高壓交流輸電線路對金屬管道干擾規律研究

高壓交流輸電線路對金屬管道干擾規律研究

隨著我國對能源需求的增長及能源結構的調整，長距離油氣輸送管道鋪設和高壓輸電線路架設都處于快速發展階段，在二者選址建設時都依據“路權擇優”原則，因此“公共走廊”出現的地方越來越多，輸電線路對埋地油氣管道的干擾影響不容忽視，特別是最近特高壓輸電線路的廣泛普及。

高壓輸電線路會對周圍油氣管道產生電阻耦合、電容耦合及電感耦合，其中電感耦合最為嚴重。當管道上的感應電壓超過一定范圍時，不僅會影響到管道人員的安全，同時還會使得管道產生交流腐蝕，甚至破壞管道陰極保護系統。國內對金屬管道與高壓輸電線路平行時所受干擾研究較多，而對管道與輸電線路交越的情況研究較少，而實際工程中大量存在的是二者交越的情況 。當管道與輸電線路平行時，可以通過“管道—大地回路模型”進行計算；當管道與輸電線路交越時，可以將交越段等效為平行段長度進行計算。

本文通過搭建三相交流高壓輸電線路與埋地金屬管道不同的位置關系，并根據相關標準確定管道與輸電線路平行時的安全距離及交越時管道上產生的最大感應電壓，供工程設計、施工參考。

管道交流干擾判斷標準

管道受到的交流干擾電壓從人員安全角度考慮，可以分為三個等級：15V、33V和60V，美國將管道干擾電壓等級設置為15V，從而滿足NACE RP 0177-1995標準中規定。在GB/T 21447-2008《鋼制管道外腐蝕控制規程》和SY/T 0032-2000《鋼制管道交流排流保護技術標準》中，根據管道所處土壤的不同環境確定了其所受干擾電壓的限值：6V（酸性土壤）、8V（中性土壤）、10V（堿性土壤），但是需要明確的是上面兩個標準在制定時，管道防腐涂層大多數為石油瀝青，現在普遍采用絕緣性更好的3PE材質，因此有專家學者建議標準放寬至15V。在歐洲，為了保證埋地管道不受交流干擾電壓腐蝕，CEN/TS 15280-2006標準中規定：當土壤電阻率大于25?·m時，管道交流干擾電壓不應大于10V；當土壤電阻率小于25?·m時，管道交流干擾電壓不應大于4V。在GB/T 50698-2011《埋地鋼制管道交流干擾防護技術標準》中規定，當管道上的交流干擾電壓不高于4V時，可不采取交流干擾防護措施；高于4V時，應采用交流電流密度進行評估。

參數的選擇及模型的建立

本論文中主要的建立兩個模型：管道與高壓輸電線平行、管道與高壓輸電線交越，模型的位置關系如圖1和圖2所示。

圖1　管道與高壓輸電線平行位置關系示意圖

模型中，三相輸電線路和屏蔽線在x軸方向為無限長，輸電線、屏蔽線及埋地金屬管道的相關參數如表1、表2和表3所示。影響管道交流干擾電壓大小的因素有很多，例如：輸電線穩態電流大小、管道與輸電線平行長度、管道與輸電線中心水平距離、管道與輸電線交越角度、土壤電阻率、管道防腐層電阻率、輸電線高度、埋地深度等，因此模型比較復雜，但通過資料可以知道，影響管道干擾電壓的主要因素有：輸電線穩態電流、管道與輸電線平行長度、管道與輸電線交叉角度、交叉距離等。本文依據GBT 50698-2011《埋地鋼制管道交流干擾防護技術標準》規定，限制管道干擾電壓不超過4V，通過CDEGS仿真軟件，模擬管道與輸電線路平行時，不同情況下管道距離輸電線路的安全距離，以及交越時管道上產生的最大感應電壓。

圖2　管道與高壓輸電線交越位置關系示意圖

表1　輸電線相關參數

表2　屏蔽線相關參數

表3　金屬管道相關參數

仿真結果及分析

管道與輸電線路平行

當埋地金屬管道與輸電線路平行時，利用CEDGS軟件進行仿真，當其他參數不變時，輸電線路穩態電流分別為500A、1000A、1500A、2000A，管道與輸電線路平行長度分別為100m、200m、300m、500m、700m、1000m、1200m、1500m、2000m、2300m、2500m、3000m、3500m、4000m、4500m、5000m、6000m。當管道距輸電線路的水平距離越大，管道上所受到的干擾電壓越小，通過設置管道與輸電線路之間不同的水平距離，保證平行段管道上的最大交流干擾電壓為4V時，得到最短水平距離（即安全距離），例如當輸電線路穩態電流為1000A、平行長度為1200m時，為了保證管道上最大干擾電壓為4V，最短水平距離應為280m，仿真結果如圖3所示，出現圖3所示的電壓分布情況是因為當管道與輸電線路平行時，由于管道兩邊對稱分布，使得管道平行段中間干擾電壓最小為0，兩端干擾電壓最大。全部仿真結果如圖4所示 。

