超高壓交流輸電線路與油氣管道安全間距研究

阮亦根，李自力

（1.中國(guó)石化浙江石油分公司，杭州 310009；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東 青島 266580）

0 引言

隨著我國(guó)電氣化鐵路、電力工業(yè)的跨越式發(fā)展及近年來(lái)長(zhǎng)輸油氣管道的大規(guī)模建設(shè)，導(dǎo)致管道與高壓輸電線路近距離并行或交叉的情況越來(lái)越多，在局部區(qū)域形成了所謂的“公共走廊”[1-2]。由于其容性耦合、阻性耦合和磁感應(yīng)耦合的方式，導(dǎo)致交流輸電線路對(duì)埋地管道產(chǎn)生較大的交流感應(yīng)電壓[3]。相關(guān)研究表明，高壓輸電線路對(duì)管道形成的雜散電流干擾已經(jīng)成為管道安全的主要威脅之一[4-6]。

在文獻(xiàn)[7]中，分別從交流電壓和交流電流密度2 個(gè)方面對(duì)干擾程度進(jìn)行了劃分，并說(shuō)明了直接接地、負(fù)電位接地和固態(tài)去耦合器接地3 種排流方式的應(yīng)用范圍，同時(shí)規(guī)定了埋地管道與交流接地體的最小距離[8-9]。但是上述最小距離僅僅是根據(jù)電壓等級(jí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的劃分，一方面沒(méi)有明確在該最小距離下管道交流干擾電壓的影響程度；另一方面沒(méi)有考慮復(fù)雜的土壤參數(shù)、輸電線路高度等參數(shù)對(duì)最小安全距離的影響[10-11]。

本文以甬紹金衢管道為研究對(duì)象， 通過(guò)CDEGS 軟件對(duì)500 kV 超高壓交流輸電線路對(duì)埋地管道干擾影響程度進(jìn)行了研究，并將交流電壓為4 V 作為干擾限值，確定了不同因素下埋地管道與輸電線路的安全距離。

1 模型參數(shù)設(shè)置

圖1 為交流輸電桿塔頭結(jié)構(gòu)與埋地管道相對(duì)距離示意圖。在本文所用的塔頭結(jié)構(gòu)中，中性線/屏蔽線位于塔頭最上方，而3 條相線掛點(diǎn)在同一水平高度上。交流輸電線最大掛點(diǎn)高度為32.76 m，平均弧垂為16.98 m，導(dǎo)線對(duì)地平均高度為掛點(diǎn)高度減去2/3 弧垂，計(jì)算得到相線對(duì)地平均高度為21.44 m[11]。

圖1 交流輸電桿塔與埋地管道相對(duì)距離示意圖

表1 給出了高壓輸電線路相線和中性線/屏蔽線型號(hào)及電氣參數(shù)。

表1 高壓輸電線路相線和中性線/屏蔽線型號(hào)及電氣參數(shù)

500 kV 高壓交流輸電線通常額定功率下運(yùn)行的單相線路電流約為1 600 A，甬紹金衢管道規(guī)格為Φ508 mm×7.9 mm，管道防腐層電阻率取20 kΩ·m2，埋深取1.5 m，管道連接情況取如圖2所示連接方式，2 端各延伸1 000 m。

圖2 交流輸電線路與埋地管道干擾模型

2 交流輸電線路與埋地管道干擾模型

甬紹金衢管道與輸電線分布關(guān)系比較復(fù)雜，并行長(zhǎng)度各異；500 kV 輸電線路與輸油管道并行長(zhǎng)度主要在0.5～10 km 變化。管道沿途經(jīng)過(guò)地區(qū)主要為水田、耕地、丘陵，土壤電阻率普遍較小，在5～200 Ωm 范圍內(nèi)。因此，選定管道與高壓三相導(dǎo)線的相對(duì)高度的取值為11 m（最小對(duì)地高度），21.44 m（平均對(duì)地高度）和32.76 m（最大對(duì)地高度），土壤電阻率取20 Ωm，60 Ωm 和200 Ωm，并行長(zhǎng)度取500 m，1 000 m，2 000 m，3 000 m，5 000 m 和10 000 m，研究不同條件下高壓交流輸電線與埋地管道的安全距離。

3 管道安全極值研究

3.1 影響因素分析

如圖3 所示為不同土壤電阻率條件下埋地管道安全距離與并行長(zhǎng)度的關(guān)系。在不同的相線對(duì)地高度條件下，隨著并行長(zhǎng)度的增大，安全間距也增大，并且總體呈“凸”函數(shù)的變化規(guī)律，主要分為并行長(zhǎng)度為0～4 000 m，4 000～10 000 m 的快速增大和平穩(wěn)變化2 個(gè)階段；同時(shí)，在相同的并行長(zhǎng)度和相線高度條件下，隨著土壤電阻率的增大，安全距離也增大，這主要是由土壤電阻率的增大導(dǎo)致阻性耦合部分的增大引起的。當(dāng)并行程度為10 000 m、土壤電阻率為200 Ωm 和相線高度為11 m 時(shí)為最危險(xiǎn)工況，其安全間距達(dá)到5 880 m，才可滿足感應(yīng)電壓低于4 V 的要求。

