高压输电线路对管道稳态电磁干扰的仿真研究

祝 贺，胡艺阳

(东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林132012)



高压输电线路对管道稳态电磁干扰的仿真研究

祝 贺，胡艺阳

(东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林132012)

当管道与高压输电线路在一个公共走廊中时，会受到电磁场影响，通常称之为AC电磁干扰。当干扰产生的感应电压较高时，会威胁到管道操作及维修人员的安全。因此，研究高压交流输电线路对邻近管道的影响，判断其是否超过限值，提出减小电磁干扰的方法和防护措施意义重大。该文选取淮南-南京-上海1000 kV特高压交流输电工程中，泰州站与苏州站之间包10段输电线路与天然气管道3作为系统模型，采用加拿大SES公司开发的CDEGS软件仿真计算输电线路正常负载运行下对管道3的稳态干扰值，并对管道3上的感应电位分布情况进行分析评估。结论是管道3在进户位置上的对地感应电压高于人体安全电压限值，需采取沿管道敷设裸铜带等防护措施。

输电线路；电磁干扰；仿真计算分析；防护措施

2014年7月开始实施的淮南-南京-上海1000千伏交流特高压输电工程已近竣工，由于走廊的限制，其线路与输油输气管道存在长距离并行接近和交叉跨越，这将对管道造成电磁干扰，威胁人身和设备安全[1-2]。随着经济增长，电磁干扰问题日益突出，因此开展研究，减小危害意义重大。国外的相关研究较早，特别是加拿大 SES 公司开发的CDEGS软件，开创性地将仿真模拟技术应用到解决电磁干扰的实际问题上，取得了成效。国内的相关研究起步晚，仿真模拟技术的应用更是缺乏经验。该文选取淮南-南京-上海1000KV输电工程中，泰州与苏州段部分线路及管道为模型，采用CDEGS[3]软件仿真计算线路正常负载运行下管道上的干扰电压分布，并对管道干扰超限值的结果进行评估，提出合理有效的防护措施。其结论可作为管道部门施工时的参考依据。

1 电磁干扰的机理

分析与研究交流输电线路对输气管道的电磁干扰影响，首先需要深入分析其影响机理，这有助于制定相关限值、确定实施防护措施。交流输电线路对输气管道的电磁干扰影响从机理上可分为容性耦合影响、阻性耦合影响和感性耦合影响三类[4，5]。

1.1 容性耦合影响

由于输电线路运行时在周围空间产生电场，电场通过线路与管道之间的相互电容耦合使管道和大地之间产生电位差，这种影响即为容性耦合。由于输气管道埋于地下，地表土壤对电场具有良好的屏蔽作用，同时，按照行业规定，管道在施工和维护时必须对管道进行分段接地，所以输电线路正常运行时可忽略容性耦合影响。

1.2 阻性耦合影响

在电力线路发生单相接地短路故障时，大的故障电流经过杆塔流入大地使得附近土壤的电位升高，经过埋地金属管道时，管道上也会产生一定的电位，即为阻性耦合影响。输电线路正常负荷运行时，电力线路上的三相电流基本对称，入地电流非常小，因此输电线路通过阻性耦合在管道上产生的干扰电压可以忽略不计。

1.3 感性耦合影响

交流输电线路正常运行时交变的电流在其周围空间产生交变的磁场，该磁场同时存在于空气和大地中，当埋地金属管道与输电线路接近时，交变的磁场通过电磁感应在临近的输气管道上感应出纵向电动势。管道金属外壁敷设的防腐层并非绝缘材料，而是具有一定电导率的物质，因此管道与大地之间存在漏电导，纵向电动势作用于管道与大地形成的回路，进一步产生纵向电流、泄漏电流，并在管道防腐层两侧产生电位差，即涂层电压。这种作用称为感性耦合影响。感应纵电动势和电流的大小，主要由管道与输电线路的平行长度、输电线路电流的大小、输电系统的频率、管道与输电线路的接近距离、管道防腐层电阻率、大地电阻率等因素决定。在大多数三相交流输电系统结构中，三相导线与管道是不对称的，电感耦合的影响很明显。由上分析可知，交流输电线路正常运行对输气管道的影响主要是感性耦合影响。

