高压交流电缆对海底管道电磁干扰的计算分析

2023-11-28田念佩梁守才杜艳霞

腐蚀与防护 2023年10期

田念佩,梁守才,袁洵,梁毅,杜艳霞

(1.北京科技大学新材料技术研究院,北京 100083;2.辽河油田油气集输公司,盘锦 124010)

近年来,随着我国海洋平台的开发与应用,海底电缆也大规模进行敷设。由于地理位置限制,在实际设计与建设过程中,不可避免会出现海底电缆与海底管道长距离并行或多次交叉的情况,形成长距离的共用走廊带,管道会受到来自电力系统的交流干扰[1-3]。目前,国内外已经发生了多起管道受到高压交流电缆电磁干扰的案例。杨晓洪等[3]在西气东输管道晋豫段、安徽定远段和陕京Ⅱ线石家庄段上测得最大管道交流电压高达46 V,最大交流泄漏电流密度为22.2 mA/cm2,发现交流干扰源主要是110 kV和220 kV交流高压输电线路。WOLFGANG等[4]对美国现有输气管道超过10 300 km进行交流干扰风险等级评估,根据测量数据,有7个位置显示出严重的交流腐蚀风险,其中最高交流电流密度为197 A/m2。莫冰玉等[5]研究了海西-塔拉线路乌兰段公共走廊管道在 750 kV线路三相7%不平衡运行下的交流干扰情况,测得管地电位可达 140.7 V,正常运行时交流电流密度达到265.1 A/m2。交流干扰会加速管道的腐蚀,大大缩减管道的使用寿命[7|8],同时还会对工作人员造成电击伤害,威胁人身安全。因此,开展高压交流电缆对管道交流干扰腐蚀风险评估,并进行影响因素及干扰规律研究极为重要。

目前,国内外学者利用电磁干扰模拟软件对交流高压电缆对管道的交流干扰规律进行了一些研究[9-11]。吕智[11]通过建立埋地电缆与邻近管道的电磁干扰模型,得出埋地电缆对管道的电磁干扰随着并行间距的减小、并行长度的增加逐渐减小,最终趋于稳定。李广泽等[12]研究得出管道中感应电势与高压输电线中运行电流成正比,管道与高压输电线交叉点的感应电势最大,沿交叉点向两侧递减,且随着交叉角度增大,管道中的感应电势逐渐降低,且降低趋势渐趋平缓。梁毅等[13]构建了海底电缆对沉海油气管道交流干扰的计算模型,研究得出随着负载电流不平衡度和海底电缆外被层面电阻率的增大,管道的交流干扰电压及交流电流密度均增大;当海底电缆由三相互连接地转变成三相分别接地时,管道的最大交流干扰电压增大了将近6倍。孟絮絮等[14]研究了特高压交流输电线路在不同管线位置对管道的干扰情况,得出随着管道与线路中心距离增大,管道上最大感应电压先增大再减小,且当距离为30 m时,达到最大值;管道上感应电压随着并行长度的增大而迅速增大,继而缓慢减小,最终趋于稳定,当并行长度在2 000 m左右时,管道感应电压最大。目前,国内外学者的研究重点基本为陆地上高压输电线或电气化铁路等与管道并行情况下的干扰研究,关于海底电缆对海底管道的干扰研究较少,并且由于海底环境复杂,施工与维修困难,利用电磁干扰数值模拟软件弄清海底管道受交流干扰的影响因素对于科学缓解交流干扰、确保管道的安全至关重要。

笔者基于实际工程参数建立了高压交流电缆对海底管道的计算模型,利用CDEGS数值模拟计算技术探究了不同因素作用下海底电缆对海底管道电磁干扰的规律,以期为后续的海底电缆工程建设提供参考和借鉴。

1 计算模型建立与参数设计

基于现场案例参数,利用CDEGS软件建立模型,开展高压交流电缆对海底管道电磁干扰模拟计算分析。表1和表2分别为海底管道和环境的基础参数。

表1 管道基本信息

表2 环境基本信息

海底电缆均采用三芯电缆,三相呈三角形排列。具体电缆结构如图1所示, 将三相电缆分为缆芯、缆芯绝缘层、铅套、铅套绝缘层、铠装和外被层六部分。稳态运行情况下,海缆1和海缆2负载电流分别为761 A和499 A,负载电流不平衡度为4%。电缆在两端存在接地,接地形式为铅套三相互联接地及铠装接地,铅套和铠装接入同一接地极。海底电缆埋设于海床下2 m位置。

图1 海底电缆结构图Fig.1 Structure diagram of submarine cable

按GB/T 50698-2011《埋地钢制管道交流干扰防护技术标准》,采用交流电流密度对海底管道交流风险进行评估,交流电流密度公式见式(1)。

(1)

式中:J为管道破损点处交流电流密度,A/m2;V为管道交流干扰电压,V;ρ为土壤电阻率,Ω·m;d为防腐层破损点等效直径,按发生交流腐蚀最严重的情况,取0.011 3 m。

