高压交流输电线路对金属管道干扰规律研究

高压交流输电线路对金属管道干扰规律研究

随着我国对能源需求的增长及能源结构的调整，长距离油气输送管道铺设和高压输电线路架设都处于快速发展阶段，在二者选址建设时都依据“路权择优”原则，因此“公共走廊”出现的地方越来越多，输电线路对埋地油气管道的干扰影响不容忽视，特别是最近特高压输电线路的广泛普及。

高压输电线路会对周围油气管道产生电阻耦合、电容耦合及电感耦合，其中电感耦合最为严重。当管道上的感应电压超过一定范围时，不仅会影响到管道人员的安全，同时还会使得管道产生交流腐蚀，甚至破坏管道阴极保护系统。国内对金属管道与高压输电线路平行时所受干扰研究较多，而对管道与输电线路交越的情况研究较少，而实际工程中大量存在的是二者交越的情况 。当管道与输电线路平行时，可以通过“管道—大地回路模型”进行计算；当管道与输电线路交越时，可以将交越段等效为平行段长度进行计算。

本文通过搭建三相交流高压输电线路与埋地金属管道不同的位置关系，并根据相关标准确定管道与输电线路平行时的安全距离及交越时管道上产生的最大感应电压，供工程设计、施工参考。

管道交流干扰判断标准

管道受到的交流干扰电压从人员安全角度考虑，可以分为三个等级：15V、33V和60V，美国将管道干扰电压等级设置为15V，从而满足NACE RP 0177-1995标准中规定。在GB/T 21447-2008《钢制管道外腐蚀控制规程》和SY/T 0032-2000《钢制管道交流排流保护技术标准》中，根据管道所处土壤的不同环境确定了其所受干扰电压的限值：6V（酸性土壤）、8V（中性土壤）、10V（碱性土壤），但是需要明确的是上面两个标准在制定时，管道防腐涂层大多数为石油沥青，现在普遍采用绝缘性更好的3PE材质，因此有专家学者建议标准放宽至15V。在欧洲，为了保证埋地管道不受交流干扰电压腐蚀，CEN/TS 15280-2006标准中规定：当土壤电阻率大于25Ω·m时，管道交流干扰电压不应大于10V；当土壤电阻率小于25Ω·m时，管道交流干扰电压不应大于4V。在GB/T 50698-2011《埋地钢制管道交流干扰防护技术标准》中规定，当管道上的交流干扰电压不高于4V时，可不采取交流干扰防护措施；高于4V时，应采用交流电流密度进行评估。

参数的选择及模型的建立

本论文中主要的建立两个模型：管道与高压输电线平行、管道与高压输电线交越，模型的位置关系如图1和图2所示。

图1　管道与高压输电线平行位置关系示意图

模型中，三相输电线路和屏蔽线在x轴方向为无限长，输电线、屏蔽线及埋地金属管道的相关参数如表1、表2和表3所示。影响管道交流干扰电压大小的因素有很多，例如：输电线稳态电流大小、管道与输电线平行长度、管道与输电线中心水平距离、管道与输电线交越角度、土壤电阻率、管道防腐层电阻率、输电线高度、埋地深度等，因此模型比较复杂，但通过资料可以知道，影响管道干扰电压的主要因素有：输电线稳态电流、管道与输电线平行长度、管道与输电线交叉角度、交叉距离等。本文依据GBT 50698-2011《埋地钢制管道交流干扰防护技术标准》规定，限制管道干扰电压不超过4V，通过CDEGS仿真软件，模拟管道与输电线路平行时，不同情况下管道距离输电线路的安全距离，以及交越时管道上产生的最大感应电压。

图2　管道与高压输电线交越位置关系示意图

表1　输电线相关参数

表2　屏蔽线相关参数

表3　金属管道相关参数

仿真结果及分析

管道与输电线路平行

当埋地金属管道与输电线路平行时，利用CEDGS软件进行仿真，当其他参数不变时，输电线路稳态电流分别为500A、1000A、1500A、2000A，管道与输电线路平行长度分别为100m、200m、300m、500m、700m、1000m、1200m、1500m、2000m、2300m、2500m、3000m、3500m、4000m、4500m、5000m、6000m。当管道距输电线路的水平距离越大，管道上所受到的干扰电压越小，通过设置管道与输电线路之间不同的水平距离，保证平行段管道上的最大交流干扰电压为4V时，得到最短水平距离（即安全距离），例如当输电线路稳态电流为1000A、平行长度为1200m时，为了保证管道上最大干扰电压为4V，最短水平距离应为280m，仿真结果如图3所示，出现图3所示的电压分布情况是因为当管道与输电线路平行时，由于管道两边对称分布，使得管道平行段中间干扰电压最小为0，两端干扰电压最大。全部仿真结果如图4所示 。

