交流架空输电线路对埋地油气管道的电磁影响研究

谢 涛 王 力 罗正帮 赵 晖 郑 琪 肖冬萍 张占龙

(1. 国网安徽省电力公司， 合肥 230001； 2. 安徽华电工程咨询设计有限公司， 合肥 230022；3. 重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室， 重庆 400044)



交流架空输电线路对埋地油气管道的电磁影响研究

谢 涛1王 力2罗正帮2赵 晖2郑 琪3肖冬萍3张占龙3

(1. 国网安徽省电力公司， 合肥 230001； 2. 安徽华电工程咨询设计有限公司， 合肥 230022；3. 重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室， 重庆 400044)

随着我国能源公共通道的发展，交流架空输电线路对邻近埋地油气管道的电磁影响日益凸显，需采取有效措施予以抑制。研究基于麦克斯韦方程组建立Taylor场线耦合模型，计算了稳定运行状态下输电线路在并行油气管道上所产生的交流电磁干扰；分析了线路塔高、线路与管道水平距离、线路电压等级、管线并行长度、土壤电阻率等因素对管道感应电压大小的影响。可为输电工程及石油工程的管线敷设的结构设计提供参考。

输电线路； 油气管道； 电磁干扰； 耦合模型； 影响因素

近年来，电力作为生产生活中的主要能源越来越受到国家重视，电力设施建设工程项目不断增加。与此同时，“西气东输”“西电东输”两大能源工程也在快速推进。鉴于输电线路与输油气管道对传输走廊的择优原则极为相近，出于降低成本、减少占地的考虑，施工中更多地利用了“能源公共通道”，造成了输电线路与输油气管道平行接近或交叉跨越的情况时有发生。由于自身的固有物理特性，工频交流输电线路会在其周围产生交变电磁场，通过电磁感应耦合到邻近的金属物体上。油气管道金属线型结构，成为良好的电磁能量接收器，因而易受到输电线路的电磁干扰。在我国已经发生多起由输电线路和油气管道并行引起的管道防护层受交流电磁影响而破损，加剧管道腐蚀或造成检修人员触电的事故[1]。随着电压等级升高、线路密集化程度的加剧，这种电磁影响问题和危害越来越突出[2-3]，已引起了业界的高度重视，并制定了一系列的限值标准。

此次研究，首先剖析了交流输电线路对金属管道产生电磁影响的机理；然后针对输电线路对埋地油气管道的稳态交流耦合，建立了数学模型，定量计算油气管道上产生的电磁感应电压；进而研究了线路与管道水平距离、两者并行长度以及输电线路电压等级等因素对管道所受电磁干扰强度的影响。为今后输电工程及石油工程的管线敷设的结构设计提供参考。

1 机理分析及限值标准

交流输电线路对邻近金属管道的电磁耦合类型有容性耦合、感性耦合和阻性耦合[4]。

容性耦合也称为电场耦合，是指交流输电线路电压所产生的电场通过静电感应在管道上感应出对地电位。如果金属管道埋于地下，由于地表土壤对电场具有良好的屏蔽作用，可忽略容性耦合的影响。但是在对管道进行施工或维修时管道可能置于地面，容性耦合会比较明显。

感性耦合也称为磁场耦合，是指交流输电线路电流在导线周围产生交变磁场，该磁场通过电磁感应在金属管道上产生纵向电动势，并在管道外护套两侧产生电位差。感性耦合是加剧金属管道涂层交流腐蚀的主要原因。

阻性耦合主要是指线路故障电流或者雷击电流在阻性土壤中扩展，引起地电位升高并导致土壤中的金属管道电位不均匀升高，金属管道局部可能产生瞬态高电压。

交流输电线路对邻近油气管道的电磁影响主要涉及3个方面：对金属管道的交流腐蚀、对管道阴极保护设备安全的影响和对人身安全的影响。

为此，国内外各电力行业和石油天然气行业制定了各种限值标准，对涉及输电线路的油气管道进行保护。此次研究主要分析交流输电线路对邻近油气管道的交流腐蚀影响和对人身安全的影响，建立稳态耦合模型。表1所示为本次研究用作参考的限值标准。

