高壓交流輸電線路對(duì)金屬管道干擾規(guī)律研究

隨著我國(guó)對(duì)能源需求的增長(zhǎng)及能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，長(zhǎng)距離油氣輸送管道鋪設(shè)和高壓輸電線路架設(shè)都處于快速發(fā)展階段，在二者選址建設(shè)時(shí)都依據(jù)“路權(quán)擇優(yōu)”原則，因此“公共走廊”出現(xiàn)的地方越來(lái)越多，輸電線路對(duì)埋地油氣管道的干擾影響不容忽視，特別是最近特高壓輸電線路的廣泛普及。

高壓輸電線路會(huì)對(duì)周圍油氣管道產(chǎn)生電阻耦合、電容耦合及電感耦合，其中電感耦合最為嚴(yán)重。當(dāng)管道上的感應(yīng)電壓超過(guò)一定范圍時(shí)，不僅會(huì)影響到管道人員的安全，同時(shí)還會(huì)使得管道產(chǎn)生交流腐蝕，甚至破壞管道陰極保護(hù)系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)對(duì)金屬管道與高壓輸電線路平行時(shí)所受干擾研究較多，而對(duì)管道與輸電線路交越的情況研究較少，而實(shí)際工程中大量存在的是二者交越的情況 。當(dāng)管道與輸電線路平行時(shí)，可以通過(guò)“管道—大地回路模型”進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)管道與輸電線路交越時(shí)，可以將交越段等效為平行段長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算。

本文通過(guò)搭建三相交流高壓輸電線路與埋地金屬管道不同的位置關(guān)系，并根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定管道與輸電線路平行時(shí)的安全距離及交越時(shí)管道上產(chǎn)生的最大感應(yīng)電壓，供工程設(shè)計(jì)、施工參考。

管道交流干擾判斷標(biāo)準(zhǔn)

管道受到的交流干擾電壓從人員安全角度考慮，可以分為三個(gè)等級(jí)：15V、33V和60V，美國(guó)將管道干擾電壓等級(jí)設(shè)置為15V，從而滿足NACE RP 0177-1995標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定。在GB/T 21447-2008《鋼制管道外腐蝕控制規(guī)程》和SY/T 0032-2000《鋼制管道交流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中，根據(jù)管道所處土壤的不同環(huán)境確定了其所受干擾電壓的限值：6V（酸性土壤）、8V（中性土壤）、10V（堿性土壤），但是需要明確的是上面兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在制定時(shí)，管道防腐涂層大多數(shù)為石油瀝青，現(xiàn)在普遍采用絕緣性更好的3PE材質(zhì)，因此有專家學(xué)者建議標(biāo)準(zhǔn)放寬至15V。在歐洲，為了保證埋地管道不受交流干擾電壓腐蝕，CEN/TS 15280-2006標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：當(dāng)土壤電阻率大于25?·m時(shí)，管道交流干擾電壓不應(yīng)大于10V；當(dāng)土壤電阻率小于25?·m時(shí)，管道交流干擾電壓不應(yīng)大于4V。在GB/T 50698-2011《埋地鋼制管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，當(dāng)管道上的交流干擾電壓不高于4V時(shí)，可不采取交流干擾防護(hù)措施；高于4V時(shí)，應(yīng)采用交流電流密度進(jìn)行評(píng)估。

參數(shù)的選擇及模型的建立

本論文中主要的建立兩個(gè)模型：管道與高壓輸電線平行、管道與高壓輸電線交越，模型的位置關(guān)系如圖1和圖2所示。

圖1　管道與高壓輸電線平行位置關(guān)系示意圖

模型中，三相輸電線路和屏蔽線在x軸方向?yàn)闊o(wú)限長(zhǎng)，輸電線、屏蔽線及埋地金屬管道的相關(guān)參數(shù)如表1、表2和表3所示。影響管道交流干擾電壓大小的因素有很多，例如：輸電線穩(wěn)態(tài)電流大小、管道與輸電線平行長(zhǎng)度、管道與輸電線中心水平距離、管道與輸電線交越角度、土壤電阻率、管道防腐層電阻率、輸電線高度、埋地深度等，因此模型比較復(fù)雜，但通過(guò)資料可以知道，影響管道干擾電壓的主要因素有：輸電線穩(wěn)態(tài)電流、管道與輸電線平行長(zhǎng)度、管道與輸電線交叉角度、交叉距離等。本文依據(jù)GBT 50698-2011《埋地鋼制管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，限制管道干擾電壓不超過(guò)4V，通過(guò)CDEGS仿真軟件，模擬管道與輸電線路平行時(shí)，不同情況下管道距離輸電線路的安全距離，以及交越時(shí)管道上產(chǎn)生的最大感應(yīng)電壓。

