高壓輸電線路對甬紹金衢管道干擾因素的研究

阮亦根

〔中國石化浙江石油分公司 浙江杭州 310009〕

甬紹金衢成品油管道建成較早，全線陰極保護系統運行正常，保護電位能滿足規范和設計要求。 近年來，隨著與管道并行、交叉的高鐵、地鐵、高壓輸電線路的大量投用，導致高壓電對埋地管道的干擾。 通過對管道特性、高壓輸電線特性、線路與管道并行(交叉)三個主要參數，運用加拿大SES公司研發的CDEGS軟件對不同管徑、管道壁厚，導線高度、運行電流，土壤電阻率，輸電線路與管道并行長度、并行間距，以及管道與高壓線的交叉角度等因素作用下的管道感應電勢、防腐層電壓和管道電流進行模擬，分析比較了各個因素對管道所受干擾的影響規律，并提出了應用于該管道抗干擾的有效防護措施。為油氣管道建設提供了一定的技術依據。

1 管道特性參數對管道所受輸電線路穩態干擾電壓的影響

1.1 管道的特性參數和評估所用典型計算條件

管道自身的特性參數如表1所示。根據已知的甬紹金衢成品油管道以及國內常用的油氣管道特性參數，分別計算典型管道外徑×壁厚、防腐層絕緣電阻率、土壤電阻率等因素對其管道所受輸電線路穩態干擾電壓的影響規律。

根據在紹興市電力局調研獲得的現場資料，以表2所示的紹興段500 kV高壓單回交流輸電線路為例進行規律研究，計算內容包括管道感應電勢、管道防腐層電壓、管道感應電流。

表1 甬紹金衢成品油管道典型參數

注：1)管道軸心到地面距離。

2)數據由管道公司提供。

3)據相關文獻數據。

表2 高壓線路導線、地線型號及電氣參數

1.2 管道外徑×壁厚對管道所受穩態交流干擾的影響

不同管道外徑和壁厚的計算結果在表3中給出。

表3 不同管道外徑和壁厚的影響

表3的計算結果表明：其它條件相同時，管道外徑大，最大防腐層電壓及感應電勢略小，但最大縱向電流有所增加。管徑從φ457～φ508 mm，電壓減小極小，影響不明顯。其它條件相同，壁厚對最大防腐層電壓與管道感應電勢幾乎沒有什么影響。

1.3 管道防腐層絕緣電阻率對管道所受穩態交流干擾的影響

埋地管道防腐層絕緣電阻是衡量防腐層質量好壞的尺度。不同的絕緣防腐層，電阻率大小各異。據當年管道防腐層送樣檢測報告，甬紹金衢成品油管道防腐層絕緣電阻率在0.1～107 kΩ·m之間，選取0.1kΩ·m2、1 kΩ·m2、5kΩ·m2、10kΩ·m2、20kΩ·m2、30kΩ·m2、50kΩ·m2、100kΩ·m2、102kΩ·m2、103kΩ·m2、104kΩ·m2、105kΩ·m2、106kΩ·m2、107 kΩ·m214種級別的絕緣情況進行計算。管道類型選擇φ508 mm×7.9 mm，埋深1.5 m，其他情況與上面相同。

表4計算結果表明：其他條件相同，防腐層電阻率在0.1～10 kΩ·m2間變化時，對感應電勢和最大縱向電流影響較大，電阻率為10 kΩ·m2時管道上的感應電勢明顯大于電阻率為0.1 kΩ·m2時的感應電勢，而管道縱向電流的變化趨勢恰好相反。當防腐層電阻率大于10 kΩ·m2時，管道上的感應電勢基本保持穩定，縱向電流隨防腐層電阻率的增大略有減小。