當(dāng)相線對(duì)地高度為11 m 時(shí)發(fā)現(xiàn)，土壤電阻率為20 Ωm 時(shí)，其并行長(zhǎng)度與安全間距的變化曲線呈“S”型變化，與常見的“凸”函數(shù)變化規(guī)律有所不同，這主要是由低電阻率和較小并行長(zhǎng)度條件下不同耦合的作用方式引起的。

圖3 土壤電阻率與安全間距的關(guān)系

如圖4 所示為不同相線對(duì)地高度條件下埋地管道安全距離與并行長(zhǎng)度的關(guān)系。在不同的土壤電阻率條件下，不同的并行長(zhǎng)度，導(dǎo)線對(duì)地距離越小，安全間距也就越大。由圖4 可知，相線對(duì)地高度為21.44 m 和32.76 m 時(shí)的2 條曲線基本重合，因此在本文研究條件下，當(dāng)相線對(duì)地高度大于21.44 m 時(shí)，高度對(duì)埋地管道交流干擾的安全間距沒(méi)有影響。但是在實(shí)際中，輸電線為弧垂型，因此應(yīng)以相線與對(duì)地最小距離為依據(jù)進(jìn)行判別。

由圖4 可知，當(dāng)相線對(duì)地高度為11 m、土壤電阻率為20 Ωm 時(shí)，其并行長(zhǎng)度與安全間距的變化曲線呈“S”型，通過(guò)對(duì)比可知，引起該現(xiàn)象的主要因素是土壤電阻率（隨著土壤電阻率的增大，“S”型變化特征逐漸消失）。由交流干擾的作用過(guò)程可知，從磁感應(yīng)耦合、阻性耦合和容性耦合來(lái)看，磁感應(yīng)產(chǎn)生的縱向電壓占主要部分；當(dāng)土壤電阻率較小且并行長(zhǎng)度較短時(shí)，此時(shí)磁感應(yīng)產(chǎn)生的干擾電壓與阻性耦合產(chǎn)生的干擾電壓相互作用，表現(xiàn)在管道上的總干擾電壓數(shù)值減小，因此其安全間距呈“S”型變化。

圖4 相線對(duì)地高度與安全間距的關(guān)系

3.2 擬合公式

由3.1 小節(jié)可知，當(dāng)相線對(duì)地高度大于21.44 m 時(shí)，安全間距主要受到土壤電阻率的影響。因此本文為描述土壤電阻率對(duì)安全間距的影響，定義單位變化率D0來(lái)描述單位土壤電阻率的改變對(duì)安全間距的影響，可通過(guò)式（1）來(lái)描述：

式中：ΔD 為不同土壤電阻率下安全距離的改變量；Δρ 為土壤電阻率的變化量。

以并行長(zhǎng)度10 000 m 為例，當(dāng)相線對(duì)地高度為11 m 時(shí)，ρ 在20～60 Ωm 和60～200 Ωm 范圍內(nèi)，D0=27.8 和44.3；當(dāng)相線對(duì)地高度為21.44 m和32.76 m 時(shí)，在ρ=20～60 Ωm 和60～200 Ωm 范圍內(nèi)，D0=15.3 和28.8。因此對(duì)于高壓交流輸電線路對(duì)埋地管道的干擾來(lái)說(shuō)，土壤電阻率的影響大于輸電線路對(duì)地高度，同時(shí)土壤電阻率越大，對(duì)埋地管道干擾電壓變化程度影響越大。

表2 為不同輸電線路對(duì)地高度和土壤電阻率條件下的管道安全間距擬合公式和誤差。由表2可知，在不同相線對(duì)地高度和土壤電阻率下，安全間距與并行長(zhǎng)度呈對(duì)數(shù)關(guān)系；同時(shí)從擬合公式的系數(shù)也可以看出，土壤電阻率對(duì)管道干擾電壓的影響大于導(dǎo)線高度，并且土壤電阻率越大，影響越明顯。

表2 不同輸電線路對(duì)地高度和土壤電阻率條件下的管道安全間距擬合公式

4 結(jié)論

本文以埋地管道交流干擾電壓4 V 為限值，通過(guò)CDEGS 軟件對(duì)不同相線高度和土壤電阻率條件下埋地管道交流干擾安全間距進(jìn)行了研究，主要得到以下結(jié)論：

（1）在不同的相線對(duì)地高度條件下，安全間距與并行長(zhǎng)度總體呈“凸”函數(shù)的變化規(guī)律，主要分為并行長(zhǎng)度為0～4 000 m，4 000～10 000 m 的快速增大和平穩(wěn)變化2 個(gè)階段（當(dāng)并行程度為10 000 m、土壤電阻率200 Ωm 和相線高度11 m時(shí)為最危險(xiǎn)工況，其安全間距可達(dá)5 880 m；在本文的研究條件下，當(dāng)相線對(duì)地高度大于21.44 m時(shí)，高度對(duì)埋地管道的交流干擾的安全間距沒(méi)有影響）。

（2）對(duì)于交流輸電線路對(duì)埋地管道干擾來(lái)說(shuō)，土壤電阻率的影響大于輸電線路對(duì)地高度，土壤電阻率越大，對(duì)埋地管道干擾電壓變化程度影響越大。

（3）在不同相線對(duì)地高度和土壤電阻率條件下，安全間距與并行長(zhǎng)度呈對(duì)數(shù)關(guān)系。因此可根據(jù)該方程確定不同條件下管道交流干擾的安全范圍。