2 稳态电磁耦合计算模型

本次研究的核心问题在于建立架空输电线路电磁场与处于电磁场中的金属管道导体的耦合模型。经过对比分析，这里采用基于Maxwell方程推导出的场线耦合模型 —— Taylor模型[5-6]。Taylor模型的等效电路如图1所示，设管道轴向为x方向，总长度为L。

图1 Taylor模型的等效电路图

Toylor模型电报方程为：

(1)

式中：U(x)、I(x)分别为管道距离始端x处的感应电压(V)、感应电流(A)；Z为管道单位长度阻抗，Ω/m；Y为管道单位长度导纳，S/m。

管道上分布的电压源US、电流源IS可以由管道微元所处位置的电磁场求出，其中Hy、Ez分量的计算参见文献[7-8]。

(2)

式中：μt为土壤磁导率，H/m；D为管道埋深，m；ω为交流电角频率，rad/s；Hy为输电线路所产生的y方向磁场分量，A/m；Ez为z方向上的电场分量，V/m；d为线路与管道之间的距离。

管道阻抗导纳参数的计算在求解过程中尤为重要，采用苏联米哈伊洛夫提出的管道电气参数公式，管道分布电阻R、分布感抗ωL、分布电导G、分布容纳ωC的计算公式分别为：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：ρs—— 管道钢材电阻率，Ω·m；

μ—— 管道钢材相对磁导率，H/m；

μ0—— 真空磁导率，H/m；

f—— 交流电频率，Hz；

δ—— 管道防护层绝缘厚度，mm；

ε—— 防护层绝缘材料相对介电常数；

ε0—— 空气介电常数，F/m；

Dp—— 管道直径，m；

rm—— 管道防护层单位面积上的电阻值，简称防护层电阻率，Ω·m。

3 算例分析

建立的计算模型参数如下：线路选取电压等级500 kV水平排列塔型，塔高33.5 m，三相线路间距为24.2 m，导线型号LGJ-300/25，杆塔结构图见图2；管道钢材电阻率为4×10-8Ω/m，管道相对磁导率为636 H/m，防护层材料为3层PE，防护层厚度 3 mm，管道外半径0.505 m，内半径0.485 m，埋深 2 m；管道与输电线路并行距离为20 km，土壤视为单层均匀土壤，电阻率为100 Ω·m。

通过计算得到管道感应电压随管道与线路中心距离变化的情况(见图3)。管道上的感应电压值随着管道与线路之间的水平距离变化明显。由于水平排列时线路在空间所产生的电磁场成马鞍形分布，最大值出现在两边相对应位置处，因而如果将管道埋设在输电线边相下方，其感应电压也达到最大值。随着管道与线路之间距离的增加，管道上的感应电压迅速衰减。

图2 杆塔结构示意图

图3 管道感应电压随管道与线路水平距离变化趋势图

4 影响因素分析

管道上的感应电压受到很多因素的影响。线路周围电磁场的分布对输电线路的负荷、架空线路杆塔结构以及线路与管道相对位置十分敏感，因此，管道感应电压的大小也与这几方面的因素密切相关。

4.1 架空线路塔高对管道感应电压的影响

图4为塔高对管道感应电压的影响，随着导线高度的增加，管道最大感应电压急剧减小，因此适当增加输电线路杆塔高度可以有效防止管道交流电磁干扰造成的损害。

图4 塔高对管道最大感应电压的影响

图5为电压等级对感应电压影响示意图。管道上的感应电压随着输电线路电压等级的增大而增大，线路电压等级越高其载流量越大，因而对管道的电磁干扰越强。

图5 电压等级对管道感应电压的影响

土壤电阻率对管道感应电压的影响见图6。管道上的感应电压随着管道与线路周围土壤电阻率的增大而减小。在土壤电阻率小于100 Ω·m时，土壤电阻率对管道感应电压的影响尤其明显；在土壤电阻率大于 300 Ω·m以后，土壤电阻率对管道感应电压的影响减弱。因此，在土壤电阻率比较小的地区敷设管道时，应适当加大埋深或提高其附近输电线路杆塔高度等措施，来减小输电线路对管道的影响。

