埋地管道电磁干扰及缓解措施分析

郑 轩，宋萌清，杨劲松，马成廉

（1.吉林化工学院 信息与控制工程学院，吉林 吉林 132022；2.安徽明生电力投资集团有限公司，安徽 合肥 232001；3.现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室（东北电力大学），吉林 吉林 132012）

0 引 言

随着我国电力、铁路、天然气以及石油管道等基础设施不断发展，由于经济和地理条件的限制，部分地区的架空输电线路和金属管道经常使用相同的路线。在这种情况下，架空输电线路和金属管线或铁路之间会产生电磁干扰。在高压输电线上发生短路的情况下，大量的电流会流向地面。如果在短路区域附近有管道，电磁干扰在该管道上会产生比正常情况下更高的感应电压。尽管短路干扰的影响会根据管道中涂层的特性而降低，但这种涂层可能在安装或使用管道的过程中被损坏。

如果技术人员在管道泵站工作，并在短路时接触到金属表面，则可能会发生电击。工人在接触过程中所承受的电压被定义为接触电压。在《电信线路遭受强电线路危险影响的容许值》（GB 6830—1986）中，这种感应电压对管道的安全限制是60 V，在《低压配电设计规范》（GB 540054—1995）中是50 V，在《传统接触电压限值的使用-应用指南》（IEC TS 61201—2007）中是33 V。如果电磁干扰超过了这些标准所确定的安全限度，则出于安全考虑，应该采取一些措施降低感应电压。通过研究这种电磁干扰，并讨论安全措施，以便在安全限度内进行工作。

采用CDEGS 软件进行长架空输电线路和管道的电磁干扰分析，而CDEGS 程序的准确性在很多研究中已经得到验证。在这些研究中，对于某一区域阶跃电压和触摸电压的增加，为了减少对管道的电磁影响，一种方法是在管道和400 kV 架空输电线路的交汇处采用接地电缆，另一种方法是通过使用接地网减少触摸电压和阶跃电压[4]。针对干扰产生的由管道流向地面的电流导致管道变形的情况，文献[5]使用绝缘法兰缓解管道与输电线路之间的干扰。此外，研究人员使用阻抗电流阴极保护减少干扰造成的影响。

文章研究了公共走廊上的架空输电线路和一条弯曲铺设的管道之间的电磁干扰，采用增设缓解线的方法，将架空输电线路故障后的管道涂层耐受电压降低到可接受的水平。

1 输电线路及管道特性

在架空输电线路发生短路的情况下，涂层应力电压、接触电压以及步进电压升高。这些电压根据传输线路的电气和物理参数、管道的物理参数以及接地电阻/电阻率的变化而变化。沿管道的任何点x处的传导电压为

式中：Ux为x点的感应电压，V；Ug为地电位升；x1为地和管道之间的距离，m；re为接地电极的半径，m。

本研究模拟了总长为64.39 km 的110 kV 输电线路，杆塔为Delta 型、钢质。相导线为477 ACSS，屏蔽线为OPGW Optical ALCOA 48/48/606，平均档距为121.95 m。将每个杆塔的塔基模拟成长为6.098 m、直径为0.305 m 的钢型接地棒。沿着共用走廊，基于电阻率为100 Ω·m 的均匀土壤模型（2 个均匀土壤区域）计算接地电阻，其值为10.67 Ω。输电线路两端的2 个变电站接地系统的接地电阻分别为0.5 Ω 和1.0 Ω。正常情况下，最大负载电流值为三相的平衡电流，其值为830 A。埋地管道的材质为钢，直径为0.610 m，壁厚为0.952 7 cm，埋深为0.915 m，相对电阻率（相对于退火铜）为10 Ω·m，相对磁导率为300 H/m，管道涂层电阻率为40 887.37 Ω·m，涂层厚度为1 mm。