图1 管道-大地回路等值电路

感性耦合电压的计算方法通常是基于管道-大地回路传输线模型，并具此推导其解析表达式。 管道-大地回路传输线模型：将大地视为参考导体，管道-大地回路的等值电路如图1所示。

相应的频域电报方程[6]为：

(1)

(2)

式中：U和I分别为管道沿线电压、电流；Z和Y分别为管道-大地回路传输线模型的单位长度串联阻抗和并联导纳；E为输电线路在单位长度管道上产生的感应电动势。假设输电线路在单位长度管道上产生的感应电动势不随坐标x改变，即E为常数，则可得式(1)和式(2)的通解如下：

U(x)=Aeγχ+Be-γχ，

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

当交流输电线路与输气管道平行接近时，可按管道布设的不同归纳为多种情况，本文采用的仿真系统模型中管道两端为终止且不接地，即z1=z2=，ρ1=ρ2=1；将ρ1=ρ2=1 代入式 (5)及(6)中，结合式 (3) 即可得管道沿线电压的解析表达式：

(9)

2 仿真系统的建立及数据准备

2.1 系统结构描述

图2显示了待研究分析的系统模型，其中包含一条1 000 KV输电线路以及沿着输电线路走向的燃气管道。根据西南院提供的资料，包10段在泰州站与苏州站之间，管道3为进用户食堂的天然气管道，在近用户食堂前由钢质管道换为非金属的PE管道，钢质管道端部无接地。图3是燃气管道3的位置示意图。

图2 待研究分析的系统结构

图3 燃气管道3的位置示意图

2.2 系统模型的相关参数

2.2.1 燃气管道3的参数、坐标及周围土壤特性

管道3内半径为485 mm，外半径为505 mm，埋深为1.5 m；防腐层为3层PE涂层，厚度为3 mm；钢质管道相对电阻率为10 Ωm2，相对磁导率为300 μ0；埋设层土壤电阻率为32.3 Ωm2。图4为管道3的坐标图，表1为管道3中P1-P6点的坐标参数。

图4 燃气管道3的坐标图

PointX(m)Y(m)Z(m)P1046-1.5P215372-1.5P359136-1.5P479880-1.5P5101949-1.5P61682643-1.5

图5 地线及各相线断面图

2.2.2 输电线路断面及相关参数

采用双地线，型号为7 No.8 Alumoweld；相导线分裂数为8，相线型号为 795 MCM ACSR Drake。地线及各相线断面如图5所示，同塔双回逆向序布置，其中H4为最下相导线的平均对地高度。线路断面参数如表2所示。

表2 输电线路地线及各相线断面参数(m)

2.3 人身安全电压限值

各类标准及其规定的长时间作用下人体安全电压相关标准如表3所示[7]，从中可以看出管道交流干扰电压允许值，其中国标的电压限值为60 V。

表3 人体长时间安全电压标准(50Hz/60Hz交流电)

3 仿真计算的方法及结果分析

3.1 仿真计算方法

加拿大SES安全工程技术公司基于矩量法[3]开发的电力系统电磁干扰仿真计算软件包CDEGS(电流分布、电磁场、接地和土壤结构分析)，是以电磁理论为基础编写分析程序的，不受频率限制，所以，分析结果极为精确。CDEGS具有接地系统设计分析、电磁干扰研究等一系列功能。其核心主要是计算在稳态、故障和雷击等暂态条件下由地上或地下任意形状导体所构成的网络周围电磁场分布及感应电位分布。软件包提供了三种不同的子软件Sestlc、Right-of-Way、Splits用以分析计算共用走廊内输电线路对其它系统(含管道)的电磁干扰情况。该文采用SESTLC子软件仿真计算包10段输电线路正常负载运行下对管道3的稳态干扰值。SESTLC子软件快速易用，可以解决任意导向的地上和埋设导体网络，可由任意数量的电流和电压源进行激励。首先输入上一节系统模型的相关参数(管道、输电线路、土壤等参数)，计算出系统模型中各相线及地线的自互感系数，最终计算管道上感应电压和管道涂层感应电压的分布数值。在计算过程中需注意以下条件：

