海底电缆对海底管道电磁干扰仿真技术研究

卫 宪，杨 岭，朱 艳，王 巍，赵开龙

1.天津大学建筑工程学院，天津 300072

2.中国石油天然气股份有限公司大港赵东作业分公司，天津 300457

3.中国石油集团工程技术研究有限公司，天津 300451

随着海洋油气田的不断开发，作为海上油气田开发生产系统主要组成部分的海底管道及为海上石油平台提供通讯和电力的海底电缆，需求越来越大，由此导致海底电缆与海底管道存在交叉或者长距离并行的工况[1-6]。

在高压交流输电线正常运行或发生短路接地故障时，线路周围存在的电磁场会在周围的环境中产生电磁感应、电容、传导干扰电流或电压。不管交流还是直流干扰，都会对周围的金属物体造成损伤，甚至对站在附近触摸金属的人造成电击伤害，引发一定危险。而且过高的杂散电流或涂层电压（管地电压）会使管道涂层性能劣化甚至击穿，加速管道的腐蚀、损坏绝缘法兰和整流设备，甚至威胁作业人员安全[7-13]。

我国渤海某油田的2条海底电缆与2条海底管道在长度约5 km范围内形成公用走廊，其中靠近管道侧的电缆长4 831.61 m，与2条管道存在4次交叉；另一条电缆长4 756.59 m，与管道无交叉。本文主要研究电缆对生产管道的电磁干扰，以实际工况作为实验条件，借助专业软件构建了海底电缆与海底管道的电磁干扰仿真模型，研究了海底电缆在正常运行、单相对地短路故障、电缆铠装层破损等工况下对海底管道形成的交流干扰，并依据相关标准给出交流腐蚀风险、人身安全等判断。研究结果可为相关工程的设计与整改提供参考依据。

1 仿真特性参数确立

1.1 海洋环境电气特性

海水电阻率为0.32 Ω·m，海水层深度5 m；海泥层电阻率为10 Ω·m，海泥层厚度为5 m，海泥层下方的基岩电阻率为800 Ω·m。管道和电缆均处于海泥层。

1.2 海底管道特性参数

海底管道铺设在水中，采用牺牲阳极保护。海底管道仿真设计时，沿管道每900 m布置一个牺牲阳极，牺牲阳极相对电阻率3.42，相对磁导率10，外半径0.015 m。海底管道具体参数如表1所示。

表1 海底管道参数

1.3 海底电缆特性参数

海底电缆具体参数如表2所示。两条电缆虽然长度不同但型号相同。

表2 海底电缆参数

1.4 涂层小缺陷破损孔

涂层小缺陷破损孔的电流密度是确定交流干扰腐蚀的关键参数，决定了金属管道的腐蚀速度。在小孔的存在不影响管地电位的假设条件下,涂层小缺陷破损孔的电流密度可以由无涂层小缺陷破损时计算的管地电位除以涂层小缺陷破损孔等效电阻得到。

若管道在电阻率为10 Ω·m的海泥里，假设小孔为圆柱形，面积1 cm2的涂层小缺陷破损孔的等效电阻为：

式中：R为涂层小缺陷破损孔等效电阻，Ω；ρs为电阻率，Ω·m；r为小缺陷破损孔半径，m。

若管道位于电阻率为0.32 Ω·m的海水里，假设小孔为圆柱形，面积1 cm2的涂层小缺陷破损孔的等效电阻为：

2 仿真计算及分析

2.1 仿真模型建立

根据实际工况，建立如图1所示的计算模型，整个模型中包括了电缆和管道系统平行、交叉的区域，同时为了保证计算结果准确可靠，也考虑了平行区域外的电力电缆。模型采用的各参数均基于实际工况数据选取，如电缆参数、管道参数、电缆稳态运行电流、故障以及铠装的接地等，从而准确地反映现场实际情况。

图1 仿真模型平面示意

2.2 海底电缆正常运行条件下海底管道交流干扰情况

在两条电缆均正常运行且同方向供电情况下，工作电压为13.8 kV，工作电流为75 A。

经模拟计算，海底管道受交流干扰的程度如图2～图5所示。图2为管道金属电位升；图3为管道沿线接触电压；图4为当生产管道处于海泥中，在管道任意位置发生面积1 cm2小缺陷破损孔的电流密度；图5为当海底管道处于海水中，在管道任意位置发生面积1 cm2小缺陷破损孔的电流密度。横坐标以图1中A平台位置为原点。

