莫冰玉，周尚虎，韓夢(mèng)龍，郭冠軍，楊雅萍

(國(guó)網(wǎng)青海省電力公司電力科學(xué)研究院，青海 西寧 810008)

0 引言

研究電力-油氣能源輸送走廊內(nèi)的電磁干擾問題及其防護(hù)措施，對(duì)于控制工程投資、保障電力和油氣輸送系統(tǒng)的安全運(yùn)行意義重大。輸電線路穩(wěn)態(tài)正常運(yùn)行時(shí)，相線上流過的大電流以電磁場(chǎng)耦合的方式在管道上產(chǎn)生感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)，由于三相相線在空間位置上與管道的距離不同，管道上感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)無法互相抵消，引起金屬管壁的對(duì)地電壓上升。一方面，當(dāng)感應(yīng)電壓超出限值時(shí)可對(duì)維護(hù)和測(cè)試工作人員造成電擊危害；另一方面，交流感應(yīng)電流經(jīng)管道涂層缺陷處流入大地，造成電化學(xué)腐蝕。因此，對(duì)輸電線路與埋地管道之間的電磁耦合問題進(jìn)行系統(tǒng)性的計(jì)算分析，并采取合理的防護(hù)措施將電磁影響控制在限值內(nèi)，不僅可保障管道工作人員的人身安全及管道以及其相關(guān)設(shè)施的安全，減小管道腐蝕，對(duì)于控制工程質(zhì)量、投資與效益，推進(jìn)能源輸送工程的規(guī)劃與建設(shè)具有指導(dǎo)意義。

1 電磁影響機(jī)理與計(jì)算方法

1.1 電磁影響機(jī)理

輸電線路流過的交變電流在空間中產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，在鄰近的地面或埋地的金屬管道與大地環(huán)路上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種情況下的電磁耦合分析包括兩個(gè)過程：一是線路以電感耦合方式作用在管道上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；二是管道在這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)激勵(lì)下各節(jié)點(diǎn)的電壓和各環(huán)路的電流分布。

輸電線路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，管道主要受電感耦合和電容耦合影響，對(duì)于埋地管道而言，大地對(duì)電場(chǎng)具有良好的屏蔽作用，此時(shí)可忽略電容耦合的影響。輸電線路的導(dǎo)線中流過電流，在附近空間中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，當(dāng)線路與管道并行時(shí)，以電磁感應(yīng)的方式在管道-大地環(huán)路上產(chǎn)生感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)，即電感耦合。如果線路三相在空間上與管道平行且距離相同，且三相電流幅值相等時(shí)，各相在管道金屬上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)互相抵消，此時(shí)管道所受干擾為零。但在工程實(shí)際中，三相輸電線路系統(tǒng)中存在零序電流，且各相導(dǎo)線和管道的相對(duì)距離不相等，電感耦合無法避免。

1.2 電感耦合

圖1 干擾源線與感應(yīng)線的電感耦合

麥克斯韋第二方程沿閉合環(huán)路Гind的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

(1)

(1)對(duì)應(yīng)的相量形式為：

(2)

將干擾源線劃分為ns個(gè)線段，感應(yīng)線劃分為nind個(gè)線段。第m段感應(yīng)線上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分量為：

(3)

式中：ω=2πf為信號(hào)角頻率。

設(shè)第k分段干擾源線中流過電流Isk，媒介磁導(dǎo)率為μ，沿源線的路徑Cs積分可得每一段干擾源線的磁矢勢(shì)和為〔1〕：

(4)

(3)代入公式(2)后，lm段感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)可由以下公式計(jì)算：

(5)

在上述公式中，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的解為干擾源線與感應(yīng)線法線方向的變量的叉乘，適用于空間中任意位置和任意長(zhǎng)度的導(dǎo)體。

1.3 感應(yīng)電壓電流

為計(jì)算感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)作用下埋地管道的感應(yīng)電壓電流分布，此處建立了基于傳輸線理論的管道分布參數(shù)等效電路，如圖2所示。

