劉 英， 劉 明， 曹曉瓏， 趙 瑞， 韓曉鵬， 張曉穎

(1.西安交通大學，西安710049;2.北京電力經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京100055)

0 引言

近年來，電力線路的電壓等級和傳輸容量不斷提高，所產(chǎn)生的電磁場對周圍環(huán)境及生物的影響日益引起廣泛關(guān)注。其中，架空線路的電磁場問題首先被提出并獲得大量研究，而關(guān)于地下電纜線路的電磁場影響還較少被涉及［1-5］。

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展、能源需求增加以及城市化進程加快，電力電纜線路和輸油輸氣管道的建設(shè)都在飛速發(fā)展。由于我國人口密度大、土地資源緊張，電纜線路和油氣管道在路徑規(guī)劃中往往距離較近，甚至共用走廊。這種情況下，電纜線路與油氣管道平行接近或者交叉跨越將不可避免，這使得電纜線路對油氣金屬管道的電磁影響日益突出。為了保障運行維護人員的人身安全，降低管道的交流腐蝕，確保管道絕緣層和陰極保護設(shè)備的可靠壽命，在工程設(shè)計時必須將這種影響控制在允許范圍以內(nèi)［6-7］。

交流電纜線路對鄰近金屬管道的磁感應(yīng)影響，主要表現(xiàn)為管道上的磁感應(yīng)縱向電動勢，即感應(yīng)電壓，較大的感應(yīng)電壓會危及管道和人員的安全。因此，必須對鄰近交流電纜線路敷設(shè)的金屬管道上的磁感應(yīng)電壓大小進行評估。

本文以ANSYS有限元仿真軟件為工具，對與交流電纜線路平行敷設(shè)的金屬管道上的磁感應(yīng)電壓進行數(shù)值求解。論文建立了金屬管道上磁感應(yīng)電壓的數(shù)值計算模型，詳細討論了不同敷設(shè)條件及參數(shù)對感應(yīng)電壓的影響，并比較了兩種屏蔽結(jié)構(gòu)的作用效果。

1 計算模型的建立

1.1 基本假設(shè)

假設(shè)交流電纜線路為無限長的平行直線，磁場計算的目標場遠離電纜終端。金屬管道與電纜線路鄰近、平行敷設(shè)。因此，本文所討論的電磁感應(yīng)計算可以看作是二維的平行平面場問題，計算平面垂直于電纜軸心。三相交流電纜線路中的電流相互平衡，頻率為50 Hz。

1.2 計算方法

感應(yīng)電壓的計算基于電磁感應(yīng)基本定律，如下所示:

式中，u為磁感應(yīng)電動勢為磁感應(yīng)強度;S為閉合回路所界定的面積。

引入磁矢位矢量A，并利用經(jīng)典的Kelvin-Stokes定理將式(1)變形為:

式中 為磁矢位;l閉合回路的邊界。

感應(yīng)電動勢在工頻磁場中是一個隨時間變化的量，研究時以感應(yīng)電動勢的最大值作為電纜線路對金屬管道磁感應(yīng)影響的評價依據(jù)。

在簡化的二維磁場分析計算中，磁矢位的積分路徑如圖1所示。單位長度(1 m)金屬管道上的磁感應(yīng)電壓用式(3)計算:

式中，ω為角頻率;Re代表磁矢位的實部;Im代表磁矢位的虛部。

圖1 磁矢位積分路徑示意圖

1.3 電纜及管道的位置

電纜隧道橫斷面為2.6 m×2.9 m，其中敷設(shè)的電纜包括:頂部110 kV-XLPE-1×800 mm2，載流量500 A;中部 220 kV-XLPE-1 ×1 000 mm2，載流量600 A;底部 220 kV-XLPE-1 ×2 500 mm2，載流量1 000 A。隧道壁為鋼筋混凝土，采用雙層磁性鋼筋結(jié)構(gòu)。金屬管道敷設(shè)在靠近電纜隧道底部的左側(cè)土壤中，與隧道內(nèi)壁的距離為d。電纜與管道的分布狀況如圖2所示。