图2 管道金属电位升

图3 管道沿线接触电压

图4 海底管道处于海泥层时小孔电流密度

图5 海底管道处于海水层时小孔电流密度

从图2、图3可见：在电力电缆正常运行时，管道所受交流干扰水平很低；管道金属最大电位升约0.009 79 V，最大接触电压为0.009 754 V。

从图4、图5可见：若海底管道处于海泥中，流过面积1 cm2缺陷孔的最大泄漏电流密度为0.219 8 A/m2；若海底管道处于海水中，流过面积1 cm2缺陷孔的最大泄漏电流密度为6.869 A/m2。

2.3 海底电缆发生单相对地短路故障情况下海底管道交流干扰情况

在海底电缆的A相缆芯和护套短路并与铠装短接情况下，由于故障相电流较大，管道感应电压会成倍抬高。同时，有很大的故障电流将经过铠装两端流向水中，附近海水的电位会升高，构成传导干扰。此时，在电缆发生单相对地故障情况下，海底管道将同时承受电感性耦合和传导性耦合影响。对于一个给定的管道，最严重的故障位置通常是在最接近电力系统的部分即电缆与管道的交叉位置。在该电磁干扰仿真模型中，设置单相对地故障点的位置如图6所示。

图6 单相接地故障点位置

经模拟计算，图6所示位置海底电缆发生单相对地短路故障时海底管道受交流干扰，两条管道沿线的接触电压和涂层电压如图7、图8所示。

图7 管道沿线接触电压/V

图8 管道沿线涂层电压/V

从图7、图8可知：在图6所示位置发生短路故障时，故障电流可在管道涂层形成最大25.56 V的总电压，管道沿线接触电压最大值为25.25 V。

2.4 电缆在交叉位置破损海底管道交流干扰情况

靠近管道的电缆在管道交叉位置破损且两条电缆都正常运行条件下，计算模型如图9所示。

图9 电缆破损位置

经模拟计算，海底管道受交流干扰的程度如图10～图13所示。图10为管道电位升；图11为接触电压；图12为当海底管道处于海泥中，在管道任何位置发生面积1 cm2小缺陷破损孔的电流密度；图13为当海底管道处于海水中，在管道任何位置发生面积1 cm2小缺陷破损孔的电流密度。

图10 管道金属电位升

图11 管道沿线接触电压

图12 海底管道处于海泥层时小孔电流密度

图13 海底管道处于海水层时小孔电流密度

从图10、图11可见：电缆靠近管道的电缆和管道的交叉位置处，铠装外绝缘破损，且电力电缆正常运行时，管道所受交流干扰水平很低，最大管道金属电位升约0.015 V，最大接触电压为0.012 V。

从图12和图13可见：若海底管道在海泥中，流过面积1 cm2缺陷孔的最大泄漏电流密度为6.642 A/m2；若生产管道处于海水中，流过面积1 cm2缺陷孔的最大泄漏电流密度为10.3 A/m2。

3 结论

通过建立海底电缆与海底管道的电磁干扰仿真模型，研究了海底电缆在正常运行、单相对地短路故障、电缆铠装层破损等工况下对海底管道形成的交流干扰。依据NACE SP0177标准，接触电压安全设计限值15 V，金属电位升安全设计限值50 V，管道涂层安全电压设计限值5 000 V；依据GB/T 50065—2011标准，计算电缆故障下接触电压允许值为394.05 V；依据EN 15280标准，选择管道交流腐蚀设计限值为30 A/m2。

（1）在电缆正常运行时，海底管道所受交流干扰水平很低：最大管道金属电位升约0.00979V，远小于安全极限值（50V）；最大接触电压0.009754V，可接触物体不会超过安全极限值（15 V）。若海底管道在海泥中，流过面积1 cm2缺陷孔的最大泄漏电流密度为0.219 8 A/m2，无交流腐蚀风险；若海底管道处于海水中，流过面积1 cm2缺陷孔的最大泄漏电流密度为6.869 A/m2，无交流腐蚀风险。

（2）电缆典型位置发生单相对地短路故障时，故障电流可在管道涂层形成最大25.56 V的总电压，远低于设计限值（5 000 V），无须对管道进行缓解措施的设计，管道沿线接触电压的最大值为25.25 V，满足人身安全要求。

（3）电缆在交叉位置破损，且电力电缆正常运行时，管道所受交流干扰水平很低，最大管道金属电位升约0.015 V，远小于安全极限50 V标准；最大接触电压为0.012 V，可接触物体不会超过安全极限15 V。若生产管道在海水中，流过面积1 cm2缺陷孔的最大泄漏电流密度为6.642 A/m2，无交流腐蚀风险；若生产管道处于海水中，流过1 cm2缺陷孔的最大泄漏电流密度为10.3 A/m2，无交流腐蚀风险。

综上所述，结合油田的实际工况，在长度约5 km范围内的公用走廊，海底电缆不会对海底管道形成明显交流干扰，无交流腐蚀风险，满足人身安全要求。