從仿真結果4可以看出，隨著管道與輸電線路平行長度的增加，輸電線不同電流情況下，水平距離變化趨勢相同。當輸電線路穩態電流升高時，最短水平距離不斷增大；輸電線穩態電流相同，當平行長度在100m～2300m范圍增加時，最短水平距離逐漸增加，但是當平行長度超過2300m時，最短水平距離不但沒有增加，反而呈現略微減小的趨勢，最后趨于穩定。這是因為隨著管道與輸電線路并行長度的增加，管道沿線縱向感應電動勢增加，從而使得管道兩端電壓升高，同時，由于管道外雖然有涂有防腐層，但隨著管道并行長度的增加，管道上總的泄漏電阻變小，導致感應電壓有所下降，兩方面原因同時作用使得管道與輸電線路平行長度達到一定值之后，管道上最大感應電壓基本保持不變。

圖3　電流1000A、平行長度1200m時，最短水平距離280m仿真結果

圖4　不同平行長度及電流值時，最短水平距離

管道小角度變大角度與輸電線交越

管道與高壓輸電線路在實際交越時，通常將所成小角度改變為大角度之后進行交越，從而減輕管道所受干擾程度，其位置示意圖如圖5所示。

為了方便計算，同樣設置管道與輸電線交越兩側對稱。由于輸電線穩態電流越大，對管道的交流干擾越大，為了保證埋地金屬管道處于安全狀態，我們在利用CDEGS仿真軟件仿真時，將輸電線路穩態電流設置為最大值2000A。在模型中當其他條件不變時，隨著L1的增加，管道上最大感應電壓逐漸增大，但當L1超過1500m時，管道最大感應電壓基本保持不變，因此我們在管道與輸電線路交越的模型中設定L1為固定值2000m。例如輸電線穩定電流1000A、α1為30°、α2為60°、L2為600米，改變L1對管道最大感應電壓的影響如下圖6所示。

其余參數：α1分別為0°、10°、20°、30°；α2分別為60°、70°、80°；L2分別為：200m、300m、500m、800m、1000m、1500m、2000m、3000m。不同交越角度和交越長度時，管道上的最大感應電壓如下圖7所示。

從仿真結果圖7可以看出，相同情況下交越大角度α2越大，管道交流干擾電壓越小；交越前小角度α1越小，管道交流干擾電壓越大，因為α1越小，交越兩端延伸段越近似與輸電線平行，α1最小為0°，即交越兩端延伸段與輸電線路平行。隨著交越長度在200m～1500m范圍內增加，管道感應電壓最大值迅速降低，這是因為交越長度的增加，使得交越段兩側延伸段離輸電線路的距離越來越遠；但是當交越長度大于2000m之后，管道最大交流干擾電壓值變化不大，因為交越長度足夠長時，交越段兩側延伸段管道距離輸電線路足夠遠，產生的交流干擾電壓值較小。

圖5　管道與高壓輸電線小角度變大角度交越位置關系示意圖

圖6　L1對管道最大感應電壓的影響

圖7　不同交越情況下管道最大感應電壓

結語

本文通過模擬金屬管道與輸電線路平行位置關系，根據管道干擾電壓不超過4V為標準，確定不同情況下管道與輸電線路應該滿足的最小水平距離；當金屬管道與輸電線路交越時，確定不同參數對管道最大干擾電壓產生的影響。通過模擬仿真，得出以下結論。

（1）當管道與輸電線路平行時，隨著平行長度的增加，管道干擾電壓整體上呈現先增大后略微減小，最后趨于穩定，因此工程上應該盡量避免管道與輸電線路的長距離平行狀態，不能避免二者平行位置關系，則要保證二者之間的水平距離，具體數值可以參考圖4。

（2）當管道與輸電線路交越時，其他條件不變，交越端延伸段在300～1500m范圍增加時，管道最大感應電壓逐漸增大，但是當增加到1500m之后，管道的最大感應電壓值趨于穩定；交越長度200m～1500m范圍內增加，管道感應電壓最大值迅速降低，但當交越長度超過2000m之后，管道上的最大感應電壓值也趨于穩定。

（3）當管道與輸電線路交越時，交越大角度α2越大，管道上產生的最大感應電壓越小；交越前小角度α1越小，管道上產生的最大感應電壓越大。

（4）從模擬管道與輸電線交越的這幾種情況來看，交越長度達到1500m、交越大角度α2達到70°或者交越長度達到800m、交越大角度α2達到80°，管道上最大感應電壓基本可以滿足不超過4V規定，具體數值如圖7所示。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.18.019