圖2 管-地回路的等效電路

關(guān)于管道沿線電壓電流的計(jì)算如公式(6)、(7)所示：

(6)

(7)

式中：Z為單位長(zhǎng)度阻抗；Y為并聯(lián)導(dǎo)納；E為單位長(zhǎng)度管道上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

輸電線路在單位長(zhǎng)度管道上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不變：

U(x)=Aeyx+Be-yx

(8)

(9)

其中：

(10)

(11)

式中：Zc為管道特性阻抗；γ為電磁波在管道的傳播系數(shù)；α為電磁波在管道傳播的衰減常數(shù)，β為電磁波在管道傳播的相位常數(shù)。

對(duì)于實(shí)際工程問題，可根據(jù)輸電線路與管道的路徑分段，對(duì)于每一段管道建立管道-大地環(huán)路微元，分別計(jì)算出管道每一微元環(huán)路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、串聯(lián)阻抗和并聯(lián)導(dǎo)納參數(shù)，得到管道各個(gè)節(jié)點(diǎn)的感應(yīng)電壓。

2 工程實(shí)例分析

2.1 750 kV青南-西寧Ⅱ回線路與澀寧蘭埋地輸氣管道概況

750 kV青南-西寧Ⅱ回線路工程按照750 kV設(shè)計(jì)架設(shè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)、收資情況，對(duì)線路總體走徑構(gòu)成1個(gè)重要控制點(diǎn)：本工程在共和縣、湟源縣、貴德縣境內(nèi)平行于澀寧蘭天然氣管道，共用走廊近20 km，并交叉跨越2次，平行段線路與管道的距離為0.2～4 km。

線路與管道并行區(qū)，海拔介于2 900～3 600 m之間，地質(zhì)包括漫灘礫砂、細(xì)砂、含礫粉土等，土壤電阻率分布不均勻，大多在20～500 Ω·m之間。地下水位一般大于20 m，暫不考慮地下水位對(duì)地基基礎(chǔ)的影響。

單回塔的導(dǎo)線截面和桿塔示意圖如圖3所示，圖4給出了研究區(qū)段內(nèi)330 kV及以上電壓等級(jí)與管道交叉或者臨近并行的路徑俯視圖。

圖3 750 kV輸電線路的桿塔和導(dǎo)線截面示意圖

圖4 輸電線路與埋地管道的路徑俯視圖

2.2 輸電線路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)對(duì)輸氣管道的影響

圖5 線路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行管地電位沿線分布

圖6 穩(wěn)態(tài)下管到交流電流密度沿線分布

750 kV青南-西寧Ⅱ回停運(yùn)時(shí)，管地電位最大值9.85 V，正常運(yùn)行時(shí)在原有線路基礎(chǔ)上疊加額外的電磁影響，沿線管地電位均有所升高，最大值出現(xiàn)于該線路與管道交叉點(diǎn)p3處，約12.29 V。青寧線三相不平衡運(yùn)行時(shí)，盡管p4點(diǎn)處有排流點(diǎn)，但由于土壤電阻率較高，該點(diǎn)的管地電位仍有較大幅度的升高，最大值可達(dá)16.61 V。

青寧Ⅱ回停運(yùn)時(shí)，p3點(diǎn)附近的管道部分區(qū)段交流電流密度大于30 A/m2的區(qū)段長(zhǎng)度約為3.36 km，最大值為45.07 A/m2；青寧Ⅱ回正常運(yùn)行時(shí)，p3點(diǎn)附近區(qū)域的中等交流干擾管道區(qū)段長(zhǎng)度增加至4.82 km，最大值達(dá)52.92 A/m2，p3點(diǎn)附近宜采取防護(hù)緩解措施；青寧Ⅱ回不平衡運(yùn)行時(shí)，受其他線路的影響，p3點(diǎn)附近JAC最大值降至47.49 A/m2，但是p4點(diǎn)附近部分區(qū)域可能達(dá)到中等交流干擾。