圖2　管道與高壓輸電線交越位置關(guān)系示意圖

表1　輸電線相關(guān)參數(shù)

表2　屏蔽線相關(guān)參數(shù)

表3　金屬管道相關(guān)參數(shù)

仿真結(jié)果及分析

管道與輸電線路平行

當(dāng)埋地金屬管道與輸電線路平行時(shí)，利用CEDGS軟件進(jìn)行仿真，當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，輸電線路穩(wěn)態(tài)電流分別為500A、1000A、1500A、2000A，管道與輸電線路平行長(zhǎng)度分別為100m、200m、300m、500m、700m、1000m、1200m、1500m、2000m、2300m、2500m、3000m、3500m、4000m、4500m、5000m、6000m。當(dāng)管道距輸電線路的水平距離越大，管道上所受到的干擾電壓越小，通過(guò)設(shè)置管道與輸電線路之間不同的水平距離，保證平行段管道上的最大交流干擾電壓為4V時(shí)，得到最短水平距離（即安全距離），例如當(dāng)輸電線路穩(wěn)態(tài)電流為1000A、平行長(zhǎng)度為1200m時(shí)，為了保證管道上最大干擾電壓為4V，最短水平距離應(yīng)為280m，仿真結(jié)果如圖3所示，出現(xiàn)圖3所示的電壓分布情況是因?yàn)楫?dāng)管道與輸電線路平行時(shí)，由于管道兩邊對(duì)稱分布，使得管道平行段中間干擾電壓最小為0，兩端干擾電壓最大。全部仿真結(jié)果如圖4所示 。

從仿真結(jié)果4可以看出，隨著管道與輸電線路平行長(zhǎng)度的增加，輸電線不同電流情況下，水平距離變化趨勢(shì)相同。當(dāng)輸電線路穩(wěn)態(tài)電流升高時(shí)，最短水平距離不斷增大；輸電線穩(wěn)態(tài)電流相同，當(dāng)平行長(zhǎng)度在100m～2300m范圍增加時(shí)，最短水平距離逐漸增加，但是當(dāng)平行長(zhǎng)度超過(guò)2300m時(shí)，最短水平距離不但沒(méi)有增加，反而呈現(xiàn)略微減小的趨勢(shì)，最后趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)殡S著管道與輸電線路并行長(zhǎng)度的增加，管道沿線縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增加，從而使得管道兩端電壓升高，同時(shí)，由于管道外雖然有涂有防腐層，但隨著管道并行長(zhǎng)度的增加，管道上總的泄漏電阻變小，導(dǎo)致感應(yīng)電壓有所下降，兩方面原因同時(shí)作用使得管道與輸電線路平行長(zhǎng)度達(dá)到一定值之后，管道上最大感應(yīng)電壓基本保持不變。

圖3　電流1000A、平行長(zhǎng)度1200m時(shí)，最短水平距離280m仿真結(jié)果

圖4　不同平行長(zhǎng)度及電流值時(shí)，最短水平距離

管道小角度變大角度與輸電線交越

管道與高壓輸電線路在實(shí)際交越時(shí)，通常將所成小角度改變?yōu)榇蠼嵌戎筮M(jìn)行交越，從而減輕管道所受干擾程度，其位置示意圖如圖5所示。