2 稳态及故障干扰分析

2.1 稳态干扰

当输电线路稳态运行的负载电流为830 A 时，管道受到干扰产生的纵向电流和感应电势变化曲线如图1 和图2 所示。

图1 管道纵向电流

图2 管道感应电势

由图1 可知，输电线路稳态运行时，管道中间段纵向电流达到峰值7.2 A，向两端平稳下降。由图2 可知，管道感应电势幅值呈现两端高、中间低的趋势，最高接近46.00 V（位于管道始端），最低约为9.00 V（位于管道中间段）。

2.2 故障情况下的交流干扰计算

在共用走廊中点处，当110 kV 输电线路发生故障时（相线和中性线间发生短路），计算管道上的交流（Alternating Current，AC）干扰。计算故障相线和中性线间的分路电流分布、电位分布以及故障时管道的感应电势（感应和传导分布）和涂层耐受电压，结果如图3、图4、图5 以及图6 所示。

图3 分路电位幅值

图4 分路电流幅值

图5 故障时管道感应电势

图6 涂层耐受电压幅值

当输电线路发生故障时，塔号为3 的杆塔处故障相线和中性线间的分路电流与电压最高，分别为320 A、3 400 V。受干扰管道的感应电势和涂层耐受电压变化趋势十分接近，管道始端的感应电势和涂层耐受电压较高，为3 100 V。

2.3 稳态和故障情况下管道上的感应电位

综合考虑输电线路稳态与故障对管道的交流干扰，分析管道沿线的感应电势和管道涂层总耐受电压，如图7、图8 以及图9 所示。

图7 稳态情况下管道上的感应电势

图8 故障情况下管道上的感应电势

图9 涂层总耐受电压

从图7 可以看出，正常负载情况下，管道上的最大感应电压接近46 V，不超过埋设管道50 V 的限值，因此无须采取专门的缓解措施。从图8 可以看出，故障情况下，管道始端感应电势较高，约为5 175 V。从图9 可以看出，故障情况下管道的最大涂层耐受电压为4 946 V，超过了安全限值2 500 V，此时需要对管道采取缓解措施。

3 降低管道干扰的缓解方法分析

为了将故障情况下管道沿线的涂层承受电压和接触电压降低到设计阈值以下，需要进行准确的缓解措施设计。针对故障情况设计的缓解措施在负载情况下进行检验时，多数能够满足要求。如果在负载情况下，缓解措施不能满足要求，则需要重新设计缓解措施。通过在触摸电压和阶梯电压增加的区域增加一条新的代表缓解线的相线，将缓解线铺设在管道沟的底部1.5 m 深，离管道边缘的距离为0.3 m。仿真分析加入缓解线后，在输电线路故障情况下，管道涂层总的耐受电压如图10 所示。

图10 加入缓解后管道涂层总耐受电压

由图10 可知，加入缓解线后，管道涂层总耐受电压最大值为280 V，较加入缓解线之前的4 946 V下降了94.34 %，此方法已经将管道涂层承受电压降低到可接受的水平。考虑安全限制，缓解线为输电线路与管道并行的情况提供了较佳的解决方案。

4 结 论

研究输电线路稳态运行与短路故障下与金属管道之间的交流干扰，并对故障下管道涂层耐受电压过高采取一定缓解措施，取得了一定的成果。110 kV输电线路稳态运行下，负载电流为830 A 时，管道纵向电流最高为7.2 A，感应电势最高接近46 V，在安全限值以下。考虑稳态与故障情况下，管道的最大涂层承受电压为4 946 V，超过了限值2 500 V，此时管道需要采取缓解措施。对于受干扰管道涂层耐受电压远高于安全限值的情况，在管道沟的底部1.5 m 深铺设缓解线，缓解线距管道边缘0.3 m。通过增设缓解线的方法，可以降低架空输电线路与管道之间的电磁干扰引起的感应接触和跨步电压，降低管道涂层总耐受电压。为限制感应电压，在输电线路和管道的安装过程中，应选择有效的屏蔽方法降低铁塔接地电阻。