架空输电线路接地杂散电流及电磁干扰研究

2020-09-18高晓东安韵竹韩正新咸日常吕守国

山东理工大学学报（自然科学版） 2020年5期

高晓东，安韵竹，毕斌，韩正新，咸日常，吕守国

(1.国网山东省电力公司检修公司，山东济南 250118；2.山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博 255049)

我国输电线路架设走廊占地面积较大，电力和石油天然气两大行业在工程建设选择传输路径时秉承相近的择优原则，不可避免地造成了架空线路沿途与油气管道时有临近和交叉。由于输电线路与油气管道间存在电磁耦合，输电线路运行过程中必然会在油气管道上产生感应电压和感应电流。这种感应电压和感应电流不仅能加速埋地金属管道的腐蚀，还可能威胁管道操作人员的人身安全。因此，有必要研究架空线路杂散电流对埋地金属管道的电磁干扰问题。

早在20世纪初，国外学者就开始研究电力线路对金属管线的电磁干扰问题。加拿大SES公司的Dawalibi博士在电磁干扰理论研究上的突破，实现了埋地导体感应电流的准确计算[1-3]。随后，一些国家根据相关理论研究成果和工程应用经验制定了相关的安全限值标准[4-6]。国内对于输电线路-油气管道电磁干扰的研究起步较晚，目前对电磁干扰的理论计算、工程实际应用、现场测量和相关安全限值等方面也开展了许多研究并取得了重大进展[7-11]。曹方圆等[12]基于管道-大地回路传输线模型推导了不同情况下输电线路在埋地管道上产生感性耦合电压的解析表达式，提出了管道饱和平行长度的概念，之后张波等[13]提出了最大管道金属电位的计算公式及相应的约束条件。王新华等[14]以750 kV高压交流输电线路工程为例，通过仿真、室内实验和现场测试研究了埋地管道的电磁干扰规律。郭剑等[15]以金中直流工程为依托，分析了输电线路-油气管道两处平行和交叉地点电磁干扰程度，并对电磁干扰超出限值的部分提出了设计建议。白峰等[16]研究了1 000 kV单回输电线路以及同塔双回输电线路与管道防护间距，为工程施工提供了参考。

为了研究正常运行状态下500 kV架空线路杂散电流对埋地金属管道的电磁干扰，本文通过加拿大SES公司研发的专业电磁场仿真软件CDEGS(Current Distribution Electromagnetic Fields Grounding and Soil Structure Analysis)，搭建500 kV输电线路与油气管道交叉跨越计算模型，对比分析了管道交叉跨越长度、交叉夹角、土壤电阻率和土壤结构、导线平均高度、导线负荷电流、管道防腐涂层及接地装置对埋地金属管道电磁干扰的影响，并结合相关标准给出施工建议。

1 500 kV线路-油气管道交叉跨越模型参数

1.1 500 kV输电线路模型参数

500 kV单回输电线路采用三相五线制，地线型号为OPGW-150，计算外径为15.75 mm；导线型号为JL/LB20A-630/45，钢芯铝绞线，相导线分裂数为4，计算外径34.6 mm。导线对地高度设置为H1，相邻两相之间的水平距离设置为d1，架空地线对地高度设置为H2，地线之间水平距离设置为d2。如若没有特别指定，取H1=28 m，H2=35 m，d1=11.8 m，d2=15.46 m，运行电流设置为1 400 A。杆塔结构示意如图1所示。

图1 输电线路杆塔结构示意图Fig.1 Diagram of transmission line tower

1.2 油气管道模型参数

典型油气管道结构参数见表1。油气管道选取直径φ1 016 mm的低碳钢，壁厚为18.4 mm，其相对电阻率取10，相对磁导率为300，管道埋深2.0 m，防腐层类型选择为3层PE结构，防腐层厚度统一设定为3 mm，防腐层电阻率默认选择105Ω·m。

表1 油气管道结构参数Tab.1 Structural parameters of oil and gas pipelines

1.3 输电线路与油气管道交叉电磁干扰计算模型

实际输电线路与油气管道交叉电磁干扰计算模型如图2所示。图2中，L1表示正常运行时管道-线路交叉穿越模型设置的输电线路总长度，其中线路的杆塔档距为450 m；L2表示管道与输电线路交叉部分长度；L3表示管道两端向远方延伸长度。

图2 500 kV输电线路与管道交叉时的电磁影响仿真模型Fig.2 Simulation model of electromagnetic influence with 500 kV transmission line crossing pipeline