(1)电力系统工作频率设定50 Hz；系统单位采用公制。

(2)管道3与输电线路不是平行的视为弯曲被干扰线路。

(3)为了更精确地计算管道电位，输电线路每段跨长和每档距的分段数分别采用300米和3米来控制管道的分段情况。

(4) 左端接地阻抗和右端接地阻抗分别定义管道左端点和右端点的接地电阻。本系统中左端管道在进用户食堂前由钢质管道换为非金属的PE管道且钢质管道端部无接地，故此端点相当于悬空。右端点也设为悬空，接地阻抗视为无穷大。

(5) 相线及中性线外半径、内半径、相对电阻率及相对电磁率等参数分别由其线型号ACSR Drake和Alumoweld 7 No.8在计算中从导体数据库中获取。

(6) 本系统线路的额定电流为3.46 kA，由于通常情况下可以忽略埋地管道的电容耦合影响，需选择不考虑感应到中性线的电流。

3.2 计算结果及分析

图6是经过仿真计算得到的管道3上的感应电压(涂层感应电压)沿线分布曲线。在稳定状态条件下，管道感应电压和管道涂层感应电压是相同的。

图6 燃气管道3上的感应电压(涂层感应电压)沿线分布曲线

由感应电压分布曲线可以看出，管道3上沿线大部分电压处于40 V以下，处于正常范围，但在进户位置上产生的对地电压达到了约66 V，超过了国标60 V的人体安全电压限值，经分析数据，主要原因有以下两个：

(1)管道3与输电线路在1 km范围内的接近距离很小，大部分位置接近距离在 30 m-75 m 之间，接近距离越小，输电线路对管道的感性耦合程度越大，感应电压就越高；

(2)燃气管道3在进食堂之前由钢质管道换为非金属的PE管，金属管道无接地。管道上的感应纵向电流在进户端只能经由防腐层入地，相较于两端无限延伸的管道，防腐层电阻率远大于延伸段管道的等效对地阻抗，这也就使得无延伸管道端部的对地电压高于两端延伸管道的对地电压。

3.3 管道感应电压影响因素的计算分析

影响高压输电线路对埋地管道感应电压大小的因素很多，其中包括管道特性参数，高压输电线特性参数，线路与管道间并行接近参数等影响因素[8]。这其中有些是重要因素，而有些因素则是理论上有影响，但实际影响很小，可以忽略。管道特性参数主要有管道外径、管道的防腐层绝缘电阻率；输电线特性参数主要有电流等；其它的因素还有管道埋深、线路与管道的间距及土壤电阻率等。

通过选取以上参数由小到大个3组数据，在其它参数不变的情况下，分别输入SESTLC软件进行计算，得出输电线路在稳态运行下，影响感应电压的因素结论如下：

感应电压随着线路电流的增大而增大，而且成线性正比关系；感应电压随着管道的防腐层绝缘电阻率的增大而增大；感应电压随着线路与管道间距的增大减小。这三个因素的影响较大，属重要影响因素。理论上感应电压随管道外径增加而减小；随埋深的增加而减小；随土壤电阻率的增加而增加，但计算结果显示其影响不大。

4 防护措施

为确保人身安全及相关设备的安全运行，本文中管道3电磁干扰超标需采取防护措施。目前常用的管道防护措施主要有四个。一是改变杆塔接地电阻；二是改变架空地线电阻；三是增设管道的阴极保护设施[9]；四是沿管道敷设裸铜带。头两个措施主要对线路与管道交叉跨越时，线路发生单相接地短路故障时有效。增设管道的阴极保护设施虽可达到减缓管道交流腐蚀的目的，但成本较高。第四个措施沿管道敷设裸铜带是目前我国管道部门采用较多的一项防护措施。裸铜带与管道通过隔断直流、导通交流的去耦合器连接，具有良好的接地效果，发挥了屏蔽效应，相当于管道通过小电阻接地，从而可以显著降低管道干扰电压，能够使电磁影响降低至满足相关限值要求。同时，通过选择合适的裸铜带参数，也可达到适当控制成本的目地。根据以上分析，鉴于论文中系统模型管道3与输电线路为平行接近状态，且长度约为1 km，从技术性和经济性二个方面综合考虑，选用第四个防护措施。