為了方便計(jì)算，同樣設(shè)置管道與輸電線交越兩側(cè)對(duì)稱。由于輸電線穩(wěn)態(tài)電流越大，對(duì)管道的交流干擾越大，為了保證埋地金屬管道處于安全狀態(tài)，我們?cè)诶肅DEGS仿真軟件仿真時(shí)，將輸電線路穩(wěn)態(tài)電流設(shè)置為最大值2000A。在模型中當(dāng)其他條件不變時(shí)，隨著L1的增加，管道上最大感應(yīng)電壓逐漸增大，但當(dāng)L1超過(guò)1500m時(shí)，管道最大感應(yīng)電壓基本保持不變，因此我們?cè)诠艿琅c輸電線路交越的模型中設(shè)定L1為固定值2000m。例如輸電線穩(wěn)定電流1000A、α1為30°、α2為60°、L2為600米，改變L1對(duì)管道最大感應(yīng)電壓的影響如下圖6所示。

其余參數(shù)：α1分別為0°、10°、20°、30°；α2分別為60°、70°、80°；L2分別為：200m、300m、500m、800m、1000m、1500m、2000m、3000m。不同交越角度和交越長(zhǎng)度時(shí)，管道上的最大感應(yīng)電壓如下圖7所示。

從仿真結(jié)果圖7可以看出，相同情況下交越大角度α2越大，管道交流干擾電壓越小；交越前小角度α1越小，管道交流干擾電壓越大，因?yàn)棣?越小，交越兩端延伸段越近似與輸電線平行，α1最小為0°，即交越兩端延伸段與輸電線路平行。隨著交越長(zhǎng)度在200m～1500m范圍內(nèi)增加，管道感應(yīng)電壓最大值迅速降低，這是因?yàn)榻辉介L(zhǎng)度的增加，使得交越段兩側(cè)延伸段離輸電線路的距離越來(lái)越遠(yuǎn)；但是當(dāng)交越長(zhǎng)度大于2000m之后，管道最大交流干擾電壓值變化不大，因?yàn)榻辉介L(zhǎng)度足夠長(zhǎng)時(shí)，交越段兩側(cè)延伸段管道距離輸電線路足夠遠(yuǎn)，產(chǎn)生的交流干擾電壓值較小。

圖5　管道與高壓輸電線小角度變大角度交越位置關(guān)系示意圖

圖6　L1對(duì)管道最大感應(yīng)電壓的影響

圖7　不同交越情況下管道最大感應(yīng)電壓

結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)模擬金屬管道與輸電線路平行位置關(guān)系，根據(jù)管道干擾電壓不超過(guò)4V為標(biāo)準(zhǔn)，確定不同情況下管道與輸電線路應(yīng)該滿足的最小水平距離；當(dāng)金屬管道與輸電線路交越時(shí)，確定不同參數(shù)對(duì)管道最大干擾電壓產(chǎn)生的影響。通過(guò)模擬仿真，得出以下結(jié)論。

（1）當(dāng)管道與輸電線路平行時(shí)，隨著平行長(zhǎng)度的增加，管道干擾電壓整體上呈現(xiàn)先增大后略微減小，最后趨于穩(wěn)定，因此工程上應(yīng)該盡量避免管道與輸電線路的長(zhǎng)距離平行狀態(tài)，不能避免二者平行位置關(guān)系，則要保證二者之間的水平距離，具體數(shù)值可以參考圖4。

（2）當(dāng)管道與輸電線路交越時(shí)，其他條件不變，交越端延伸段在300～1500m范圍增加時(shí)，管道最大感應(yīng)電壓逐漸增大，但是當(dāng)增加到1500m之后，管道的最大感應(yīng)電壓值趨于穩(wěn)定；交越長(zhǎng)度200m～1500m范圍內(nèi)增加，管道感應(yīng)電壓最大值迅速降低，但當(dāng)交越長(zhǎng)度超過(guò)2000m之后，管道上的最大感應(yīng)電壓值也趨于穩(wěn)定。

（3）當(dāng)管道與輸電線路交越時(shí)，交越大角度α2越大，管道上產(chǎn)生的最大感應(yīng)電壓越小；交越前小角度α1越小，管道上產(chǎn)生的最大感應(yīng)電壓越大。

（4）從模擬管道與輸電線交越的這幾種情況來(lái)看，交越長(zhǎng)度達(dá)到1500m、交越大角度α2達(dá)到70°或者交越長(zhǎng)度達(dá)到800m、交越大角度α2達(dá)到80°，管道上最大感應(yīng)電壓基本可以滿足不超過(guò)4V規(guī)定，具體數(shù)值如圖7所示。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.18.019