海上風(fēng)電工程交流雜散電流對海底管道的干擾程度及防護(hù)措施

李 平

(中國石化管道儲運(yùn)有限公司，徐州 221008)

杭州灣海底原油管道是我國東部石油進(jìn)口、轉(zhuǎn)運(yùn)的重要設(shè)施，保障了我國沿海、沿江多處煉廠的原油供應(yīng)[1-2]。海洋環(huán)境的腐蝕條件苛刻，海底管道長期處在該環(huán)境中有較為嚴(yán)重的腐蝕傾向[3]。隨著沿海經(jīng)濟(jì)帶的快速發(fā)展，對能源的需求也與日俱增，海上風(fēng)力發(fā)電作為一種新興的清潔能源已成為重要選擇[5-6]。風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電能通過海纜由海上升壓平臺輸送至陸地計(jì)量站后，再進(jìn)行陸上輸送。由于海岸港口的路由布局有限，使得電纜的敷設(shè)路徑與近海管線難免出現(xiàn)近間距長距離平行或交叉敷設(shè)，極易造成管線交流雜散電流的干擾腐蝕[7-9]。

前人針對高壓輸電系統(tǒng)埋地管線的雜散電流干擾腐蝕開展了大量的研究。1991年，加拿大安大略湖一條300 km長的高壓天然氣管道發(fā)生腐蝕泄漏[10]，該管道由鎂陽極提供陰極保護(hù)(簡稱陰保)，管道電位為-1.45～-1.50 V(相對銅/飽和硫酸銅參比電極，CSE),檢測發(fā)現(xiàn)，管道泄漏處的交流干擾電壓達(dá)28 V。1994年，在對多倫多一條輸油管道進(jìn)行內(nèi)檢測時發(fā)現(xiàn)，管道存在嚴(yán)重點(diǎn)蝕，該管道由外加電流提供陰保，管道電位為-1.27 V。經(jīng)調(diào)查，該管道與電力線平行，其上的交流干擾電壓為15 V。1995年，Union Gas公司在對其管道進(jìn)行超聲波外檢測時發(fā)現(xiàn)了管道腐蝕，該管道由外加電流提供陰保，保護(hù)電位為-1.05 V。經(jīng)檢測，管道上的交流干擾電壓最高可達(dá)33 V，交流電流密度可達(dá)84 A/m2。近年來，歐洲、美國俄勒岡州、紐約奧斯威戈以及德克薩斯州[11-14]均報(bào)道了交流干擾腐蝕引起管道泄漏的案例。可見交流干擾腐蝕一直是石油輸送領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，但交流干擾腐蝕的影響因素復(fù)雜多變，所以埋地管道的交流干擾腐蝕機(jī)理至今仍存在較大的爭議。國內(nèi)外學(xué)者針對交流干擾與陰極保護(hù)相互作用下的腐蝕機(jī)理進(jìn)行了大量研究，主要提出了堿化機(jī)理、自循環(huán)機(jī)理、電位震蕩機(jī)理、膜層演變機(jī)理和膜層破壞機(jī)理等假說[15-19]。

隨著陰極保護(hù)條件下交流干擾腐蝕機(jī)理研究的不斷深入，大量學(xué)者對交流雜散電流干擾下埋地管線的狀態(tài)評估達(dá)成了初步共識，即采用交流電流密度(Jac)和直流電流密度(Jdc)之比作為評價交流干擾腐蝕的指標(biāo)。英國標(biāo)準(zhǔn)BS EN 15280-2013及BS ISO 18086-2019標(biāo)準(zhǔn)中給出了交直流電流密度比判斷交流干擾的標(biāo)準(zhǔn)：Jac/Jdc小于5時，交流干擾腐蝕發(fā)生的可能性低；Jac/Jdc為5～10時，存在發(fā)生交流干擾腐蝕的可能性，需要結(jié)合極化特性、防腐蝕層缺陷面積和土壤電阻率等與陰保相關(guān)的評判參數(shù)作進(jìn)一步調(diào)查；Jac/Jdc大于10時，交流干擾腐蝕發(fā)生的可能性很大，通常需要采取緩解措施。