根据本文系统结构的实际，管道3上可以采取以下防护措施(位置示意图如图7)，具体实施如下：共设置2个集中接地网(接地网A和B)，接地网A的尺寸为80 m*40 m，接地网B的尺寸为120 m*60 m，网格尺寸均为10 m*10 m，埋深2 m。在管道的一侧敷设单根镀锌裸铜带，镀锌裸铜带半径为3 mm，与管道相距2 m，埋深与管道底部相同。其中，镀锌裸铜带①长约250 m，设置于距接地网A与管道连接点约110 m处，在裸铜带中部与管道相接；镀锌裸铜带②长约200 m，设置于距接地网B与管道连接点约160 m处，在裸铜带端部与管道相接；镀锌裸铜带③长约200 m，设置于距接地网B与管道连接点约290m处，在裸铜带中部与管道相接。表4为防护措施中相关接地装置的参数。

图7 防护措施位置示意图

包段位置管道编号集中接地网参数敷设裸铜带的参数数量尺寸隔直去耦合器数量敷设方式总长度隔直去耦合器数量包10段管道32个接地网A:80m*40m接地网B:120m*60m网格:10m*10m2个沿管道单侧敷设650m3个

图8 敷设镀锌裸铜带后燃气管道上的感应电压沿线分布曲线

在燃气管道3上采取相应防护措施后，重新进行仿真计算，输电线路在正常运行时管道对地电压的最大值约8.4 V，比采取措施前下降了87.3%，符合安全要求。管道感应电位沿线分布曲线如图8。

5 结 论

基于查阅中国电力研究院相关资料，对淮南-南京-上海1 000 kV特高压交流输电线路泰州站与苏州站之间包10段输电线路在正常运行情况下对邻近天然气管道3的电磁干扰进行了仿真计算。由计算结果可以看出，本文中燃气管道3在进户位置上产生的对地电压超过了人体安全电压限值，在采取沿管道敷设裸铜带措施后，在输电线路正常运行情况下，然气管道3的电磁干扰电压显著降低，满足了限值的要求，可确保人身安全和设备的安全运行。

[1] 齐磊，崔翔，郭剑，等.特高压交流输电线路正常运行时对输油输气管道的感性耦合计算模型[J].中国电机工程学报，2010，30(21)：121-126.

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Simulation and Research on Steady State Electromagnetic Interference on Pipelines Caused by High Voltage Transmission Lines

Zhu He，Hu Yiyang

(School of Civil Engineering and Architectural，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

When the pipeline is in the same public corridor with the high voltage transmission line，it will be affected by the electromagnetic field，which is usually referred as AC electromagnetic interference.When the induced AC voltage produced by the interference is higher，it will threat the safety of the pipeline operation and maintenance staff.Therefore，It is of great significance to study the influence of the high voltage AC transmission line on the nearby pipeline and to judge whether it exceeds the limited value and to put forward the method reducing the electromagnetic effect and the Mitigation-Method.This paper selects section 10 transmission line and gas pipeline 3 between the Taizhou Station and the Suzhou Station of “Huainan-Nanjing-Shanghai 1000 kV UHVAC power transmission project” as the system model.We use CDEGS developed by Canada SES Company to simulate steady state disturbance on pipeline 3 caused by transmission lines under steady state operation and to analyze the induction potential distribution on the pipeline 3.The conclusion is that the induced voltage of the pipeline 3 at household entrance is higher than the human safety voltage limits，and we need to lay bare copper along the pipeline or take other protective measures.

Transmission line；Electromagnetic interference；Simulation calculation and analysis；Mitigation-Method

2016-10-24

祝 贺(1978-)，男，博士，教授，主要研究方向：电网运行设备检测及故障修复新技术.

1005-2992(2017)03-0083-07

TM7

A

电子邮箱： zhuhe1215@163.com(祝贺)；1585741847@qq.com(胡艺阳)