架空電力線路故障狀況下對埋地金屬管道感性耦合的傳輸線計算模型

牟海霞　鄧海波　王創業

摘 要：在我國社會經濟快速發展的同時，人們具有越來越大的能源需求，因此現在的輸油輸氣管道和輸電線路的建設進程變得越來越快。因為石油天然氣行業和電力行業在選擇傳輸管徑的時候基本上都是采用相近的原則，因此經常會出現輸油輸氣管道和輸電線路交叉跨越或平行接近的情況。臨近架空電力線路的輸油輸氣管道在線路出現短路故障的時候會出現感性耦合和阻性耦合影響，這些都屬于潛在的危險因素。為此，本文針對架空電力線路故障狀況下對埋地金屬管道感性耦合的傳輸線計算模型進行了分析和介紹，供大家參考。

關鍵詞：架空電力線路；埋地金屬管道；感性耦合

中圖分類號： TM751 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）24-216-2

0 引言

輸油輸氣管道受到的交流輸電線路的電磁影響主要包括容性耦合影響、阻性耦合影響和感性耦合影響等3個方面，通常都會在地下埋設輸油輸氣管道，而且在施工和維護的過程中會采用分段接地的方式，所以基本上不會產生容性耦合影響。輸油輸氣管道受到的交流輸電線路的影響主要涉及以下幾個方面的對象：

第一，對管道交流腐蝕的影響；

第二，對管道陰極保護設備的影響；

第三，對管道安全的影響；

第四，對人身安全的影響。

如果有短路的故障出現在交流輸電線路中，其就會通過阻性耦合和感性耦合的方式導致輸油輸氣管道出現合成干擾電壓，從而極大地影響到管道的安全和人身安全。

1 以傳輸線理論為基礎的計算感性耦合的方法

要將管道受到線路的感性耦合影響的傳輸線模型建立起來，其具有如下的頻域電報方程

其中，該傳輸線模型的電流列矢量和電壓列矢量分別用I（x）和V（x）來表示，該傳輸線模型的單位長并聯導納陣和串聯阻抗陣分別用Y和Z來表示。要想對這個電報方程進行求解，首先必須要將線路的單位長并聯導納陣和串聯阻抗陣算出來，在具體的參數計算中，需要分開計算地線和分裂導線，這樣就可以使后續工作的計算量得以減小，針對該參數陣實施合并地線和分裂導線的計算，這樣就可以簡化該傳輸線模型，使其成為一根導管、一根地線和三相導線，Y和Z都屬于5×5的矩陣。在正常運行時，線路的桿塔接地電阻具有較小的管道感性耦合電壓影響，其可以忽略不計[1]。然而一旦線路短路，就會導致桿塔接地電阻發生改變，進一步造成桿塔入地電流出現變化，并對阻性耦合的大小產生影響，同時也會導致合成干擾電壓出現變化，所以不能夠忽略桿塔在線路短路故障時的接地電阻。

①處理桿塔接地電阻的集中參數的方法：埋地金屬管道和架空電力線路兩者之間具有N△l的并行距離，其中總的線路檔數為N，線路檔距為△l，從左到右線路的當屬編號依次為1到N，假設單相接地短路故障現在線路的第p+1基桿塔的位置，桿塔接地電阻用R來表示，第i檔傳輸線的電流、電壓列矢量分別用Ii、Vi來表示，第i檔傳輸線末端的電流、電壓列矢量分別用I′i、V′i來表示。為了能夠將傳輸線始端電壓電流在第i檔與第i+1檔之間的遞推關系建立起來，這時候就要選擇多導體傳輸線的鏈參數陣將電壓電流在線路始端和末端的關系建立起來，如下面的公式（3）[2]

因為第i+1檔線路始端與第i檔線路末端具有相同的電壓，只有地線電流出現了變化，也就是

這樣就可以得出

在該公式中，將元素1/R加入到單位陣的9行第4列中獲得的矩陣就是B。將公式（3）代入到公式（6）中，就可以將傳輸線始端電壓電流在第i檔與第i+1檔之間的遞推關系公式建立起來[3]