由于近海管線大多敷設(shè)在水中，陰保形式為犧牲陽極，很難準(zhǔn)確檢測出各位置的交/直流電流密度，無法判斷管線的狀態(tài)(受保護(hù)程度)。目前關(guān)于臨海及淺海海底管線交流干擾后的受保護(hù)程度尚屬空白。本工作采用數(shù)值模擬的方法計(jì)算區(qū)域內(nèi)電場和磁場的分布情況，精確計(jì)算受交流干擾的海底管線的交流電流密度，分析管道的受干擾程度，同時借助數(shù)值模擬方法優(yōu)化緩解措施。

1 管線及海纜的位置關(guān)系

利用數(shù)值模擬技術(shù)計(jì)算嘉興1號、嘉興2號和塖泗2號海纜輸電系統(tǒng)對A線、B線及C線原油管道的影響，并根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評估。

原油管A線、B線的敷設(shè)路徑由嵐山輸油站至杭州灣南岸入海點(diǎn)，之后從海底穿越杭州灣至平湖白沙灣新海堤，登陸后至白沙灣站；C線由鎮(zhèn)海煉化至杭州灣南岸入海點(diǎn)，之后從海底穿越杭州灣至平湖白沙灣新海堤，登陸后至白沙灣站。管線走向均為自南向北，分布為自西向東。

模擬計(jì)算的擬建海纜分別為浙能嘉興1號、華能嘉興2號和浙能塖泗2號。該輸電海纜與中石化進(jìn)口原油A線、B線以及C線保持長距離小間距并行，并在登陸岸上存在一處交叉，擬建風(fēng)電計(jì)量站與管線間距僅十余米。

浙能嘉興1號、華能嘉興2號和浙能塖泗2號海上風(fēng)電工程三條海纜線路與已建三條原油管線海底部分均呈長距離并行狀態(tài)，最小間距為A線與海纜的間距。擬建的嘉興1號與原油管線的并行長度約為21.5 km，并行間距為80～600 m。嘉興2號與原油管線的并行長度約為11 km，并行間距為88～650 m。塖泗2號與原油管線的并行長度約為13 km，并行間距為96～730 m。三條海纜在岸上的部分與三條原油管線均存在一處交叉，交叉處的三條管線埋深5～6 m，海纜埋深1.5 m。陸上計(jì)量站與三條管線間距較小，其中與C線間距最小，約為7 m。

如圖1所示，海纜與原油管線海底部分的最小間距約為80 m，該位置距離海岸線管道里程約為500 m。

圖1 海纜與原油管線海底部分最小間距設(shè)計(jì)圖紙F(tuán)ig. 1 Design drawing of minimum distance between submarine cable and the subsea part of the crude oil pipeline

2 管線及海纜相關(guān)參數(shù)

三條海纜輸電線路中,浙能嘉興1號線位于西側(cè)位置，華能嘉興2號線位于中間位置，浙能塖泗2號線位于東側(cè)位置。其中海底部分海纜埋設(shè)于海泥下方，埋深不少于3 m，陸地部分埋深不少于1.5 m，埋設(shè)方式為直接埋設(shè)。三條原油管道均采用X60鋼，相對電阻率為12.06，管道埋深均為海床以下2 m，管道沿線穿越杭州灣，且與站場閥室無跨接及連接。目前三條管道均采用鋁合金犧牲陽極配合環(huán)氧樹脂粉末防腐蝕層進(jìn)行保護(hù)，犧牲陽極單支長度約0.7 m，其中C線犧牲陽極布置間距為102 m/支，A線及B線犧牲陽極布置間距為60 m/支。管道涂層為熔結(jié)環(huán)氧樹脂(FBE)，厚度不小于660 μm，環(huán)氧樹脂管線的面電阻率為50 000 Ω·m2。其他參數(shù)如表1所示。

