220 kV海纜對海底管道電磁干擾分析及評估

徐 偉 李泊靜 高 媛 田念佩 梁 毅 杜艷霞

(1. 中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司 廣東廣州 510663； 2. 北京科技大學 新材料技術研究院 北京 100083)

近年來，隨著中國海上油氣開發力度的加大，海底電纜得到了大規模敷設。由于地理位置的限制，不可避免地出現海纜與海底管道平行接近或交叉跨越的情況，形成長距離共用走廊帶，從而使海管受到電力系統的交流干擾[1-4]。交流干擾可能造成管道腐蝕穿孔，甚至引發爆炸事故[5]。此外，交流干擾也嚴重威脅下水作業人員的安全。目前，國內外已有相關學者利用電磁干擾模擬軟件對管道交流干擾進行了預測評估[6-9]。胡家元 等[10]采用CDEGS軟件對某500 kV交流海纜對鄰近原油管道電磁干擾風險進行了模擬評估，結果表明海纜正常運行時，管道最大干擾電壓為0.063 V、電流密度9.36 A/m2，符合安全規定；白鋒 等[11]利用CDEGS軟件對某埋地油氣管道與1 000 kV特高壓交、±800 kV特高壓直流輸電線路均有交叉跨越和平行接近情況進行了仿真分析，結果表明特高壓交、直流輸電線路同走廊時，鄰近管道上的電磁影響主要由交流線路引起，交流輸電線路在管道上產生的對地電壓約為2.016 V。祝賀 等[12]研究了1 000 kV特高壓交流輸電線路對陸地管道的穩態電磁干擾，結果表明在間距較近位置，對地電壓約達66 V。李平 等[13]通過數值模擬研究了海纜和陸上換流站的雜散電流對海底管線的干擾程度，該海纜正常運行輸送電流約530 A，二者并行間距80～730 m，得出故障工況下接觸電壓最大值為1 633.5 V。

由于海纜是近年才得以迅猛發展，現階段針對高壓輸電工程交流干擾的研究多是圍繞陸上輸電線路開展，還鮮有針對海纜對海底管道的交流干擾影響方面的研究。此外，故障工況下電流在海水中的傳輸途徑與陸上土壤中傳輸途徑也截然不同。因此，隨著海洋輸電工程的發展，亟待開展海纜對海管的影響方面的研究。本文針對中國海油某油田群岸電工程項目，利用CDEGS電磁干擾模擬軟件對擬建高壓交流海纜對臨近海底管道交流干擾風險進行評估，并參考GB 16636—2008標準和GB/T 13870.1—2008標準，提出人員下水作業安全防護建議，從而為新建海纜布局及相關人員下水作業安全防護提供參考及建議。

1 分析模型及評估標準

1.1 分析模型

中國海油某岸電工程項目涉及2條待敷設海纜及2條海底管道。海纜1與海管P1并行約70 km，且海纜1與海管P2下端存在交叉；海纜2與海管P2并行約45 km，且在下端有交叉(圖1，該圖為海纜布局俯視圖)。2條海管材質均為API 5L X52，防腐層為3PE，海管主要參數見表1。

圖1 某岸電工程項目高壓交流電纜與海底管道的幾何模型Fig.1 Geometric model of high-voltage AC cables and submarine pipelines used in a shore power engineering project

表1 某岸電工程海底管道主要參數Table 1 Main parameters of the subsea pipelines used in a shore power engineering project

2條擬敷設的交流220 kV海纜均為三芯海纜(圖2)。2條海纜導體規格不同，海纜1、2額定載流量分別為761、499 A，單相短路電流最大值分別為4 488.0、6 433.9 A，電流不平衡度均為4%。海纜在兩端存在接地網，接地形式為鉛套三相互聯直接接地及鎧裝直接接地，鉛套和鎧裝接入同一接地網。電纜結構參數見表2。海底管道沿線環境從上到下分別為海水層和海泥層。其中，海水層深度約27.015 m，海泥層厚度設置為無窮大，海水層、海泥層電阻率分別為0.199 5、1.29 Ω·m。