采用級聯的方式對各級傳輸線子系統進行處理，可以得到

變換公式（9）和公式（8），就能夠將電壓電流在線路末端和故障點的關系獲得

通過變換公式（13）和公式（12），就可以獲得故障點與末端之間、線路始端和故障點之間的電流電壓關系

與故障點處和始末端的邊界條件相結合，對其進行整理，就能夠將傳輸線模型的節點導納陣得到

在該公式中，流入到傳輸線故障點和始末端的電流列矢量為I，其屬于已知量；傳輸線故障點和始末端的電壓列矢量為U，其屬于待求量；總的節點導納陣為Y′。

通過計算的方式就可以將傳輸線故障點和始末端的電壓列矢量計算出來，并且對傳輸線沿線的電壓列矢量進行進一步的計算。通過這種方式就可以將傳輸線模型故障點和始端的沿線電壓分布計算出來，同時還可以將末端與故障點的沿線電壓分布計算出來。這樣就能夠將管道的沿線電壓分布獲得，相應位置的電壓值與桿塔接地電阻的比值就是每基桿塔的入地電流[4]。

②接地電阻的分布參數等效計算：可以采用集中參數等效的方式對桿塔接地電阻進行處理，使其成為整個地線上的分布電阻，這時候就能夠利用公式（17）將地線上的分布電阻計算出來r=R△l 在該公式中R和r屬于桿塔接地電阻和單位長分布電阻，線路檔距為△l。

并聯傳輸線單位長導納和分布電阻，也就是更新原單位長導納參數陣，從而將新的傳輸線單位長導納參數陣獲得

在該公式中：新的地線單位長自導納為Y44；舊的地線單位長自導納為y4；分布電阻為r。

在公式（1）中帶入新的阻抗陣和單位長導納陣，就能夠對該頻域電報方程進行求解，從而將電壓電流在傳輸線模型故障點處和兩端的關系計算出來，見下面的公式（19）和公式（20）。

在變換公式（23）和公式（24）之后，就可以將線路的故障點與末端之間、始端和故障點之間的節點導納陣獲得，與故障點和始末端的邊界條件相結合，就能夠將傳輸線模型的節點導納陣獲得，如上面的公式（16）。

采用①當中的方法就能夠對傳輸線模型故障點與始端之間存在的沿線電壓電流進行計算，從而將短路故障時的桿塔入地電流和管道的感性耦合電壓獲得。

2 結語

綜上所述，本文以多導體傳輸線模型為基礎，提出了對輸油輸氣管道的感性耦合計算方法，并對其進行了驗證。與傳統的電磁場分析方法相比，該方法更加快速和簡便，與等效電路法相比，該方法更加準確和嚴謹。通過分析，本文還分析了埋地金屬管道平行段重點和架空電力線路發生故障時的管道防腐層電壓分布特性、桿塔入地電流和管道耦合電壓。在故障點上，最大的是桿塔入地電流。管道防腐層電壓會受到典型影響因素的影響，當平行距離和大地電阻率增大時，管道最大防腐層的電壓也會隨之增大。而且故障點兩側變電站的總故障電流對于管道最大防腐層電壓也有著重要的影響，管道最大防腐層電壓也會受到管道與線路平行段內部故障點位置的較大影響，特別是平行段中點對管道最大防腐層電壓的影響更大。

參 考 文 獻

[1] 楊彬，張波.試驗線段無線電干擾試測量方法仿真分析[J].高電壓技術，2011（12）.

[2] 王倩，吳田，施榮，王守國，張林，胡曉菁.750kV輸電線路光纖復合架空地線的接地方式[J].高電壓技術，2011

（05）.

[3] 王曉燕，趙建國，鄔雄，張廣洲，裴春明.交流輸電線路交叉跨越區域空間電場計算方法[J].高電壓技術，2011

（02）.

[4] 趙建寧，谷定燮，霍鋒，曹晶，戴敏.高海拔地區500kV緊湊型線路過電壓及防雷特性[J].高電壓技術，2011（01）.

[5] 齊磊，崔翔，郭劍，曹玉杰.特高壓交流輸電線路正常運行時對輸油輸氣管道的感性耦合計算模型[J].中國電機工程學報，2010（21）.