从仿真结果4可以看出，随着管道与输电线路平行长度的增加，输电线不同电流情况下，水平距离变化趋势相同。当输电线路稳态电流升高时，最短水平距离不断增大；输电线稳态电流相同，当平行长度在100m～2300m范围增加时，最短水平距离逐渐增加，但是当平行长度超过2300m时，最短水平距离不但没有增加，反而呈现略微减小的趋势，最后趋于稳定。这是因为随着管道与输电线路并行长度的增加，管道沿线纵向感应电动势增加，从而使得管道两端电压升高，同时，由于管道外虽然有涂有防腐层，但随着管道并行长度的增加，管道上总的泄漏电阻变小，导致感应电压有所下降，两方面原因同时作用使得管道与输电线路平行长度达到一定值之后，管道上最大感应电压基本保持不变。

图3　电流1000A、平行长度1200m时，最短水平距离280m仿真结果

图4　不同平行长度及电流值时，最短水平距离

管道小角度变大角度与输电线交越

管道与高压输电线路在实际交越时，通常将所成小角度改变为大角度之后进行交越，从而减轻管道所受干扰程度，其位置示意图如图5所示。

为了方便计算，同样设置管道与输电线交越两侧对称。由于输电线稳态电流越大，对管道的交流干扰越大，为了保证埋地金属管道处于安全状态，我们在利用CDEGS仿真软件仿真时，将输电线路稳态电流设置为最大值2000A。在模型中当其他条件不变时，随着L1的增加，管道上最大感应电压逐渐增大，但当L1超过1500m时，管道最大感应电压基本保持不变，因此我们在管道与输电线路交越的模型中设定L1为固定值2000m。例如输电线稳定电流1000A、α1为30°、α2为60°、L2为600米，改变L1对管道最大感应电压的影响如下图6所示。

其余参数：α1分别为0°、10°、20°、30°；α2分别为60°、70°、80°；L2分别为：200m、300m、500m、800m、1000m、1500m、2000m、3000m。不同交越角度和交越长度时，管道上的最大感应电压如下图7所示。

从仿真结果图7可以看出，相同情况下交越大角度α2越大，管道交流干扰电压越小；交越前小角度α1越小，管道交流干扰电压越大，因为α1越小，交越两端延伸段越近似与输电线平行，α1最小为0°，即交越两端延伸段与输电线路平行。随着交越长度在200m～1500m范围内增加，管道感应电压最大值迅速降低，这是因为交越长度的增加，使得交越段两侧延伸段离输电线路的距离越来越远；但是当交越长度大于2000m之后，管道最大交流干扰电压值变化不大，因为交越长度足够长时，交越段两侧延伸段管道距离输电线路足够远，产生的交流干扰电压值较小。

图5　管道与高压输电线小角度变大角度交越位置关系示意图

图6　L1对管道最大感应电压的影响

图7　不同交越情况下管道最大感应电压

结语

本文通过模拟金属管道与输电线路平行位置关系，根据管道干扰电压不超过4V为标准，确定不同情况下管道与输电线路应该满足的最小水平距离；当金属管道与输电线路交越时，确定不同参数对管道最大干扰电压产生的影响。通过模拟仿真，得出以下结论。

（1）当管道与输电线路平行时，随着平行长度的增加，管道干扰电压整体上呈现先增大后略微减小，最后趋于稳定，因此工程上应该尽量避免管道与输电线路的长距离平行状态，不能避免二者平行位置关系，则要保证二者之间的水平距离，具体数值可以参考图4。

（2）当管道与输电线路交越时，其他条件不变，交越端延伸段在300～1500m范围增加时，管道最大感应电压逐渐增大，但是当增加到1500m之后，管道的最大感应电压值趋于稳定；交越长度200m～1500m范围内增加，管道感应电压最大值迅速降低，但当交越长度超过2000m之后，管道上的最大感应电压值也趋于稳定。

（3）当管道与输电线路交越时，交越大角度α2越大，管道上产生的最大感应电压越小；交越前小角度α1越小，管道上产生的最大感应电压越大。

（4）从模拟管道与输电线交越的这几种情况来看，交越长度达到1500m、交越大角度α2达到70°或者交越长度达到800m、交越大角度α2达到80°，管道上最大感应电压基本可以满足不超过4V规定，具体数值如图7所示。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.18.019