圖2 電纜和管道位置示意圖

2 感應(yīng)電壓的影響因素

鄰近交流電纜線路敷設(shè)的金屬管道上磁感應(yīng)電壓的影響因素較多，包括:電纜和管道的距離及相對位置;電纜的回路數(shù)、敷設(shè)方式和載流量;管道的材料屬性和尺寸大小;其他。

各因素的影響程度不同，不能依靠解析公式進行討論，但可利用數(shù)值算法給出合理的工程數(shù)值解。下面就將分析不同因素對金屬管道上磁感應(yīng)電壓的影響。

2.1 電纜和管道的距離

圖3給出了電纜線路敷設(shè)在隧道中及直埋于土壤中時在鄰近的磁性金屬管道上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U隨兩者之間距離d的變化規(guī)律。兩種敷設(shè)情況下電纜的數(shù)量、型式、排列方式、負載電流等完全相同，以考察電纜隧道對磁場的屏蔽作用。

如圖3所示，磁性金屬管道上的感應(yīng)電壓隨距離的增大而減小。距離較小時，電壓下降快，從1.5 m到2.5 m，電壓約降低了50%;隨距離增大，電壓的下降速度逐漸減慢。此外，圖3還顯示隧道壁的鋼筋結(jié)構(gòu)對隧道內(nèi)電纜線路產(chǎn)生的磁場有一定的屏蔽作用，從而使外部管道上的感應(yīng)電壓減小。

圖3 距離對感應(yīng)電壓的影響

2.2 管道的磁性

金屬管道位于電纜線路所產(chǎn)生的交變電磁場當中，當管道材料的磁性不同時，其上的感應(yīng)電壓將會有很大差別，分兩種典型情況進行討論，即磁性和非磁性管道。對磁性管道，其相對磁導(dǎo)率取值為μr=700;而對非磁性管道，相對磁導(dǎo)率μr=1.003。電纜線路敷設(shè)于隧道中。隨距離d不同時，磁性和非磁性管道上的感應(yīng)電壓U如圖4所示。

圖4 管道的磁性對感應(yīng)電壓的影響

由圖4可見，相同條件下磁性管道上的感應(yīng)電壓顯著大于非磁性管道。

另外，當磁性和非磁性管道在其各自的磁導(dǎo)率范圍內(nèi)變化時，感應(yīng)電壓的相對變化率如表1所示，其中，磁性管道以μr=700為基準，而非磁性管道以μr=1.003為基準。

表1 管道感應(yīng)電壓與相對磁導(dǎo)率的關(guān)系

由表1可見，感應(yīng)電壓隨磁導(dǎo)率的增加而增大。對磁性管道，當磁導(dǎo)率由500增加到1 300，其上的感應(yīng)電壓增大了2.1%;而對非磁性管道，磁導(dǎo)率由1.003增加到1.11，感應(yīng)電壓增大0.5%。

2.3 管道的電阻率

研究發(fā)現(xiàn)，管道材料的電阻率對感應(yīng)電壓沒有影響。

2.4 管道的半徑

當電纜線路分別為隧道中敷設(shè)和土壤中直埋時，在確定的相對距離d下，磁性金屬管道上的感應(yīng)電壓U隨管道半徑r的變化如圖5所示。

由圖5可見，感應(yīng)電壓隨磁性管道半徑的增大而線性增加。研究表明，對于非磁性管道，此規(guī)律同樣適用。

2.5 管壁的厚度

電纜線路隧道敷設(shè)，磁性金屬管道，改變管壁厚度t時，感應(yīng)電壓的相對變化率如表2所示。

圖5 管道半徑對感應(yīng)電壓的影響

由表2可見，對于磁性管道，在給定的厚度變化范圍內(nèi)，感應(yīng)電壓隨厚度的增大而增大。但是，研究發(fā)現(xiàn)，對于非磁性管道，在相同的管壁厚度取值范圍內(nèi)，感應(yīng)電壓并無明顯變化。