表1 管線參數(shù)Tab. 1 Pipeline parameters

由于犧牲陽極的存在，管線面電阻率將發(fā)生變化，為了使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，因此綜合犧牲陽極接地電阻與環(huán)氧樹脂涂層接地電阻，重新定義涂層面電阻率。綜合涂層管線接地電阻計(jì)算公式見式(1)：

R綜合=R裸管+[(R涂層管線-R裸管)·R陽極]/

(R涂層管線-R裸管+R陽極)

(1)

式中：R綜合為安裝犧牲陽極后管線的涂層接地電阻；R裸管為裸管的接地電阻；R陽極為犧牲陽極的接地電阻；R涂層管線為環(huán)氧涂層管線接地電阻。

根據(jù)上述計(jì)算方法，假設(shè)A線與B線長度為60 m，C線長度為102 m，利用模擬軟件的MALZ模塊計(jì)算得到A線、B線及C線的裸管接地電阻分別為0.026 8,0.026 6,0.028 0 Ω，單支犧牲陽極的接地電阻分別為0.271,0.561,0.503 Ω，根據(jù)式(2)計(jì)算環(huán)氧樹脂涂層管線的接地電阻分別為377.48,352.21,575.5 Ω。

R=涂層表面電阻率/S

(2)

式中：R為涂層管線接地電阻；S為管線面積。

利用上述公式計(jì)算得到A線、B線及C線的綜合涂層管線接地電阻為0.298,0.287,0.531 Ω，綜合涂層管線面電阻率分別為39.88,41.28,46.43 Ω·m2。

海纜工程在海上風(fēng)電站及陸上計(jì)量站均設(shè)置有接地。其中陸上接地為計(jì)量站內(nèi)接地網(wǎng)，采用埋深0.8 m、截面積為120 mm2的銅絞線進(jìn)行布置，并在站場周圍銅絞線交叉位置設(shè)置長2.5 m、直徑14.2 mm的垂直接地。海上升壓平臺接地為升壓站基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，接地電阻為0.05 Ω。

三條輸電工程海纜均為雙回管式海纜結(jié)構(gòu)，如圖2所示。海纜結(jié)構(gòu)由內(nèi)至外分別為：阻水導(dǎo)體(纜芯)、絕緣屏蔽層、金屬護(hù)套層、塑料內(nèi)襯層、鎧裝以及外被層，三條海纜的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。浙能嘉興1號海纜正常運(yùn)行輸送電流為490 A，短路故障電流為10.12 kA；華能嘉興2號海纜正常運(yùn)行輸送電流為490 A，短路故障電流為9.638 kA；浙能塖泗2號海纜正常運(yùn)行輸送電流為530 A，短路故障電流為9.6 kA。

圖2 海纜結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of submarine cable structure

表2 海纜參數(shù)Tab. 2 Parameters of submarine cable

3 管道干擾評價

3.1 管道評價指標(biāo)

3.1.1 穩(wěn)態(tài)評價指標(biāo)

穩(wěn)態(tài)交流干擾主要有兩大危害:當(dāng)管道交流電流密度較高時，可能造成管線發(fā)生交流干擾腐蝕，長時間下電流流出位置將發(fā)生腐蝕穿孔，造成泄漏，甚至引發(fā)爆炸；當(dāng)管道交流電壓較高時，相關(guān)人員觸碰到管線裸露金屬處會發(fā)生觸電，威脅人身安全。

針對管線腐蝕安全，GB/T 50698-2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定管線交流干擾程度可按表3的規(guī)定判定。當(dāng)交流干擾程度判定為“強(qiáng)”時，應(yīng)采取交流干擾防護(hù)措施；判定為“中”時，宜采取交流干擾防護(hù)措施；判定為“弱””時，可不采取交流干擾防護(hù)措施。交流電流密度可按式(3)計(jì)算：

