交流输电线路对埋地金属管道稳态干扰的影响规律

谢辉春，宋晓兵

（1.国网电力科学研究院，武汉 430074;2.湖北超高压输变电公司，武汉 430050）

0 引言

高压输电线路正常运行时，感性耦合是线路和埋地金属管道间电磁耦合的主要形式，线路上的电流周期性变化产生交变磁场[1-2]，会在管道上产生纵向感应电动势(如下图1所示)，从而产生交流稳态干扰[3-5]。

图1 高压交流输电线路与埋地管道间感性耦合示意图

由于感性耦合所产生的纵向感应电动势存在，根据表征现象和对应的地电位参考物不同，又可分为管道接触电势、管道防腐层电压2项稳态干扰电压指标。管道接触电势指的是管道钢质本体电位与人所处位置地表电位差，表征的是人接触管道金属部分（如测试桩接线柱）时人体所受的安全威胁。管道防腐层电压指的是管道防腐层内外侧所受到的电压差，表征的是管道防腐层所受的电压威胁。影响输电线路与埋地金属管道间电磁感应水平的影响因素很多，本文主要讨论不同的管道特性参数以及线路与管道间并行接近参数，以典型的1 000 kV特高压交流输电线路为例，分析了各种因素对管道所受的稳态干扰水平的影响规律。

1 管道的特性参数和评估所用典型输电线路计算条件

管道自身的特性参数如图2和表1所示[6-9]。本文根据国内常用的输油输气管道的特性参数，分别计算典型管道外径×壁厚、管道埋深、防腐层绝缘电阻率、管道连接情况、土壤电阻率等因素对稳态干扰电压的影响规律。

图2 管道部分特性参数示意图

表1 石油长输管道典型参数

本文以图3所示的典型1 000 kV特高压单回交流输电线路为例进行规律研究，由于其电磁影响的本质相同，因此所得规律可以作为其他电压等级下高压输电线路对金属油气管道影响规律的参考。特高压输电线路的正常运行电流取2.5 kA，假设与管道并行长度1 km，间距50 m，土壤电阻率取100 Ω·m。

图3 计算所用特高压单回路典型塔型

管道并行段外连接情况分为2种[6]：连接情况A，与输电线路并行段管道末端转直角，管道继续行进至2端较远处。此情况代表的是管道在与输电线路并行段前、后均不受输电线路影响，实际情况往往是如此，如图4；连接情况B，与输电线路并行段管道2端处与绝缘法兰（或绝缘接头）连接，如图5。

图4 管道连接情况A

图5 管道连接情况B

2 交流干扰计算方法

输电线路对管道交流稳态干扰的计算电路图[3-4]如图6。

其中埋地管道特性参数Z′、Y′具体求解参见参考文献[3]，据传输线理论列写电压、电流回路方程如下[10-14]：

图6 交流稳态干扰的计算电路图

式中，E为交流输电线路在管道基本微元段感性耦合产生的纵向电动势，I为管道基本微元段感性耦合产生的电流，联立上述2方程得

考虑到理想并行状况下，交流输电线路与埋地金属管道在并行段2者均保持物理特性不变，因此输电线路对管道产生的E可看作不变，即E为常数，又由式（3）有

解此方程得

对于A、B，可根据管道并行段终端边界条件，有

式中，U0、I0分别为管道并行段起始端电压、电流；UL、IL为并行段末端电压、电流，Z1、Z2分别为起始端、末端的接地阻抗。

3 管道外径×壁厚对管道所受稳态交流干扰的影响

管道防腐层电阻率取1 kΩ·m2，埋深取2 m，管道连接情况为B连接方式。不同管道外径时的计算结果见表2，不同管道壁厚时的计算结果见表3。图7、图8分别给出了Φ1 016 mm×14.6 mm的管道防腐层电压与管道接触电势沿管道的分布情况。

其他条件相同时，管道外径越大，最大防腐层电压及接触电势缓慢减小；管径从Φ813 mm至Φ1 420 mm，两者电压减小不到5 V，影响不明显。其他条件相同，壁厚对最大防腐层电压与管道接触电势几乎无影响。总的来说，埋深一定的不同管径与壁厚的管道其上所受的稳态交流干扰情况相差不大。

