交流線路對埋地輸油氣管道的干擾影響機理分析及防護措施

梁盼望 楊力 蔣少波

摘? 要：針對架空交流輸電線路與管道共走廊，管道受高壓線路電磁干擾影響進行分析，結果表明，當架空線路與管道距離過近時，架空線路對管道存在穩態影響，包括人身安全影響、泄漏電流等，以及暫態影響，包括短路及雷擊時的感應電壓等，并給出了可信、有效的限值。可采用電磁干擾分析軟件CDEGS進行理論分析，當交流線路對管道的交流干擾超標時，可采用目前最新、最有效的梯度控制線防護方法。

關鍵詞：埋地管道;干擾影響;穩態影響

0? ? 引言

隨著中國經濟的快速發展，為減少占用土地資源，輸電線路與石油管道、交通設施、通信設施共用廊道的問題日益凸顯，在輸電線路正常運行和發生故障時，會在臨近的空氣和土壤中產生感應交流電磁場，從而產生交流干擾電流（電壓），會對附近的金屬管道及觸摸管道的工作人員造成電擊傷害，感應產生較高的管道涂層電壓會使管道涂層性能劣化，極端情況下甚至會發生擊穿，加快管道的腐蝕，損壞絕緣法蘭及整流設備。另一方面，許多事實已證明過大的管道涂層缺陷交流漏電流密度會加速金屬管腐蝕，交流電流密度引起腐蝕問題已成為研究人員討論的焦點、熱點之一。因此，當高壓輸電線路與管道共走廊時，研究管道受高壓線路的電磁干擾影響十分必要。

1? ? 交流干擾機理

低頻時電力線路對鄰近設施的電磁干擾其機理通常分為三類：電感性干擾、傳導性干擾、電容性干擾。

1.1? ? 電感性耦合（穩態影響）

導體中的電感性干擾來自于平行導體之間的交流電流，干擾水平隨著兩導體之間距離和夾角的減小而增強，并隨土壤電阻率、通電導體中承載的電流大小和頻率的增加而加劇。在線路穩態運行時，電感性電磁干擾為主要干擾。在輸電線路與油氣管線共用廊道時，被感應金屬線路（油氣管線）中的感應電壓可達幾百伏。當電力線路中有幾百安培的電流流過時，即使與接地系統相連，被感應管線的電感性干擾電位仍可達幾十伏。這一感應電壓會在管線對地之間產生電壓，可能使人受到電擊或危及設備安全性和保護系統完整性。

1.2? ? 傳導性耦合（暫態影響）

輸電線路發生單相接地故障時，會有很大的故障電流經故障結構（包括線路桿塔及接地系統）流向大地，臨近桿塔的土壤電位會相應升高。若埋地油氣管線的涂層電導性差，接地不好，管道本身的電位較低，管線和埋設地土壤之間就會存在一定的電位差，這種電位差也就是管道傳導耦合干擾。傳導耦合的大小受土壤電阻率影響很大，傳導耦合的幅值隨著離開故障結構距離的增加而衰減，但衰減的速度取決于土壤的結構。通常，油氣管線將同時承受電感性耦合和傳導性耦合。

1.3? ? 電容性耦合

電容性耦合是由通電的架空輸電線路和接地不良的平行輻射金屬管路之間的電位梯度差異產生的。這些管路一般是地面上的油氣管線，如果金屬管路埋于地中，電容性干擾就可以忽略不計。

2? ? 影響分類及限值

2.1? ? 長時間作用下人體接觸的安全電壓

一般認為，長時間作用下人體接觸的安全電壓可以分為15 V、33 V和60 V三個等級。其中美國NACE SP0177標準規定的限值最為嚴格，為15 V。其次，《特低電壓（ELV）限值》（GB/T 3805—1993）規定的限值為33 V，考慮的是在干燥環境下人體長時間能夠承受的安全電壓程度，且該標準指出，該限值不針對特定專業人群。《電信線路遭受強電線路危險影響的容許值》（GB 6830—1986）規定，強電線路正常運行時，在通信線路上感應的縱電動勢容許值為60 V。我國鐵道行業標準《交流電氣化鐵道對油（氣）管道（含油庫）的影響容許值及防護措施》（TB/T 2832—1997）規定：“交流電氣化鐵道接觸網在正常運行狀態下，管道相對大地的電壓差容許值為60 V。”