(3)

式中：JAC為評估的交流電流密度(A/m2)；V為交流干擾電壓有效值的平均值(V)；ρ為土壤電阻率(Ω·m)；d為破損點(diǎn)直徑(m)。本工作中，ρ應(yīng)取交流干擾電壓測試時，測試點(diǎn)處與管道埋深相同土壤的電阻率實(shí)測值；d按發(fā)生交流腐蝕最嚴(yán)重考慮，取0.011 3 m。

NACE SP0177-2014/2007標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定高壓交流輸電線路對管道產(chǎn)生的交流干擾電壓應(yīng)小于15 V，以保證相關(guān)工作人員的人身安全。

表3 交流干擾程度判斷指標(biāo)Tab. 3 Judgment index of AC interference degree A·m-2

GB/T 13870.1-2008《電流對人和家畜的效應(yīng)》中指出頻率為15～100 Hz的交流電流小于等于0.5 mA情況下，人體在接通、斷開或快速變化電流的流通時，可能有輕微的刺痛感。在鹽水潤濕時，50 Hz/60 Hz交流電流下路徑為左手到右手的人體總阻抗隨著接觸電壓的增大而逐漸減小，當(dāng)電壓達(dá)到1 000 V時，電阻最小為575 Ω，計(jì)算得出人體安全電壓為0.287 5 V。

綜上所述，海底管線及陸地管線適用的腐蝕評價指標(biāo)一致，人體安全評價指標(biāo)不同，得到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下交流干擾的評價指標(biāo)如表4所示。

表4 海纜穩(wěn)態(tài)運(yùn)行干擾評價指標(biāo)Tab. 4 Interference evaluation indexes of submarine cable steady-state operation

3.1.2 故障評價指標(biāo)

故障情況下管道的風(fēng)險(xiǎn)主要是人身安全及管道涂層安全。根據(jù)GB/T 50065 2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，工作人員在發(fā)生故障時的人體安全電壓應(yīng)滿足式(4)要求。取土壤電阻率(ρ)為1.5 Ω·m，輸電系統(tǒng)短路故障時間(t)為0.05 s，C為表層衰減系數(shù)，表層海水深度為10 m時,C取1。因此可得故障時允許的人身安全電壓為779 V。

(4)

另外，DL/T 5033-2006《輸電線路對電信線路危險(xiǎn)和干擾影響防護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，交流輸電系統(tǒng)故障時間與允許電壓關(guān)系如表5所示，可得海纜故障時允許的人身安全電壓為2 000 V。

此外，在故障情況下，由于大電流的作用，管道上會產(chǎn)生很高的交流電壓，嚴(yán)重時會形成地下電弧損害管道涂層和管道基體。DAWALIBI等[20]通過研究認(rèn)為當(dāng)管道涂層的絕緣強(qiáng)度較低且故障電流的頻率較高時，2 500 V的干擾電壓足以破壞管道涂層。SOUTHEY等[21]則認(rèn)為瀝青涂層、PE和FBE涂層的安全耐受電壓范圍分別為1 000～2 000 V、3 000～5 000 V，與 NACE SP0177標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定一致，因此得出環(huán)氧樹脂涂層的耐受電壓為3 000 V。

表5 人身安全允許電壓規(guī)定Tab. 5 Personal safety allowable voltage regulations

綜上所述，故障態(tài)運(yùn)行情況下交流干擾的評價指標(biāo)如下：

(1) 人身安全評價指標(biāo)：接觸電壓小于779 V；

(2) 涂層安全評價指標(biāo)：涂層耐受電壓小于3 000 V;