参考BS EN 15280-2015《应用于阴极保护埋地管道的交流腐蚀可能性评价》和BS ISO 18086-2019《金属和合金的腐蚀交流腐蚀的测定防护等级》中交流干扰评估标准,采用如表3所示交流干扰风险评判指标。

表3 交流干扰程度的判断指标

2 各因素对管道交流干扰的影响

根据管道、海缆及环境的基础信息,利用CDEGS软件构建了3种相对位置下海缆与海管的交流干扰计算模型,对管道遭受的交流干扰情况进行了模拟计算,分析了各因素对管道交流干扰的影响。

2.1 不同相对位置下,高压交流电缆与海底管道并行长度的影响

综合考虑了海缆与海管的相对位置及并行长度对海管交流干扰程度的影响规律,并行间距设为30 m,主要分为表4所示的3种情况。

表4 海缆与海管的相对位置及并行长度

2.1.1 情况1

当海缆与海管的并行间距为30 m时,保持海底电缆与管道两端不变,改变中部并行长度,相对位置如表4中情况1所示,对管道所受干扰进行计算。海缆与管道并行长度分别设为0.5,1,5,10,20 km,对不同并行长度情况下的交流干扰风险进行计算。由图2可见,当海缆与管道并行长度为0.5 km时,管道的最大交流干扰电压为9.95×10-4V,最大交流电流密度为1.12 A/m2;当海缆与管道并行长度增至20 km时,管道的最大交流干扰电压增至0.018 V,最大交流电流密度增至20.8 A/m2,约为并行长度为0.5 km时的18.6倍。由此可见,在情况1条件下,管道的最大交流电流密度随着并行长度的增加而增大。

图2 情况1条件下,并行长度对管道交流干扰程度的影响Fig.2 Impacts of parallel lengthe on the degree of AC interference in the pipeline under No.1 condition:(a) AC interference voltage; (b) AC current density

2.1.2 情况2

保持海缆与海管的并行间距为30 m,同时改变海底电缆与管道长度,相对位置如表4中情况2所示,对管道所受干扰影响进行计算,将海缆与管道并行长度分别设为0.5,1,5,10,20 km,对不同并行长度条件下的交流干扰风险进行计算。由图3可见:当并行长度<10 km时,管道的最大交流电流密度随着并行长度的增加而增大;当并行长度>10 km时,管道最大电流密度随并行长度的增大而降低。

图3 情况2条件下,并行长度对管道交流干扰程度的影响Fig.3 SImpacts of parallel lengthe on the degree of AC interference in the pipeline under No.2 condition:(a) AC interference voltage; (b) AC current density

2.1.3 情况3

保持海缆与海管的并行间距为30 m,且管道长度与位置保持不变,改变海缆长度,相对位置如表4中情况3所示,对管道所受干扰影响进行计算,管道长度为70 km,海缆与管道并行长度分别为0.5,1,5,10,20 km,对不同并行长度情况下的交流干扰风险进行计算。由图4可见,当并行长度<5 km时,管道的最大交流电流密度随并行长度的增大而升高;当并行长度>5 km时,管道的最大交流电流密度随并行长度的增大而降低。

图4 情况3条件下,并行长度对管道交流干扰程度的影响Fig.4 Impacts of parallel lengthe on the degree of AC interference in the pipeline under No.3 condition:(a) AC interference voltage; (b) AC current density

2.2 高压交流电缆与海底管道间距的影响

保持海底电缆和管道相对位置不变(情况1),两者间距分别为10,30,50,100,200 m,对不同间距情况下的交流干扰风险进行计算。由图5可见,管道的交流干扰电压和交流电流密度随着海底电缆与管道间距的增大而减小,当海底电缆与管道的间距为10 m时,在管道与海缆并行的起点与终点位置出现交流干扰电压与交流电流密度的峰值,分别为0.026 V和28.8 A/m2;当海底电缆与管道的间距为30 m时,最大交流干扰电压为0.011 V,最大交流电流密度达到12.8 A/m2,交流腐蚀风险较低;当海底电缆与管道的间距增大到100 m时,管道最大交流电流密度低于2.61 A/m2,降低幅度约为90.9%。

图5 海底电缆与管道的间距对管道交流干扰程度的影响Fig.5 Effects of distance between submarine cable and pipeline on AC interference degree of pipeline:(a) AC interference voltage; (b) AC current density

2.3 高压交流电缆负载电流的影响

保持海底电缆和管道相对位置不变(情况1),海缆与海管间距为30 m,计算了海底电缆负载电流对海底管道交流干扰影响的规律。由图6可见:随着海底电缆负载电流的增大,海底管道的受干扰程度增大。当海缆的负载电流为499 A时,管道最大交流干扰电压为0.007 4 V,最大交流电流密度为8.39 A/m2。当海缆的负载电流增大至761 A时,管道最大交流干扰电压和交流电流密度分别增至0.011 V和12.8 A/m2,增长幅度为52.6 %。

