高压交流电缆线路对邻近金属管道的磁感应影响评估

刘 英， 刘 明， 曹晓珑， 赵 瑞， 韩晓鹏， 张晓颖

(1.西安交通大学，西安710049;2.北京电力经济技术研究院，北京100055)

0 引言

近年来，电力线路的电压等级和传输容量不断提高，所产生的电磁场对周围环境及生物的影响日益引起广泛关注。其中，架空线路的电磁场问题首先被提出并获得大量研究，而关于地下电缆线路的电磁场影响还较少被涉及［1-5］。

随着我国经济发展、能源需求增加以及城市化进程加快，电力电缆线路和输油输气管道的建设都在飞速发展。由于我国人口密度大、土地资源紧张，电缆线路和油气管道在路径规划中往往距离较近，甚至共用走廊。这种情况下，电缆线路与油气管道平行接近或者交叉跨越将不可避免，这使得电缆线路对油气金属管道的电磁影响日益突出。为了保障运行维护人员的人身安全，降低管道的交流腐蚀，确保管道绝缘层和阴极保护设备的可靠寿命，在工程设计时必须将这种影响控制在允许范围以内［6-7］。

交流电缆线路对邻近金属管道的磁感应影响，主要表现为管道上的磁感应纵向电动势，即感应电压，较大的感应电压会危及管道和人员的安全。因此，必须对邻近交流电缆线路敷设的金属管道上的磁感应电压大小进行评估。

本文以ANSYS有限元仿真软件为工具，对与交流电缆线路平行敷设的金属管道上的磁感应电压进行数值求解。论文建立了金属管道上磁感应电压的数值计算模型，详细讨论了不同敷设条件及参数对感应电压的影响，并比较了两种屏蔽结构的作用效果。

1 计算模型的建立

1.1 基本假设

假设交流电缆线路为无限长的平行直线，磁场计算的目标场远离电缆终端。金属管道与电缆线路邻近、平行敷设。因此，本文所讨论的电磁感应计算可以看作是二维的平行平面场问题，计算平面垂直于电缆轴心。三相交流电缆线路中的电流相互平衡，频率为50 Hz。

1.2 计算方法

感应电压的计算基于电磁感应基本定律，如下所示:

式中，u为磁感应电动势为磁感应强度;S为闭合回路所界定的面积。

引入磁矢位矢量A，并利用经典的Kelvin-Stokes定理将式(1)变形为:

式中 为磁矢位;l闭合回路的边界。

感应电动势在工频磁场中是一个随时间变化的量，研究时以感应电动势的最大值作为电缆线路对金属管道磁感应影响的评价依据。

在简化的二维磁场分析计算中，磁矢位的积分路径如图1所示。单位长度(1 m)金属管道上的磁感应电压用式(3)计算:

式中，ω为角频率;Re代表磁矢位的实部;Im代表磁矢位的虚部。

图1 磁矢位积分路径示意图

1.3 电缆及管道的位置

电缆隧道横断面为2.6 m×2.9 m，其中敷设的电缆包括:顶部110 kV-XLPE-1×800 mm2，载流量500 A;中部 220 kV-XLPE-1 ×1 000 mm2，载流量600 A;底部 220 kV-XLPE-1 ×2 500 mm2，载流量1 000 A。隧道壁为钢筋混凝土，采用双层磁性钢筋结构。金属管道敷设在靠近电缆隧道底部的左侧土壤中，与隧道内壁的距离为d。电缆与管道的分布状况如图2所示。

图2 电缆和管道位置示意图

2 感应电压的影响因素

邻近交流电缆线路敷设的金属管道上磁感应电压的影响因素较多，包括:电缆和管道的距离及相对位置;电缆的回路数、敷设方式和载流量;管道的材料属性和尺寸大小;其他。

各因素的影响程度不同，不能依靠解析公式进行讨论，但可利用数值算法给出合理的工程数值解。下面就将分析不同因素对金属管道上磁感应电压的影响。

2.1 电缆和管道的距离

图3给出了电缆线路敷设在隧道中及直埋于土壤中时在邻近的磁性金属管道上产生的感应电压U随两者之间距离d的变化规律。两种敷设情况下电缆的数量、型式、排列方式、负载电流等完全相同，以考察电缆隧道对磁场的屏蔽作用。

如图3所示，磁性金属管道上的感应电压随距离的增大而减小。距离较小时，电压下降快，从1.5 m到2.5 m，电压约降低了50%;随距离增大，电压的下降速度逐渐减慢。此外，图3还显示隧道壁的钢筋结构对隧道内电缆线路产生的磁场有一定的屏蔽作用，从而使外部管道上的感应电压减小。

图3 距离对感应电压的影响

2.2 管道的磁性

金属管道位于电缆线路所产生的交变电磁场当中，当管道材料的磁性不同时，其上的感应电压将会有很大差别，分两种典型情况进行讨论，即磁性和非磁性管道。对磁性管道，其相对磁导率取值为μr=700;而对非磁性管道，相对磁导率μr=1.003。电缆线路敷设于隧道中。随距离d不同时，磁性和非磁性管道上的感应电压U如图4所示。