管道防腐層電壓與管道感應電勢的計算結果，見表4。

表4 管道防腐層絕緣電阻率的影響

1.4 管道連接情況對管道所受穩態交流干擾的影響

成品油管道一般采用絕緣法蘭(或接頭)，與站、庫連接。管道連接的典型情況有兩種(圖1、2)：

A：與輸電線路并行段管道的末端轉直角后，管道繼續行進至兩端較遠處，管道在與輸電線路并行段前、后均不受輸電線路影響。與實際情況基本相同。

B：與輸電線路并行段管道兩端直接與絕緣法蘭(或接頭)連接。

圖1 管道連接情況A

圖2 管道連接情況B

(例)：間距100 m，并行長度為2000 m，連接情況A兩端各延伸1000 m；連接情況B，不需轉直角后延伸，但為便于比較并行長度和其他參數，與連接情況A相同，管道參數如表1，選管道φ508×7.9 mm，防腐層電阻率20 kΩ·m2，計算結果為A情況連接的最大管道感應電勢和最大防腐層電壓數值相同，均為14.00352 V，最大縱向電流為3.34035A；而B情況連接的對應數值為14.27821V和1.13812A。可見在連接A、B情況下，管道并行段所受干擾的變化規律相似。由管道沿線的感應電勢分布(圖3)可知最大干擾都出現在并行段兩端，管道中間干擾為0。

圖3 不同連接方式的管道沿線感應電勢分布

2 輸電線路特性參數對穩態干擾電壓的影響

輸電線路需要考慮的特性參數很多，主要有兩個影響大的特性參數：輸電線路穩態運行電流及輸電線路架設地區的土壤電阻率。通過計算研究其對管道所受穩態干擾電壓的影響規律。

2.1 運行電流對管道所受穩態交流干擾的影響

通過對電力部門資料的調研：500 kV高壓線通常在額定功率下運行的單相線路電流約為1600 A，若按50 %～70 %考慮正常運行的單相線路電流約為800～1120 A。分別計算運行電流在800～2000 A變化時，管道防腐層電壓與管道接觸電勢的變化規律；計算結果見表5。

表5 線路運行電流的影響

表5計算結果表明：輸電線路穩態運行電流大小，對管道所受穩態干擾電壓影響很大。運行電流越大，管道最大防腐層電壓、感應電勢、最大縱向電流越大，三者與輸電線路穩態運行電流成線性正比關系。因此對管道所受穩態干擾情況必須根據輸電線路實際電流進行計算。

2.2 土壤電阻率對管道所受穩態交流干擾的影響

甬紹金衢成品油管線沿途經過地區主要為水田，土壤電阻率普遍較小。據此在5～1 000Ω·m范圍內選定代表性的土壤電阻率，分別計算土壤電阻率對管道上防腐層電壓和感應電勢的影響。計算結果見表6。

表6 土壤電阻率的影響

表6計算結果表明：土壤電阻率越大，最大防腐層電壓、管道感應電勢先較為迅速增大，當大于150Ω·m后增大緩慢趨于平穩。由于管道經過地區土壤電阻率普遍小于150Ω·m，因此要重視土壤電阻率對管道所受穩態運行交流腐蝕干擾的影響。

3 輸電線路與管道并行(交叉)參數對管道所受穩態交流干擾的影響

3.1 輸電線路與管道并行(交叉)參數和評估所用典型計算條件

輸電線路與管線并行(交叉)情況對管道所受干擾影響的研究參數如圖4所示：①輸電線路與管道并行長度；②輸電線路與管道間距；③輸電線路與管道交叉角度。

圖4 輸電線路與管道并行(交叉)參數示意圖

3.2 輸電線路與管道并行長度對穩態運行電流干擾的影響

由于甬紹金衢管道與輸電線路分布關系比較復雜，并行長度各異。考慮輸電線路與管道并行長度在0.1～50 km變化時，管道感應電勢的變化如表7所示。

表7 線路并行長度的影響

表7計算結果表明：隨著管道與輸電線路并行長度的增加，管道上的感應電勢最大值先逐漸增加，當并行長度達到某個極限位置時，該電壓達到最大；隨后管道上感應的交流干擾電壓稍有減小，最終趨于穩定。研究中最大感應電壓在兩者平行11.6 km時出現，為45.288 2 V；隨后管道上的感應交流電壓在30 km處時減小到最小值為41.440 9V，最終趨于穩定。