(3) 腐蝕安全評價指標(biāo)：平均電流密度小于30 A/m2。

3.2 海纜穩(wěn)態(tài)運(yùn)行干擾預(yù)測

在海纜運(yùn)行中，A、B、C三相電流存在不平衡度。海纜運(yùn)行不平衡度設(shè)計(jì)值為2%，瞬間最高峰值不超過4%。在模擬計(jì)算中，首先計(jì)算了三相電流不平衡度的影響，通過規(guī)律性計(jì)算發(fā)現(xiàn)B相不平衡度對管道的干擾最嚴(yán)重。在后續(xù)計(jì)算中利用B相不平衡度為1.39%、2%及4%的三個干擾預(yù)測模型計(jì)算得到穩(wěn)態(tài)時C線電壓的分布如圖3和圖4所示。其中陸地部分管線電壓分布規(guī)律主要受計(jì)量站接地影響，自陸地絕緣接頭至計(jì)量站接地附近，管道干擾電壓先基本不變，隨后逐漸減小，在計(jì)量站接地垂直區(qū)間內(nèi)的干擾電壓表現(xiàn)為先增大后減小，并在該區(qū)間達(dá)到最大值，之后至海岸線的干擾電壓整體較低且變化較小。由于犧牲陽極的存在海底部分管線整體干擾電壓較小且變化較小。

(a) 1.39% (b) 2% (c) 4%圖3 不同不平衡度的干擾預(yù)測模型下C線的電壓分布云圖Fig. 3 Cloud diagram of voltage distribution on line C under interference prediction models of different unbalance degrees：(a) 1.39%； (b) 2%； (c) 4%

圖4 不同干擾預(yù)測模型下C線的電壓分布Fig. 4 Voltage distribution of line C under different interference prediction models

由表6可見,當(dāng)不平衡度為4%時，C線陸地部分最大干擾電壓為0.124 V，海底部分最大干擾電壓為0.010 6 V；當(dāng)不平衡度為2%時，C線陸地部分最大干擾電壓為0.065 34 V，海底部分最大干擾電壓為0.008 18 V；當(dāng)不平衡度為1.39%時，C線陸地部分最大干擾電壓為0.047 3 V，海底部分最大干擾電壓為0.007 46 V。根據(jù)GB/T 50698-2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算得出，當(dāng)不平衡度為4%時，C線陸地部分最大干擾電流密度為18.629 A/m2，海底部分最大干擾電流密度為7.962 A/m2；當(dāng)不平衡度為2%時，C線陸地部分最大干擾電流密度為9.816 A/m2，海底部分最大干擾電流密度為6.148 A/m2；當(dāng)不平衡度為1.39%時，C線陸地部分最大干擾電流密度為7.106 A/m2，海底部分最大干擾電流密度為5.604 A/m2。

表6 C線穩(wěn)態(tài)干擾計(jì)算結(jié)果Tab. 6 Calculation results of steady state interference of line C

利用B相不平衡度1.39%、2%及4%的三個干擾預(yù)測模型對B線和A線的穩(wěn)態(tài)交流干擾電壓和交流電流密度進(jìn)行計(jì)算，得到B線與A線的電壓分布規(guī)律與C線的類似。計(jì)算結(jié)果見表7和表8。

表7 B線穩(wěn)態(tài)干擾計(jì)算結(jié)果Tab. 7 Calculation results of steady state interference of line B

表8 A線穩(wěn)態(tài)干擾計(jì)算結(jié)果Tab. 8 Calculation results of steady state interference of line A

3.3 海纜故障運(yùn)行干擾預(yù)測

海纜因某些特定原因造成故障，其故障電流一般較大，本工作涉及嘉興1號海纜的故障電流為10.12 kA，嘉興2號海纜的故障電流為9.638 kA，塖泗2號海纜的故障電流為9.6 kA，故障電流均較大。當(dāng)發(fā)生短路故障接地時,局部地區(qū)電場會發(fā)生較大變化，可能造成管道接觸電壓超出安全限值,從而威脅人身安全,以及涂層耐受電壓超出擊穿限值,從而損壞防腐蝕層。