表2 不同管道外径的影响

表3 不同管道壁厚的影响

图7 Φ1 016 mm×14.6 mm管道防腐层电压沿管道的分布

图8 Φ1 016 mm×14.6 mm管道接触电势沿管道的分布

4 管道埋深对管道所受稳态交流干扰的影响

管道外径×壁厚取为Φ508 mm×7.1 mm，管道连接情况取B连接方式，管道防腐层电阻率取1 kΩ·m2，计算管道埋深从1～10 m变化时，管道防腐层电压与管道接触电势的变化规律。计算结果如表4。

表4 不同埋深的影响

埋深增加，最大管道防腐层电压及管道接触电势减小，这显然是由于管道距离干扰源（输电线路）更远的原因造成的；埋深加大9 m，但电压减小不到5.5 V，总的来说，管道的埋深对稳态干扰的影响不明显。

5 管道防腐层绝缘电阻率对管道稳态交流干扰的影响

“埋地管道防腐层绝缘电阻”应视为单位面积的防腐绝缘层平均（面）电阻，单位为Ω·m2，其数值的大小基本由防腐绝缘层漏敷、缺陷数目和大小决定，因此它是衡量防腐层质量好坏的尺度。因为指的是单位面积，所以又称“埋地管道防腐层绝缘电阻率”。

根据相关文献资料，尤其是实测数据，选取对防腐层绝缘电阻率分别为100 kΩ·m2、10 kΩ·m2、5 kΩ·m2、3 kΩ·m2、1 kΩ·m2、0.1 kΩ·m26种级别的绝缘状况进行计算，可以涵盖目前防腐层的主要状况。

管道类型选择Φ508 mm×7.1 mm及Φ1 016 mm×14.6 mm 2种，埋深2 m，防腐层厚度0.003 mm，管道连接情况取表2所描述的B连接方式。计算管道防腐层绝缘电阻率处于100 kΩ·m2至0.1 kΩ·m2的6种级别时，管道防腐层电压与管道接触电势的变化规律。计算结果如表5、表6。

结果表明：其他条件相同时，防腐层绝缘电阻对其上交流干扰电压影响较大，绝缘电阻越小，防腐层电压、管道接触电势越小。从理论分析看来，防腐层绝缘电阻越大，防腐层内外电压差越大，因而防腐层电压、管道接触电势越大。

表5 Φ508 mm×7.1 mm，不同防腐层电阻率的影响

表6 Φ1 016 mm×14.6 mm，不同防腐层电阻率的影响

3层PE结构的防腐层电阻普遍大于石油沥青防腐层，因而其交流干扰电压大于后者，但其泄漏电流却因为高电阻值而小于后者，这对于管道防腐蚀是有利的。

6 管道连接情况对管道稳态交流干扰的影响

由式（7）不难发现，连接情况直接决定了Z1、Z2，其对管道所受稳态干扰有一定影响，因此本文针对图4、5两种管道连接的典型情况予以考虑。考虑几种不同并行长度，间距50 m。管道参数如表7，选管道Φ1 016 mm×14.6 mm及2 m埋深，防腐层电阻率取10 kΩ·m2。

表7 2种管道连接情况的影响

在连接A、B情况下，管道并行段所受干扰的变化规律相似，最大干扰都出现在并行段2端，管道中间干扰为0。但是对管道连接情况B而言，即在并行段两端有绝缘法兰（绝缘接头）时，最大防腐层电压、管道接触电势大于连接情况A，而且相差较大。

7 结论

1）其他条件相同时，管道外径增大、埋深增加，最大防腐层电压及接触电势缓慢减小，壁厚对最大防腐层电压与管道接触电势几乎无影响。总的来看管道外径和壁厚对管道所受稳态干扰电压的影响不明显。

2）其他条件相同时，管道的防腐层绝缘电阻对其上交流干扰电压影响较大，绝缘电阻越小，防腐层电压、管道接触电势越小；3层PE结构的防腐层电阻普遍大于石油沥青防腐层的防腐层，因而其稳态干扰电压大于后者，但其泄漏电流却因为高电阻值而小于后者，这对于管道防腐蚀是有利的。

3） 图4、5所示A、B 2种管道连接情况下，管道并行段沿线所受干扰的变化规律相似，最大干扰都出现在并行段两端，并行段中间干扰为0；管道连接情况B所受稳态干扰电压较连接情况A严重。

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