公共走廊內(nèi)線路對(duì)管道的電磁影響：

1)對(duì)人身安全的影響。輸電線路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下，參考國(guó)內(nèi)外一些關(guān)于人體長(zhǎng)時(shí)間安全電壓限制的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為能接觸到管道裸露金屬部分的為職業(yè)人員，安全電壓閾值取60 V。750 kV青南-西寧Ⅱ回不運(yùn)行、正常運(yùn)行和三相不平衡7%運(yùn)行時(shí)，管道沿線的感應(yīng)電壓均小于60 V，未超過穩(wěn)態(tài)下工頻電壓人體安全限值。

2)對(duì)管道交流腐蝕的影響。750 kV青南-西寧Ⅱ回線路建成后正常運(yùn)行時(shí)，走廊內(nèi)p3點(diǎn)附近有5.57 km長(zhǎng)度的管道承受中等程度交流干擾。

3)對(duì)陰極保護(hù)等站內(nèi)設(shè)備的影響。各陰極保護(hù)站與閥室的感應(yīng)電壓均較低(<2V)，陰極保護(hù)設(shè)備通常能耐受30 V以下的交流干擾〔2〕，不會(huì)受到過大影響。

3 基于粒子群算法的管道防護(hù)措施優(yōu)化研究

目前工程上主要采用誤差嘗試法來制定防護(hù)措施，難以實(shí)現(xiàn)防護(hù)措施的優(yōu)化，本節(jié)將基于管道的分布參數(shù)等效電路模型，采用粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行防護(hù)措施的優(yōu)化研究。

3.1 防護(hù)措施分析

針對(duì)輸電線路與鄰近管道交流干擾問題的防護(hù)措施，包括交流輸電線路防護(hù)改造和油氣管道防護(hù)改造兩部分〔5〕。總體而言，線路方面的防護(hù)宜在設(shè)計(jì)和建設(shè)階段采取，當(dāng)公共走廊內(nèi)有其他線路時(shí)，效果有限，且經(jīng)濟(jì)成本一般比較高；管道方面的防護(hù)則相對(duì)容易實(shí)施，效果比較明顯且成本較低。工程實(shí)際中常用固態(tài)去耦合器連接沿管道敷設(shè)的裸銅帶排流，以下選取其作為主要的防護(hù)措施進(jìn)行研究。

寶玉爹說，這本來是岳舞臺(tái)老生泰斗丁愛田老先生的絕活，一次偶然的機(jī)會(huì)，我找他的徒弟偷學(xué)了一點(diǎn)，也只不過學(xué)了一點(diǎn)皮毛而已。

固態(tài)去耦合器由電容、二極管、浪涌保護(hù)裝置組成，電路原理見圖7，安裝如圖8所示。電容用于穩(wěn)態(tài)下的交流干擾排流；二極管隔直避免陰極保護(hù)電流流失，也可以用于暫態(tài)電流泄流并鉗制暫態(tài)電壓升高；浪涌保護(hù)器為氣體放電管，用于如雷電流等高幅值電流的排流〔3〕。

圖7 固態(tài)去耦合器電路結(jié)構(gòu)圖

圖8 固態(tài)去耦合器安裝示意圖

3.2 基于粒子群優(yōu)化理論的管道防護(hù)配置算法

粒子群算法采用無質(zhì)量無體積的粒子作為個(gè)體，設(shè)定好各個(gè)粒子的行為方式來組建群體智能，以實(shí)現(xiàn)某些復(fù)雜特征〔4〕。

管道防護(hù)措施優(yōu)化的目標(biāo)是使防護(hù)的總成本達(dá)到最低。假設(shè)管道分為a個(gè)可防護(hù)的節(jié)點(diǎn)，對(duì)于某項(xiàng)防護(hù)措施建立一個(gè)a維的列向量，里面的元素為該節(jié)點(diǎn)采取包含設(shè)備、施工、運(yùn)輸、停運(yùn)等費(fèi)用后，防護(hù)措施歸一化的成本。約束條件主要考慮輸電線路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下，管道、人員、設(shè)備的安全限值。

3.3 防護(hù)效果分析

1)固態(tài)去耦合器+裸銅帶排流防護(hù)