由于海纜對原油管線的交流干擾為阻性耦合與感性耦合的疊加效果，因此故障狀態(tài)的干擾電壓應(yīng)由故障位置(主要考慮阻性耦合)以及管線與海纜并行情況(主要考慮感性耦合)共同決定。根據(jù)管線與海纜(交叉點(diǎn)、靠近點(diǎn)、遠(yuǎn)離點(diǎn))、海纜升壓站以及計(jì)量站的位置共選擇9處進(jìn)行故障干擾計(jì)算，故障點(diǎn)分布和故障電流如圖5和表9所示。1～4號故障點(diǎn)范圍內(nèi)的3條海纜路由基本一致，其中嘉興1號與三條管線間距最近，且其海纜故障電流最大，因此該范圍內(nèi)故障海纜選擇嘉興1號線;5～6號故障點(diǎn)范圍內(nèi)僅有嘉興1號海纜，因此該范圍的故障線路選擇嘉興1號線；7號故障點(diǎn)為嘉興二號升壓站，因此該范圍的故障線路選擇嘉興2號線；8～9號故障點(diǎn)范圍內(nèi)僅有塖泗2號線，因此該范圍的故障線路選擇塖泗2號。

圖5 故障點(diǎn)分布Fig. 5 Distribution of fault points

表9 故障位置說明Tab. 9 Description of fault locations

1號故障點(diǎn)計(jì)算考慮兩種情況：(1) 電纜開路下三相纜芯發(fā)生短接后與站內(nèi)接地連接排流；(2) 電纜開路下三相纜芯直接接地。2號故障點(diǎn)計(jì)算共考慮六種情況：(1) C線與嘉興1號海纜交叉點(diǎn)發(fā)生故障時纜芯直接接地；(2) C線與嘉興1號海纜交叉點(diǎn)發(fā)生故障時纜芯通過計(jì)量站接地；(3) B線與嘉興1號海纜交叉點(diǎn)發(fā)生故障時纜芯直接接地；(4) B線與嘉興1號海纜交叉點(diǎn)發(fā)生故障時纜芯通過計(jì)量站接地；(5) A線與嘉興1號海纜交叉點(diǎn)發(fā)生故障時纜芯直接接地；(6) A線與嘉興1號海纜交叉點(diǎn)發(fā)生故障時纜芯通過計(jì)量站接地。

根據(jù)上述分析過程分別計(jì)算1～9號位置發(fā)生故障時C線管道沿線接觸電壓。由圖6和圖7可知，當(dāng)海纜與C線交叉點(diǎn)位置發(fā)生短接故障纜芯接地時，C線最大接觸電壓較大，其余故障情況下管線接觸電壓均較小。

圖6 故障時C線接觸電壓分布Fig. 6 Contact voltages distribution on line C under fault condition

圖7 C線接觸電壓分布云圖Fig. 7 Cloud diagram of contact voltages distribution of line C

圖8 不同故障情況下C線接觸電壓峰值Fig. 8 Peak contact voltages on line C under different fault conditions

圖9 故障時C線涂層耐受電壓分布Fig. 9 Coating withstand voltages distribution on line C under fault condition

圖10 C線涂層耐受電壓分布云圖Fig. 10 Cloud diagram of coating withstand voltages on line C

篩選上述不同位置故障時管道接觸電壓的最大值。由圖8可知，自計(jì)量站至海上升壓站，接觸電壓先增大，當(dāng)故障發(fā)生在海纜與C線交叉點(diǎn)時，接觸電壓達(dá)到最大值(1 633.51 V)，隨后逐漸減小。這是由于發(fā)生短接故障時，海纜纜芯直接接地，此時接地點(diǎn)附近電場發(fā)生較大變化，因此故障位置與管線距離越近接觸電壓越高。

同時計(jì)算1～9號位置發(fā)生故障時C線管道沿線涂層耐受電壓。由圖9和圖10可知，當(dāng)海纜與C線交叉點(diǎn)處發(fā)生短接故障纜芯接地時，C線出現(xiàn)較大的涂層耐受電壓峰值，其余故障情況下，管線涂層耐受電壓均較小,如圖10所示。