表2 金屬管道的感應(yīng)電壓與管壁厚度的關(guān)系

2.6 電纜的載流量

電纜線路的載流量會直接影響周圍的電磁感應(yīng)強度，從而改變管道上的磁感應(yīng)電壓。下面對此展開研究。

電纜線路敷設(shè)于隧道中，首先改變與管道距離較近的220 kV大截面電纜的載流量I1。在不同的相對距離d下，獲得磁性金屬管道上感應(yīng)電壓U隨載流量I1的變化規(guī)律，如圖6所示。

圖6 感應(yīng)電壓隨220 kV大截面電纜載流量及距離的變化

由圖6可見，磁性管道上的感應(yīng)電壓和220 kV大截面電纜的載流量成正比，并且隨著相對距離增大，電纜載流量對感應(yīng)電壓的影響逐漸減弱。當距離d=1.5 m時，載流量I1每增大100 A，感應(yīng)電壓增大約10%。

220 kV小截面電纜以及110 kV電纜的載流量I2和I3對管道感應(yīng)電壓的影響規(guī)律同I1基本相同，只是由于載流量依次減小，而與管道之間的距離依次增大，三者對管道上感應(yīng)電壓的影響逐次減弱。距離d=1.5 m時，I2和I3每增大100 A，感應(yīng)電壓分別增大約2.3%和0.5%。

3 屏蔽措施

要減小管道上的感應(yīng)電壓，必須引入恰當?shù)钠帘未胧Ｔ陔娎|線路和金屬管道之間放入一塊磁性的金屬板，討論平板形狀和位置對其屏敲效果的影響?！癌А毙桶鍨橐粔K薄平板，“┓”型板為兩塊薄平板組合而成，為便于區(qū)分，按照其形狀分別命名為“┃”型板和“┓”型板。

3.1 “┃”型板的位置對感應(yīng)電壓的影響

電纜線路土壤中直埋敷設(shè)，與金屬管道之間的距離為d=1.5 m，在兩者之間豎直放置一塊“┃”型磁性金屬板。當平板位于電纜和管道之間的不同位置時，管道上的感應(yīng)電壓在表3中列出，其中x為平板到管道中心的距離?？梢钥闯?，在不同位置的金屬平板對電纜線路的磁場屏蔽作用不同，當“┃”型平板放置在管道附近或靠近電纜線路時，屏蔽效果較好。

表3 “┃”型板的位置對感應(yīng)電壓的影響

3.2 “┃”型和“┓”型板的屏蔽效果比較

兩種板除結(jié)構(gòu)上的差異外其余完全相同。研究發(fā)現(xiàn)，兩者的加入都可以有效屏蔽電纜線路產(chǎn)生的磁場，從而大大降低金屬管道上的感應(yīng)電壓。引入“┃”型板后，感應(yīng)電壓比之前降低了42%;而“┓”型板使電壓降低了46%。相同位置和材料屬性下，“┓”型板的屏蔽效果優(yōu)于“┃”型。

4 結(jié)論

本文通過理論建模和數(shù)值計算，評估高壓交流電纜線路對鄰近金屬管道的磁感應(yīng)影響，并采用參數(shù)化研究來比較各因素的作用，得到結(jié)論如下:

(1)與電纜線路之間的距離減小，電纜載流量增大，管道的半徑、壁厚、磁導(dǎo)率增加，都將導(dǎo)致金屬管道上的感應(yīng)電壓增大;管道材料的電阻率對感應(yīng)電壓沒有影響。各因素中，距離和材料磁性對電磁感應(yīng)電壓的影響最大。

(2)電纜隧道壁中的鋼筋結(jié)構(gòu)對電纜線路的工頻磁場有一定的屏蔽作用。

(3)金屬板對磁場的屏蔽作用與其厚度、結(jié)構(gòu)、位置有關(guān)，靠近管道放置“┓”型板具有較好的屏蔽效果。

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