图6 土壤电阻率对管道感应电压的影响

输电线路与管道并行长度对管道感应电压的影响如图7所示。随着管道与输电线路并行长度的增加，管道感应电压呈现上升趋势，但是增长速度先快后慢，在并行长度5 km以后达到饱和，管道感应电压基本不再随着并行长度的增加而增大。饱和并行长度与输电线路电压等级、结构以及管道参数等有关。

图7 并行长度对管道感应电压的影响

5 结 语

(1) 交流架空输电线路会在邻近埋地油气管道上产生电磁耦合，感应电压、电流的大小可采用Taylor模型进行计算。

(2) 输电线路对埋地油气管道的电磁影响受线路与管道间的水平距离、杆塔结构、杆塔高度、电压等级、土壤电阻率、管线并行长度等因素的影响。

(3) 从优化管线结构设计的角度出发，增加线路与管道间的水平距离及线路高度，可有效降低线路对油气管道的电磁影响。

[1] 中国电力科学研究院.1000kV特高压交流同塔双线路对金属管线影响及防护的研究[R]. 北京: 中国电力科学研究院，2009：10-15.

[2] 唐剑.电力线路对邻近并行埋地金属管道电磁干扰影响的研究[D]. 保定: 华北电力大学，2004: 2-3.

[3] 王爱玲. 750kV高压交流输电线路对埋地管道的干扰规律研究[D]. 青岛:中国石油大学(华东)，2013: 2-3, 7-8.

[4] 董根生，蒋剑，相生荣，等. 750kV交流线路对多条油气管道的电磁影响研究[J].电网技术，2008，32(2): 47-50.

[5] 王川川，汪连栋，曾勇虎，等. 场线耦合问题研究现状及其发展综述[J].中国电子科学研究院学报，2014(4): 353-359.

[6] SOUTHEY R D, DAWALIBI F P, VUKONICH W. Recent Advances in the Mitigation of AC Voltages Occurring in Pipelines Located Close to Electric Transmission Lines[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，2002，9(2)：1090-1097.

[7] 邵方殷．我国特高压输电线路的相导线布置和工频电磁环境[J]．电网技术，2005，29(8)：1-7.

Research of Electromagnetic Interference on the Burned Oil Pipeline Around the AC Overhead Transmission Lines

XIETao1WANGLi2LUOZhengbang2ZHAOHui2ZHENGQi3XIAODongping3ZHANGZhanlong3

(1.Anhui Electric Power Company of State Grid, Hefei 230001, China;2.Anhui Huadian Engineering Consultation and Design Company, Hefei 230022, China;3.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment and System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Along with the development of energy public channels in our country, the electromagnetic interference generated by the AC overhead transmission lines becomes a growing matter of concern, so some measures must be taken to prevent it. In this paper, the field-line coupling Taylor model based on the Maxwell′s equations is used for the calculation and research of the electromagnetic interference on paralleled oil pipelines when the transmission lines running stably. In addition, the paper focuses on the influence factors such as the height of tower, the horizontal distance between the overhead lines and the pipelines, the voltage level of the transmission lines, the parallel length and the soil resistivity. The results of the study can provide advice for the construction projects of the power transmission lines and the petroleum pipelines.

transmission line; petroleum pipeline; electro-magnetic interference; coupling model; influencing factor

2016-12-20

中央高校基本科研业务费项目“电力电缆接头状态非接触式检测原理及方法研究”(CDJXY150008)

谢涛(1970 — )，男，高级工程师，研究方向为电力系统及其自动化。

TM154

A

1673-1980(2017)03-0116-04