如圖11所示，篩選上述不同位置故障時管道涂層耐受電壓峰值。自計(jì)量站至海上升壓站，涂層耐受電壓峰值先增大，當(dāng)故障位置在海纜與C線交叉點(diǎn)時，涂層耐受電壓峰值達(dá)到最大值(1 627.65 V)，

圖11 不同故障情況下C線涂層耐受電壓峰值Fig. 11 Peak coating withstand voltages on line C under different fault conditions

隨后逐漸減小。這是由于發(fā)生短接故障時，海纜纜芯直接接地，此時接地點(diǎn)附近電場發(fā)生較大變化，因此故障點(diǎn)位置與管線距離越近,涂層耐受電壓越高。

如表10所示，當(dāng)故障點(diǎn)為C線與海纜的交叉點(diǎn)時，C線接觸電壓峰值最大達(dá)到(1 633.51 V)。管線涂層耐受電壓分布規(guī)律與接觸電壓一致，同樣在C線與海纜的交叉點(diǎn)處達(dá)到最大值(1 627.65 V)。根據(jù)GB/T 50698-2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》以及故障時間0.05 s，計(jì)算當(dāng)天不同位置發(fā)生故障時管道沿線的平均交流電流密度，同樣在C線與海纜的交叉點(diǎn)故障時出現(xiàn)最大值(1.42 A/m2)。使用相同的計(jì)算方法，對B線和A線的故障干擾情況進(jìn)了模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表11和表12所示。

表10 C線故障干擾計(jì)算結(jié)果Tab. 10 Calculation results of fault interference of line C

表11 B線故障干擾計(jì)算結(jié)果Tab. 11 Calculation results of fault interference of line B

表12 A線故障干擾計(jì)算結(jié)果Tab. 12 Calculation results of fault interference of line A

表13 鋅帶敷設(shè)位置及長度Tab. 13 Zinc tape laying position and length

4 管道的防護(hù)設(shè)計(jì)

上述計(jì)算結(jié)果顯示，海纜線路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時管線干擾電壓及電流密度均滿足評價指標(biāo)要求，無需進(jìn)行緩解設(shè)計(jì)；故障狀態(tài)下三條管線的最大接觸電壓均超出779 V的人身安全電壓限值。為了保障管道沿線的人員安全，故障時管道接觸電壓緩解目標(biāo)設(shè)為779 V。

根據(jù)三條管線故障干擾預(yù)測結(jié)果，接觸電壓峰值均在海纜與管線交叉的位置，因此在該處敷設(shè)鋅帶，鋅帶敷設(shè)位置及長度如表13所示。

根據(jù)上述緩解措施繪制緩解計(jì)算模型，得到敷設(shè)100 m鋅帶后C線管道沿線交流電壓分布如圖12和圖13所示，故障狀態(tài)下接觸電壓最大值由1 633.51 V降低至613.03 V，滿足779 V人身安全電壓限值要求。

圖13 敷設(shè)100 m鋅帶前后C線接觸電壓對比Fig. 13 Comparison of contanct voltages on line C before and after laying 100 m zinc tape

根據(jù)上述緩解措施繪制緩解計(jì)算模型，得到B線在敷設(shè)100 m鋅帶后管道沿線的交流電壓分布如圖14和圖15所示，故障狀態(tài)下B線接觸電壓最大值由1 588.34 V降低至769.78 V，滿足779 V人身安全電壓限值要求。

圖14 敷設(shè)100 m鋅帶后B線接觸電壓分布云圖Fig. 14 Cloud diagrom of contact voltages distribution on line B after laying 100 m zinc tape

圖15 敷設(shè)100 m鋅帶前后B線接觸電壓對比Fig. 15 Comparison of contanct voltages on line B before and after laying 100 m zinc tape

