 各因素對管道交流干擾的影響

根據管道、海纜及環(huán)境的基礎信息,利用CDEGS軟件構建了3種相對位置下海纜與海管的交流干擾計算模型,對管道遭受的交流干擾情況進行了模擬計算,分析了各因素對管道交流干擾的影響。

2.1 不同相對位置下,高壓交流電纜與海底管道并行長度的影響

綜合考慮了海纜與海管的相對位置及并行長度對海管交流干擾程度的影響規(guī)律,并行間距設為30 m,主要分為表4所示的3種情況。

表4 海纜與海管的相對位置及并行長度

2.1.1 情況1

當海纜與海管的并行間距為30 m時,保持海底電纜與管道兩端不變,改變中部并行長度,相對位置如表4中情況1所示,對管道所受干擾進行計算。海纜與管道并行長度分別設為0.5,1,5,10,20 km,對不同并行長度情況下的交流干擾風險進行計算。由圖2可見,當海纜與管道并行長度為0.5 km時,管道的最大交流干擾電壓為9.95×10-4V,最大交流電流密度為1.12 A/m2;當海纜與管道并行長度增至20 km時,管道的最大交流干擾電壓增至0.018 V,最大交流電流密度增至20.8 A/m2,約為并行長度為0.5 km時的18.6倍。由此可見,在情況1條件下,管道的最大交流電流密度隨著并行長度的增加而增大。

圖2 情況1條件下,并行長度對管道交流干擾程度的影響Fig.2 Impacts of parallel lengthe on the degree of AC interference in the pipeline under No.1 condition:(a) AC interference voltage; (b) AC current density

2.1.2 情況2

保持海纜與海管的并行間距為30 m,同時改變海底電纜與管道長度,相對位置如表4中情況2所示,對管道所受干擾影響進行計算,將海纜與管道并行長度分別設為0.5,1,5,10,20 km,對不同并行長度條件下的交流干擾風險進行計算。由圖3可見:當并行長度<10 km時,管道的最大交流電流密度隨著并行長度的增加而增大;當并行長度>10 km時,管道最大電流密度隨并行長度的增大而降低。

圖3 情況2條件下,并行長度對管道交流干擾程度的影響Fig.3 SImpacts of parallel lengthe on the degree of AC interference in the pipeline under No.2 condition:(a) AC interference voltage; (b) AC current density

2.1.3 情況3

保持海纜與海管的并行間距為30 m,且管道長度與位置保持不變,改變海纜長度,相對位置如表4中情況3所示,對管道所受干擾影響進行計算,管道長度為70 km,海纜與管道并行長度分別為0.5,1,5,10,20 km,對不同并行長度情況下的交流干擾風險進行計算。由圖4可見,當并行長度<5 km時,管道的最大交流電流密度隨并行長度的增大而升高;當并行長度>5 km時,管道的最大交流電流密度隨并行長度的增大而降低。

圖4 情況3條件下,并行長度對管道交流干擾程度的影響Fig.4 Impacts of parallel lengthe on the degree of AC interference in the pipeline under No.3 condition:(a) AC interference voltage; (b) AC current density

2.2 高壓交流電纜與海底管道間距的影響

保持海底電纜和管道相對位置不變(情況1),兩者間距分別為10,30,50,100,200 m,對不同間距情況下的交流干擾風險進行計算。由圖5可見,管道的交流干擾電壓和交流電流密度隨著海底電纜與管道間距的增大而減小,當海底電纜與管道的間距為10 m時,在管道與海纜并行的起點與終點位置出現交流干擾電壓與交流電流密度的峰值,分別為0.026 V和28.8 A/m2;當海底電纜與管道的間距為30 m時,最大交流干擾電壓為0.011 V,最大交流電流密度達到12.8 A/m2,交流腐蝕風險較低;當海底電纜與管道的間距增大到100 m時,管道最大交流電流密度低于2.61 A/m2,降低幅度約為90.9%。

圖5 海底電纜與管道的間距對管道交流干擾程度的影響Fig.5 Effects of distance between submarine cable and pipeline on AC interference degree of pipeline:(a) AC interference voltage; (b) AC current density

2.3 高壓交流電纜負載電流的影響

保持海底電纜和管道相對位置不變(情況1),海纜與海管間距為30 m,計算了海底電纜負載電流對海底管道交流干擾影響的規(guī)律。由圖6可見:隨著海底電纜負載電流的增大,海底管道的受干擾程度增大。當海纜的負載電流為499 A時,管道最大交流干擾電壓為0.007 4 V,最大交流電流密度為8.39 A/m2。當海纜的負載電流增大至761 A時,管道最大交流干擾電壓和交流電流密度分別增至0.011 V和12.8 A/m2,增長幅度為52.6 %。

圖6 負載電流下對管道交流干擾的影響Fig.6 Effects ofload currentson AC interference degree of pipeline:(a) AC interference voltage; (b) AC current density

2.4 高壓交流電纜負載電流不平衡度的影響

當海纜負載電流不平衡度為A相4%,即海纜ABC三相輸出電流分別為791.44 A、761 A和761 A時,各相實際負載電流的差異會使管道遭受不同程度的干擾。選用情況1相對位置,保持海纜與管道并行間距為30 m,分別選取海纜A相不平衡度為1%、2%和4%,探究不平衡度對管道交流干擾程度的影響。由圖7可見:隨著不平衡度的增大,交流干擾逐漸增大。當不平衡度為1%時,交流干擾電壓和交流電流密度分別為0.028 V和3.20 A/m2;當不平衡度增至4%時,交流干擾電壓增至0.011 V,交流電流密度增至12.8 A/m2。