2.2? ? 管道涂層故障情況下的安全電壓

在歐洲，管道允許的短時涂層電壓最大限值為5 000 V，小于該值時可不采取接地措施。

在北美（NACE SP0177—2007），管道允許的短時感應最大電壓限值為1 000～5 000 V，小于該值時可不采取接地措施。

根據調查，國內目前已建成的管道，其防腐層一般分為3類——石油瀝青、塑料及環氧粉末、3層PE覆蓋層，目前國內新建的大型管道均采用3層PE覆蓋層的技術方案。國內相關部門曾對3層PE防腐層做過工頻耐壓試驗，結果表明，其耐壓限值能達到57 kV。

2.3? ? 管道交流腐蝕限值

歐洲標準EN 15280中，使用交流/直流（AC/DC）電流密度比來衡量交流腐蝕可能性，指出只要該比值低于閾值，陽極金屬氧化就會被直流電流抑制，因而交流腐蝕就不會發生。該限值為交流電流密度（有效值）低于30 A/m2。

2.4? ? 管道雷擊安全限值

武漢大學高壓實驗室發布的《輸電線路接地系統對地下金屬管道的影響研究》中提供的數據顯示：熔結環氧粉末（FBE）防腐層金屬管道在工頻情況下，耐受電壓為14～15 kV，雷電沖擊耐受電壓為28 kV;三層聚乙烯（3PE）的防腐層金屬管道的工頻耐受電壓為57 kV，雷電沖擊耐受電壓為109 kV。3? ? 分析計算方法簡介

3.1? ? 土壤參數的確定

鑒于管道沿線的土壤電阻率測量數據信息獲取難度大，結合輸電線路沿線土壤電阻率測量數據，采用均勻土壤模型，并確定電氣等效土壤電阻率。

3.2? ? 建模及分析

為了得到準確的計算結果，可采用國際上最先進、最權威的電磁干擾分析軟件CDEGS進行理論分析。根據輸電線路及管道參數，采用CDEGS軟件中的MultiFields軟件包（電磁場法）建立計算模型，可確保分析結果的準確性和可靠性。

4? ? 防護技術簡介

為保證在高電壓等級交流輸電線路正常運行和短路故障情況下鄰近管道系統的安全性，國外已經制定了相關規范和標準，各種工程設計必須嚴格遵循相應的規程。國內相關的標準和制度也正在制定和完善中，并逐步開始使用，但如何結合實際工程實施進行電磁干擾安全性研究，并定量分析計算各主要參數對結果的影響，在國內還處于起步階段。

要把對鄰近設施的交流干擾水平降低到安全限值以下，就必須設置可靠有效的防護裝置。目前存在多種防護技術，如集中接地、消壓線等，這些方法后來被認識到不但昂貴而且常常無效，甚至還會造成危險。

當前，梯度控制線是最新、最有效的防護方法。梯度控制線（網）主要由平行埋設在管道周圍并有規律地與管道相連的一根或多根裸鋅導體組成，可以為管道提供良好的接地，從而降低管道的電勢，還可以抬高管道周圍附近大地的電勢，這樣管道與附近大地之間的電壓差就降低了。總之，對感性干擾和傳導性干擾，它都可以大大降低接觸電壓和管道護層電壓。

5? ? 結語

本文針對架空交流輸電線路與管道共走廊，管道受高壓線路的電磁干擾影響進行分析，結果表明，當架空線路與管道距離過近時，架空線路對管道存在穩態影響及暫態影響。當線路穩態運行時，管道涂層電壓人體安全影響限值為60 V，管道泄漏電流限值30 A/m2。暫態時，短路故障管道涂層電壓限值5 000 V，雷擊故障管道涂層電壓限值109 kV。可采用電磁干擾分析軟件CDEGS進行理論分析，當交流線路對管道的交流干擾超標時，可采用目前最新、最有效的梯度控制線防護方法。

收稿日期：2020-07-03

作者簡介：梁盼望（1984—），男，陜西興平人，碩士研究生，高級工程師，從事架空輸電線路設計工作。