根據(jù)上述緩解措施繪制緩解計(jì)算模型，得到A線敷設(shè)100 m鋅帶后管道沿線交流電壓分布如圖16和圖17所示，故障狀態(tài)下A線接觸電壓最大值由1 630.27 V降低至791.12 V，超出779 V人身安全電壓限值要求，需要進(jìn)一步緩解設(shè)計(jì)。

圖16 敷設(shè)100 m鋅帶后A線接觸電壓分布云圖Fig. 16 Cloud diagrom of contact voltages distribution on line A after laying 100 m zinc tape

圖17 敷設(shè)100 m鋅帶前后A線接觸電壓對比Fig. 17 Comparison of contanct voltages on line A before and after laying 100 m zinc tape

上述計(jì)算結(jié)果顯示，在A線與海纜交叉處敷設(shè)100 m鋅帶后緩解效果無法達(dá)到目標(biāo)限值要求，因此調(diào)整鋅帶敷設(shè)長度為150 m。繪制緩解計(jì)算模型，得到A線敷設(shè)150 m鋅帶后管道沿線的交流電壓分布如圖18和圖19所示，故障狀態(tài)下A線接觸電壓最大值由1 630.27 V降低至650.47 V，滿足779 V人身安全電壓限值要求。

圖18 敷設(shè)150 m鋅帶后A線接觸電壓分布云圖Fig. 18 Cloud diagrom of contact voltages distribution on line A after laying 150 m zinc tape

圖19 敷設(shè)150 m鋅帶前后A線接觸電壓對比Fig. 19 Comparison of contanct voltages on line A before and after laying 150 m zinc tape

根據(jù)上述過程針對鋅帶緩解措施進(jìn)行了計(jì)算，可得不同緩解措施的緩解效果如表14所示，C線及B線海纜與管線交叉處敷設(shè)鋅帶100 m，A線與海纜交叉處敷設(shè)鋅帶150 m可達(dá)到緩解目標(biāo)。

表14 防護(hù)效果Tab. 14 Protection effect

5 結(jié)論

(1) 海纜與海底管道并行時，管道受到交流干擾。為評價管道交流干擾的嚴(yán)重程度，確定如下的評價指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下陸地部分交流干擾電壓小于15 V，交流干擾電流密度小于30 A/m2,海底部分交流干擾電壓小于0.287 5 V，交流干擾電流密度小于30 A/m2；故障運(yùn)行情況下接觸電壓小于779 V,涂層耐受電壓小于3 000 V。

(2) 基于海纜運(yùn)行電流不平衡度1.39%、2%及4%分別計(jì)算管道受干擾情況，結(jié)果表明海底與陸地管線交流電壓和電流密度均滿足評價指標(biāo)要求，無需緩解設(shè)計(jì)。

(3) 針對海纜故障運(yùn)行時三條管線接觸電壓、涂層耐受電壓及交流干擾電流密度進(jìn)行評價，C線涂層耐受電壓最大值為1 627.646 V,B線涂層耐受電壓最大值為1 598.275 V,A線涂層耐受電壓最大值為1 624.082 V,均未超出3 000 V的涂層耐受電壓限值要求；C線接觸電壓最大值為1 633.508 V,B線接觸電壓最大值為1 588.34 V,A線接觸電壓最大值為1 630.268 V，均超出779 V的人身安全電壓限值要求，因此需要進(jìn)行緩解方案設(shè)計(jì)；C線平均交流電流密度最大值為1.42 A/m2,B線平均交流電流密度最大值為1.38 A/m2,A線交流電流密度平均值最大值為1.42 A/m2，均未超出30 A/m2的限值要求。

(4) 基于以上分析結(jié)果，對緩解措施進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在C線、B線及A線的登陸段分別敷設(shè)100 m、100 m及150 m的水平鋅帶，可以緩解管道故障接觸電壓,滿足779 V人身安全電壓限值要求。