图6 负载电流下对管道交流干扰的影响Fig.6 Effects ofload currentson AC interference degree of pipeline:(a) AC interference voltage; (b) AC current density

2.4 高压交流电缆负载电流不平衡度的影响

当海缆负载电流不平衡度为A相4%,即海缆ABC三相输出电流分别为791.44 A、761 A和761 A时,各相实际负载电流的差异会使管道遭受不同程度的干扰。选用情况1相对位置,保持海缆与管道并行间距为30 m,分别选取海缆A相不平衡度为1%、2%和4%,探究不平衡度对管道交流干扰程度的影响。由图7可见:随着不平衡度的增大,交流干扰逐渐增大。当不平衡度为1%时,交流干扰电压和交流电流密度分别为0.028 V和3.20 A/m2;当不平衡度增至4%时,交流干扰电压增至0.011 V,交流电流密度增至12.8 A/m2。

图7 负载电流不平衡度对管道交流干扰的影响Fig.7 Impacts load currents imbalance degre on AC interference of pipeline:(a) AC interference voltage;(b) AC current density

2.5 高压交流电缆外被层面电阻率的影响

当海缆的外被层面电阻率发生变化时,管道受干扰程度也会发生变化。为了对比不同海缆外被层面电阻率的影响效果,分别选取外被层面电阻率为1 000,2 000,5 000,10 000,20 000 Ω·m2进行计算。由图8可见:交流干扰电压和交流电流密度均随海缆外被层面电阻率的增大而增大,且在海缆两处拐点处,管道受到的交流干扰最大。当海缆的外被层面电阻率为1 000 Ω·m2时,其峰值交流干扰电压为5.82×10-4V,交流电流密度为0.66 A/m2。当海缆的外被层面电阻率升至20 000 Ω·m2时,其峰值交流干扰电压为0.033 V,交流电流密度为37.2 A/m2。

图8 海缆外被层面电阻率对管道交流干扰的影响Fig.8 Impacts of resistivity of submarine cable outer layer on AC interference of pipeline:(a) AC interference voltage; (b) AC current density

2.6 讨论

目前,关于并行间距、并行长度、负载电流和负载电流不平衡度等因素对管道受干扰程度的影响机理可以从国内外学者的一些研究中找到,如齐磊等[15]提出了管道饱和平行长度的概念,随着管道平行长度的增加,管道感性耦合电压先逐渐增大,然后略有降低,并最终趋于稳定。然而,海缆外被层面电阻率是海缆的特有因素,关于其对管道影响的具体原因及机理的研究,国内外鲜见报道。故笔者基于现场模型得到的参数,建立不同的模型,探究海底电缆外被层面电阻率增大对管道干扰影响的原因。

图9为海底电缆简化后两端三相互联接地的实际情况,简化之后,海缆三相的三个铅套与铠装连在同一个垂直接地极上,缆芯和铅套的绝缘层电阻很大,近似绝缘,外被层非绝缘,铠装中流动的电流可通过外被层泄漏到外界环境中。

图9 三相海底电缆接地简化模型图Fig.9 Simplified model of three-phase submarine cable grounding

海底电缆主要通过电阻耦合和电感耦合两种方式在管道上耦合出交流电压,从而对管道造成交流干扰。如图10和11所示:当海缆中的缆芯流动电流时,会在海缆中同相相邻的护套和铠装层上感应出反方向电流,而护套上流动的电流经过三相抵消后同样在铠装上感应出反向电流,铠装层上的电流经过一部分抵消后会在铠装中流动,在流动的过程中会在附近的管道处产生感应,从而对管道产生干扰,这个过程即为感性作用。同时由于铠装连接垂直接地极,且垂直接地极的电阻很小,因此在铠装上流动的电流会在接地处流出很大一部分,这部分电流在接地极处类似于一个点电场对外散发电流,从而对管道产生阻性干扰。

图10 海底电缆对管道电感耦合示意图Fig.10 Schematic diagram of inductive coupling of submarine cable to pipeline

图11 海底电缆对管道电阻耦合示意图Fig.11 Schematic diagram of resistance coupling of submarine cable to pipeline

通过建立简单模型,探究海缆外被层发生变化时对管道的干扰影响情况,取其中一段与接地相连的海缆作为观察对象,获得其A相缆芯、护套、铠装及接地的相关数据,如下表5所示,流入电流代表在海缆各层中实时流动的电流。由表5可见,随着海缆外被层面电阻率增大,控制输入海缆内部的缆芯电流保持不变,其在铅套层上感应的电流大小相同,各层中的参数仅有铠装层和接地处的电流有变化,铠装层上流动的电流随着外被层面电阻率的增大而降低,接地处的电流增大。同时,接地中流入电流大于铠装中流入电流,说明阻性耦合占主导作用。外被层面电阻率增大时,在铠装上流动的电流由于通过外被层向外泄漏困难,因此更多的电流会通过接地处流向环境,使得接地处的流入电流会增大,对周边管道的阻性作用增强,管道受干扰程度增大。