圖7 負載電流不平衡度對管道交流干擾的影響Fig.7 Impacts load currents imbalance degre on AC interference of pipeline:(a) AC interference voltage;(b) AC current density

2.5 高壓交流電纜外被層面電阻率的影響

當海纜的外被層面電阻率發(fā)生變化時,管道受干擾程度也會發(fā)生變化。為了對比不同海纜外被層面電阻率的影響效果,分別選取外被層面電阻率為1 000,2 000,5 000,10 000,20 000 Ω·m2進行計算。由圖8可見:交流干擾電壓和交流電流密度均隨海纜外被層面電阻率的增大而增大,且在海纜兩處拐點處,管道受到的交流干擾最大。當海纜的外被層面電阻率為1 000 Ω·m2時,其峰值交流干擾電壓為5.82×10-4V,交流電流密度為0.66 A/m2。當海纜的外被層面電阻率升至20 000 Ω·m2時,其峰值交流干擾電壓為0.033 V,交流電流密度為37.2 A/m2。

圖8 海纜外被層面電阻率對管道交流干擾的影響Fig.8 Impacts of resistivity of submarine cable outer layer on AC interference of pipeline:(a) AC interference voltage; (b) AC current density

2.6 討論

目前,關于并行間距、并行長度、負載電流和負載電流不平衡度等因素對管道受干擾程度的影響機理可以從國內外學者的一些研究中找到,如齊磊等[15]提出了管道飽和平行長度的概念,隨著管道平行長度的增加,管道感性耦合電壓先逐漸增大,然后略有降低,并最終趨于穩(wěn)定。然而,海纜外被層面電阻率是海纜的特有因素,關于其對管道影響的具體原因及機理的研究,國內外鮮見報道。故筆者基于現場模型得到的參數,建立不同的模型,探究海底電纜外被層面電阻率增大對管道干擾影響的原因。

圖9為海底電纜簡化后兩端三相互聯接地的實際情況,簡化之后,海纜三相的三個鉛套與鎧裝連在同一個垂直接地極上,纜芯和鉛套的絕緣層電阻很大,近似絕緣,外被層非絕緣,鎧裝中流動的電流可通過外被層泄漏到外界環(huán)境中。

圖9 三相海底電纜接地簡化模型圖Fig.9 Simplified model of three-phase submarine cable grounding

海底電纜主要通過電阻耦合和電感耦合兩種方式在管道上耦合出交流電壓,從而對管道造成交流干擾。如圖10和11所示:當海纜中的纜芯流動電流時,會在海纜中同相相鄰的護套和鎧裝層上感應出反方向電流,而護套上流動的電流經過三相抵消后同樣在鎧裝上感應出反向電流,鎧裝層上的電流經過一部分抵消后會在鎧裝中流動,在流動的過程中會在附近的管道處產生感應,從而對管道產生干擾,這個過程即為感性作用。同時由于鎧裝連接垂直接地極,且垂直接地極的電阻很小,因此在鎧裝上流動的電流會在接地處流出很大一部分,這部分電流在接地極處類似于一個點電場對外散發(fā)電流,從而對管道產生阻性干擾。

圖10 海底電纜對管道電感耦合示意圖Fig.10 Schematic diagram of inductive coupling of submarine cable to pipeline

圖11 海底電纜對管道電阻耦合示意圖Fig.11 Schematic diagram of resistance coupling of submarine cable to pipeline

通過建立簡單模型,探究海纜外被層發(fā)生變化時對管道的干擾影響情況,取其中一段與接地相連的海纜作為觀察對象,獲得其A相纜芯、護套、鎧裝及接地的相關數據,如下表5所示,流入電流代表在海纜各層中實時流動的電流。由表5可見,隨著海纜外被層面電阻率增大,控制輸入海纜內部的纜芯電流保持不變,其在鉛套層上感應的電流大小相同,各層中的參數僅有鎧裝層和接地處的電流有變化,鎧裝層上流動的電流隨著外被層面電阻率的增大而降低,接地處的電流增大。同時,接地中流入電流大于鎧裝中流入電流,說明阻性耦合占主導作用。外被層面電阻率增大時,在鎧裝上流動的電流由于通過外被層向外泄漏困難,因此更多的電流會通過接地處流向環(huán)境,使得接地處的流入電流會增大,對周邊管道的阻性作用增強,管道受干擾程度增大。

表5 三相海底電纜A相各層結構流入電流數據

3 結 論

(1) 不同相對位置條件下,高壓交流電纜與海底管道并行長度對管道交流干擾的影響不同,在情況1條件下,管道的最大交流電流密度隨著并行長度的增加而增大;在情況2和情況3條件下,管道的感應電壓和電流密度先隨著并行長度的增大而增大,繼而緩慢減小。

(2) 海底電纜與管道的間距對管道的交流干擾影響較大,管道交流干擾電壓和交流電流密度隨著海底電纜與管道間距的增大而減小。

(3) 海底電纜對管道交流干擾影響隨著負載電流的增大而增大。當海纜的激勵由499 A增大到761 A,管道的交流干擾程度增大,最大交流電流密度從8.39 A/m2增大到12.8 A/m2,增長幅度為52.6 %。

(4) 隨著負載電流不平衡度的增大,管道交流干擾電壓和交流電流密度均隨之增加。當海纜的A相不平衡度由1%增大到4%時,最大交流電流密度從3.20 A/m2增大到12.8A/m2。

(5) 隨海纜外被層面電阻率的增大,管道所受交流干擾電壓和交流電流密度增大,這主要是由于外被層面電阻率增加,海底電纜阻性耦合作用增強,最終管道上產生的干擾電壓增大。