3.3 線路與管道間距對管道所受干擾的影響

由3.2節知道管道所受交流干擾電壓情況與并行長度有很大關系。因此考查輸電線路與管道間并行長度為11.6 km時，管道感應電勢的變化。結果如表8所示。表8計算結果表明：管道所受干擾在離單回輸電線路較近區域內比較大，隨著間距增加，最大管道感應電勢急劇減小；到達某一值后，間距繼續增加，最大管道感應電勢減小，但減小幅度很小。

表8 線路與管道間距的影響(并行長度為11.6 km)

如表8所述管道和高壓線并行長度為11.6 km時，最大管道感應電勢的極大值出現在兩者相距10 m時，隨后最大管道感應電勢隨間距增加急劇減小，間距到達400 m左右時，最大管道感應電勢的減小趨勢明顯變緩，變化幅度較小。

3.4 管道與高壓線交叉角度的影響

考慮管道與高壓線交叉分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°時，管道的干擾情況。經模擬計算得出以上各交叉角度時管道的感應電勢、感應電流峰值如表9所示。

表9 不同交叉角度時管道的感應峰值

表9結果表明：隨著交叉角度的增大，管道的感應電勢減小，管道和高壓線平行時的感應電勢遠遠大于二者垂直的情況。當二者垂直交叉時，管線上的感應電勢極小，幾乎無影響。

4 研究結果和對干擾的防護

4.1 研究結果

針對高壓電對埋地管道各干擾因素的研究，和對其產生影響的獨立計算，可知：

(1)管道外徑和壁厚對管道所受穩態干擾電壓的影響尚不明顯。而防腐層電阻率在0.1～10 kΩ·m2變化時，對管道上的感應電勢和最大縱向電流影響較大，當防腐層電阻率大于10 kΩ·m2時，管道上的感應電勢基本保持穩定。所以管道采用電阻率較大的3層PE防腐層對防腐蝕有利。高壓電對埋地管道的最大干擾都出現在并行段兩端，管道中間干擾為0。

(2)高壓線穩態運行電流的大小，對管道所受穩態干擾電壓影響很大。因此對管道所受穩態干擾情況必須根據高壓線實際電流進行計算。對于甬紹金衢管道受500 kV高壓電干擾，由于管道經過地區土壤電阻率普遍小于150Ω·m，重點分析了土壤電阻率對交流腐蝕干擾的影響。

(3)高壓線與管道并行間距的增大，管道所受干擾在離輸電線路較近區域內先急劇減小，隨后變化平緩。交叉角度的增大，管道所受干擾先減小最后變為平緩趨向某一穩定數值。

4.2 干擾防護措施

(1)高壓線干擾區域的排流保護方案。

交流干擾防護最常用的方法是接地排流保護。高壓線持續干擾區域的排流方式采用固態去耦合器(-2V，+2V)接地排流，如 圖5所示。排流接地地床采用規格為40 mm×40 mm×1 500 mm的鋅合金陽極，接地地床的接地電阻應小于2Ω。 通過對甬紹金衢管道與高壓線位置關系的現場調查、詳細測試和計算確定了受高壓線交流干擾嚴重的30處需進行排流。

(2)高鐵干擾區域的排流保護方案。

高鐵排流措施主要包括固態去耦合+鋅合金陽極，在高鐵與管道之間，距管道3 m處，鋪設緩解鋅帶進行屏蔽，鋅帶半徑為0.006 m，固態去耦合器與管道相連，如圖6所示。

圖5 固態去耦合器接地

圖6 水平鋅帶敷設

(3)排流效果評價。

根據GB/T 50698—2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》第6.2節要求：在土壤電阻率不大于25 Ω·m的地方，管道所受交流干擾電壓低于4 V；在土壤電阻率大于25 Ω·m的地方，交流電流密度小于60 A/m2時排流滿足要求。

經第三方中國特種設備檢測研究院對36處排流位置檢測結果：受高壓線干擾的30處，管道交流干擾電壓低于4V，其中受高鐵干擾的6處，在無高鐵通過時，交流電壓低于4V，但在高鐵通過時，交流電壓隨著高鐵的通過呈明顯的波動趨勢，6處排流效果均不能夠符合標準要求。