對(duì)750 kV青南-西寧Ⅱ回輸電線路與澀寧蘭埋地輸氣管道公共走廊內(nèi)的管道采用固態(tài)去耦合器+裸銅帶排流防護(hù)后效果進(jìn)行粒子群(PSO)優(yōu)化計(jì)算，防護(hù)前后的管地電位計(jì)算結(jié)果、交流電流密度的計(jì)算結(jié)果見圖9。

圖9 管道粒子群PSO防護(hù)優(yōu)化計(jì)算

采用固態(tài)去耦合器+裸銅帶排流可以將p3點(diǎn)附近區(qū)段的干擾從中等程度降為弱交流干擾，公共走廊內(nèi)管道區(qū)段的按腐蝕最嚴(yán)重情況計(jì)算的交流電流密度均低于30 A/m2，最大值為29.38 A/m2；管地電位最大值由11.69 V降至8.71 V。

2)采用固態(tài)去耦合器+集中接地防護(hù)

在某些情況下固態(tài)去耦合器的接地極因成本或者地形地勢(shì)因素，無法與管道并行敷設(shè)，只能采取集中接地極排流時(shí)，此時(shí)的防護(hù)措施優(yōu)化將有所不同，假設(shè)當(dāng)接地極接地電阻為2 Ω時(shí)，PSO防護(hù)優(yōu)化結(jié)果見圖10。

圖10 排流點(diǎn)接地電阻2 Ω時(shí)的管道PSO防護(hù)優(yōu)化

當(dāng)排流點(diǎn)接地極接地電阻2 Ω時(shí)，將公共走廊內(nèi)管道降低至弱交流干擾需要增加3個(gè)排流點(diǎn)，位置分別距離計(jì)算起點(diǎn)61.88 km、65.24 km和67.61 km。

3.4 粒子群優(yōu)化(PSO)算法與誤差嘗試法對(duì)比

工程實(shí)際上的排流點(diǎn)選擇常用誤差嘗試法(Trial and error)，即在管地電位最高點(diǎn)(或者交流電流密度最大計(jì)算值處)設(shè)置排流點(diǎn)，排流點(diǎn)可改變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可能導(dǎo)致遠(yuǎn)處管道電位升高。若達(dá)不到限值要求，在新的最大值處采取措施，直到所有點(diǎn)滿足要求為止。

當(dāng)公共走廊內(nèi)的線路電磁影響不變時(shí)，研究集中接地接地極不同接地電阻情況下的PSO算法和誤差嘗試法的效果，如圖11所示。

圖11 PSO法與誤差嘗試法防護(hù)對(duì)比

從圖中可以看出，在接地極接地電阻為3～6 Ω范圍內(nèi)，PSO算法相比誤差嘗試法存在優(yōu)勢(shì)，其中接地極接地電阻為4 Ω時(shí)，PSO法、誤差嘗試法排流點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為5個(gè)和8個(gè)，PSO算法可額外節(jié)省37.5%的防護(hù)成本。

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目研究了青海750 kV青南-西寧Ⅱ回輸電線路對(duì)澀寧蘭油氣管道的電磁影響，計(jì)算并分析了穩(wěn)態(tài)下線路在未運(yùn)行、最大功率正常運(yùn)行、三相不平衡7%運(yùn)行時(shí)，管地電位最大值分別為9.85 V、12.29 V和16.61 V，其中青寧Ⅱ回正常運(yùn)行時(shí)，拉脊山-日月山公共走廊管道將有部分區(qū)段交流干擾達(dá)到中等程度，宜采取防護(hù)措施。采用粒子群優(yōu)化算法來研究防護(hù)措施，研究了固態(tài)去耦合器的配合裸銅帶接地、集中接地的排流點(diǎn)優(yōu)化配置問題。隨著接地極接地電阻增加，排流效果下降，需要增加排流點(diǎn)數(shù)量來降低交流干擾。將交流干擾程度降低為弱等級(jí)只需3個(gè)排流點(diǎn)，經(jīng)過排流后交叉點(diǎn)的交流干擾大幅下降。研究可為工程實(shí)踐提供技術(shù)支持。