2 不同因素对输电线路与油气管道间电磁干扰的影响

2.1 管道交叉跨越长度的影响

为了研究管道交叉跨越长度对油气管道电磁干扰的影响，本节中架空线路与油气管道间夹角θ=15°，土壤电阻率为100 Ω·m，管道外径、壁厚、埋深、防腐层设置为默认值，管道交叉跨越长度L2分别为2 km、4 km、6 km、8 km和10 km。管道感应电压、涂层耐受电压、交流电流密度的仿真结果如图3所示。由图3的仿真结果可知：管道感应电压、涂层耐受电压以及交流电流密度的最大值均位于模型交叉点，且管道交叉跨越长度对上述各参数的沿线分布具有显著影响;上述参数的最大值随着管道长度的增加而增加，但增长幅度逐渐下降。

2.2 交叉夹角的影响

本节计算分析了线路-管道交叉夹角θ对管道电磁干扰的影响，取θ为15°～90°，交叉跨越长度L2=6 km，管道感应电压、涂层耐受电压、交流电流密度的仿真结果如图4所示。

由图4的仿真结果可知，管道干扰电压源于线路与管道间的感性耦合，随平行于输电线路的管道等效长度的增大而增大。因此，涂层耐受电压、管道感应电压以及交流电流密度均随交叉夹角θ的增大而减小。可见，交叉夹角θ对管道的电磁干扰影响较大，工程中可通过增大角度θ有效减小线路对埋地管道的电磁干扰，实际工程中建议采用垂直交叉方式进行施工。

2.3 土壤参数的影响

2.3.1单层均匀土壤结构

为了研究土壤电阻率对管道电磁干扰的影响，取土壤电阻率分别为100Ω·m、200Ω·m、500Ω·m、1000Ω·m和2000Ω·m，交叉夹角θ=15°，其他参数选择默认值。管道感应电压、涂层耐受电压、交流电流密度仿真结果如图5所示。

由图5的仿真结果可知：随着土壤电阻率的增大，管道感应电压无明显变化，涂层耐受电压有小幅下降，交流电流密度减小；在不同土壤电阻率下，管道感应电压、涂层耐受电压及交流电流密度本身数值变化非常小，可忽略土壤电阻率对管道电磁干扰的影响。

2.3.2土壤分层结构

本节采用三种土壤结构，具体土壤结构参数见表2。分层土壤结构下的管道感应电压、涂层耐受电压和交流电流密度的计算结果如图6所示。

表2 土壤结构类型Tab.2 Types of soil structures

由图6的仿真结果可知：与均匀土壤电阻率所得结论一致，土壤分层类型对管道感应电压影响不明显；分层结构B和C的电流密度曲线重合，并且明显小于分层结构A的；而管道感应电压、涂层耐受电压及交流电流密度本身数值变化非常小，可忽略土壤结构对管道电磁干扰的影响。

2.4 导线平均高度的影响

为了分析导线平均高度对管道电磁干扰的影响规律，在其他参数保持不变的前提下，选取导线平均高度为22m、24m、26m、28m和30m(在此忽略弧垂)。管道感应电压、涂层耐受电压和交流电流的变化规律如图7所示。

由图7的仿真结果可知：由于导线平均高度仅影响输电线路与埋地管道的感性耦合，所以在感性耦合距离最近的位置即线路和管道的交叉点处各参数变化较大；远离交叉点的管道段与线路的距离较大，导线平均高度基本不影响管道上的电磁干扰。

2.5 导线负荷电流的影响

为了分析导线负荷电流对管道电磁干扰的影响，保持其他参数不变，负荷电流分别取1.2kA、1.4kA、1.6kA和1.8kA进行仿真，管道感应电压、涂层耐受电压和交流电流的仿真结果如图8所示。

由图8的仿真结果可知：随着导线负荷电流增大，管道感应电压、涂层耐受电压以及交流电流密度在管道全线范围内均明显增大；输电线路负荷电流由1.2 kA增大至1.8 kA，管道感应电压提高约6.70 V，涂层耐受电压提高约6.66 V，交流电流密度提高约0.02 A/m2，各参数值均提高约50%。可见，负载电流对管道的电磁干扰有较大影响。

2.6 管道涂层电阻率的影响

为了分析管道涂层电阻率对电磁干扰的影响，保持其他参数不变，选取涂层电阻率为102～106Ω·m，仿真结果如图9所示。

由图9的仿真结果可知：涂层电阻率从102Ω·m增长至104Ω·m时，管道感应电压增加了5.40 V，涂层耐受电压增加了12.88 V，交流电流密度增加了0.04 A/m2；涂层电阻率从104Ω·m增长至106Ω·m时上述三者的变化幅度明显减小。由于交流电流密度反映泄漏电流，而交流电流密度是根据涂层耐受电压得来，涂层两侧电势差减小势必造成交流电流密度减小。实际上低电阻率涂层不能有效阻挡从管道流至大地的电流，导致管道流经涂层泄入大地的纵向电流增大，而高电阻率的涂层例如3层PE涂层耐受电压较高，减弱了电解电池模型造成的管道腐蚀，更有利于保护管道。