图4 管道的磁性对感应电压的影响

由图4可见，相同条件下磁性管道上的感应电压显著大于非磁性管道。

另外，当磁性和非磁性管道在其各自的磁导率范围内变化时，感应电压的相对变化率如表1所示，其中，磁性管道以μr=700为基准，而非磁性管道以μr=1.003为基准。

表1 管道感应电压与相对磁导率的关系

由表1可见，感应电压随磁导率的增加而增大。对磁性管道，当磁导率由500增加到1 300，其上的感应电压增大了2.1%;而对非磁性管道，磁导率由1.003增加到1.11，感应电压增大0.5%。

2.3 管道的电阻率

研究发现，管道材料的电阻率对感应电压没有影响。

2.4 管道的半径

当电缆线路分别为隧道中敷设和土壤中直埋时，在确定的相对距离d下，磁性金属管道上的感应电压U随管道半径r的变化如图5所示。

由图5可见，感应电压随磁性管道半径的增大而线性增加。研究表明，对于非磁性管道，此规律同样适用。

2.5 管壁的厚度

电缆线路隧道敷设，磁性金属管道，改变管壁厚度t时，感应电压的相对变化率如表2所示。

图5 管道半径对感应电压的影响

由表2可见，对于磁性管道，在给定的厚度变化范围内，感应电压随厚度的增大而增大。但是，研究发现，对于非磁性管道，在相同的管壁厚度取值范围内，感应电压并无明显变化。

表2 金属管道的感应电压与管壁厚度的关系

2.6 电缆的载流量

电缆线路的载流量会直接影响周围的电磁感应强度，从而改变管道上的磁感应电压。下面对此展开研究。

电缆线路敷设于隧道中，首先改变与管道距离较近的220 kV大截面电缆的载流量I1。在不同的相对距离d下，获得磁性金属管道上感应电压U随载流量I1的变化规律，如图6所示。

图6 感应电压随220 kV大截面电缆载流量及距离的变化

由图6可见，磁性管道上的感应电压和220 kV大截面电缆的载流量成正比，并且随着相对距离增大，电缆载流量对感应电压的影响逐渐减弱。当距离d=1.5 m时，载流量I1每增大100 A，感应电压增大约10%。

220 kV小截面电缆以及110 kV电缆的载流量I2和I3对管道感应电压的影响规律同I1基本相同，只是由于载流量依次减小，而与管道之间的距离依次增大，三者对管道上感应电压的影响逐次减弱。距离d=1.5 m时，I2和I3每增大100 A，感应电压分别增大约2.3%和0.5%。

3 屏蔽措施

要减小管道上的感应电压，必须引入恰当的屏蔽措施。在电缆线路和金属管道之间放入一块磁性的金属板，讨论平板形状和位置对其屏敲效果的影响。“┃”型板为一块薄平板，“┓”型板为两块薄平板组合而成，为便于区分，按照其形状分别命名为“┃”型板和“┓”型板。

3.1 “┃”型板的位置对感应电压的影响

电缆线路土壤中直埋敷设，与金属管道之间的距离为d=1.5 m，在两者之间竖直放置一块“┃”型磁性金属板。当平板位于电缆和管道之间的不同位置时，管道上的感应电压在表3中列出，其中x为平板到管道中心的距离。可以看出，在不同位置的金属平板对电缆线路的磁场屏蔽作用不同，当“┃”型平板放置在管道附近或靠近电缆线路时，屏蔽效果较好。

表3 “┃”型板的位置对感应电压的影响

3.2 “┃”型和“┓”型板的屏蔽效果比较

两种板除结构上的差异外其余完全相同。研究发现，两者的加入都可以有效屏蔽电缆线路产生的磁场，从而大大降低金属管道上的感应电压。引入“┃”型板后，感应电压比之前降低了42%;而“┓”型板使电压降低了46%。相同位置和材料属性下，“┓”型板的屏蔽效果优于“┃”型。

4 结论

本文通过理论建模和数值计算，评估高压交流电缆线路对邻近金属管道的磁感应影响，并采用参数化研究来比较各因素的作用，得到结论如下:

(1)与电缆线路之间的距离减小，电缆载流量增大，管道的半径、壁厚、磁导率增加，都将导致金属管道上的感应电压增大;管道材料的电阻率对感应电压没有影响。各因素中，距离和材料磁性对电磁感应电压的影响最大。

(2)电缆隧道壁中的钢筋结构对电缆线路的工频磁场有一定的屏蔽作用。

(3)金属板对磁场的屏蔽作用与其厚度、结构、位置有关，靠近管道放置“┓”型板具有较好的屏蔽效果。

［1］赵 刚 ，杨光俊，李晓琴.输变电工程电磁影响及其环境影响评价问题的探讨［J］.电力环境保护，2007，23(4):16-19.

［2］IEEE X95.6—2002 Standard for safety levels with respect to human exposure to electromagnetic fields，0～ 3 kHz［S］.

［3］王 景江，梅良英，黄 健 ，等.500 kV输变电线廊电磁场强度和危害调查分析［J］.公共卫生与预防科学，2009，20(2):20.

［4］蒋 宏济，万 力 ，王继纯.110 kV电缆电磁辐射对环境的影响［J］.高电压技术，2005，31(1):87-88.

［5］V erite J.C，Bjorlow-Larse K.Magnetic field in HV cable systems 1:Systems without ferromagnetic component［R］.CIGRE，1996.

［6］T B/T 2832—1997 交流电气化铁道对油(气)管道(含油库)的影响容许值及防护措施［S］.

［7］郭 剑 ，曹玉杰，胡士信，等.交流输电线路对输油输气管道电磁影响的限值［J］.电网技术，2008，32(2):17-20.