圖2 三芯電纜結構Fig.2 Structure of three core cable

表2 海纜結構參數Table 2 Structural parameters of submarine cable

1.2 評估標準

1) 穩態運行工況下的交流干擾風險評判指標。

根據國際交流腐蝕評判標準ISO 18086-2019[14]及NACE SP 21424-2018[15]，以交流電流密度作為交流干擾腐蝕風險的評判指標，交流干擾腐蝕風險弱、中、強3個等級所對應的交流電流密度分別為小于30 A/m2、30～100 A/m2、大于100 A/m2。

2) 故障工況下的防腐層耐受電壓評價指標。

本次計算模型中海底管道涂層采用3PE涂層，因此發生故障時，依據Std.80 標準中規定的100 000 Ω·m2面電阻率的防腐層安全耐受電壓為10 000 V。

3) 人身安全評價指標。

參考GB 16636—2008[16]和GB/T 13870.1—2008[17]分別獲得了海水環境下的人身安全電流限值及人體阻抗，通過計算得到穩態運行工況和故障工況下，人身安全電場強度限值分別為2.5、14 V/m。

2 穩態工況下電磁干擾影響規律分析及風險評估

海管臨近海纜線路時，會因感性耦合和阻性耦合等產生感應電壓。海管表面防腐蝕層破損點位置處基體裸露并與周圍介質相接觸，管道上感應電壓會在破損點處產生較大的泄漏電流，從而引發腐蝕。為了合理布局新建海纜，須探究不同海纜與海管間距下，海纜對海管電磁干擾影響以及對下水作業人員人身安全風險的影響。

2.1 海纜與海管間距對海管交流干擾的影響

1) 海管P1。

海纜1與海管P1并行長度約70 km，將海纜1和海管P1間距分別設為10、30、50、70、90、100、150 m(由于海纜與海管埋深處水深相近，二者的間距特指二者的平面距離，余同)，計算得到不同間距下海管P1所受交流干擾電壓和交流電流密度情況(圖3)。可以看出，海管P1所受交流干擾電壓和交流電流密度隨著二者間距的增大而減小，當海纜1與海管P1的間距為10 m時，在海管P1與海纜1并行的起點與終點位置出現交流干擾電壓與交流電流密度的峰值點，最大交流干擾電壓為0.140 V，最大交流電流密度達到155.5 A/m2，海管P1交流干擾腐蝕風險達到強等級(電流密度大于100 A/m2)，存在較大的交流腐蝕風險，其中交流電流密度超過30 A/m2的海管長度達42.6 km；當海纜1與海管P1的間距為30 m時，最大交流干擾電壓為0.064 V，最大交流電流密度達到72.8 A/m2，交流干擾腐蝕風險達到中等級(電流密度30～100 A/m2)，存在一定的交流腐蝕風險，其中交流電流密度超過30 A/m2的海管長度為8.31 km；當二者間距為50 m時，最大交流干擾電壓為0.037 V，最大交流電流密度為41.9 A/m2，仍存在一定的交流腐蝕風險，其中交流電流密度超過30 A/m2的海管長度為2.31 km；直到海纜1與海管P1的間距增大至70 m，海管P1全線所受交流電流密度均降至交流干擾腐蝕低風險等級(小于30 A/m2)標準以下，此時最大交流干擾電壓和交流電流密度分別為0.024 V、26.7 A/m2；當海纜1與海管P1的間距增大至100 m時，海管P1的最大交流干擾電壓和交流電流密度分別為0.013 V和14.8 A/m2。

圖3 海纜1與海管P1的間距對海管P1交流干擾程度的影響Fig.3 Influence of distance between submarine cable 1 and pipeline P1 on AC interference degree of pipeline P1

進一步研究不同間距下海管P1峰值交流電流密度分布情況(圖4)。可以看出，隨著海纜與海管間距的增加，管道上峰值交流電流密度降低。海纜實際敷設過程中，因施工工藝的限制，海纜實際敷設方位可能與路由有數米的偏差。此外，考慮工程應用所需裕度，因此，實際工程應用時，推薦海管P1與海纜1安全間距取100 m。

2) 海管P2。

海纜2與海管P2并行長度約45 km，將海纜2和海管P2保持登陸端與平臺處的相對位置不變，中間部位的間距分別設為10、24、28、30、32、36、50、100、150 m，計算分析不同間距情況下的交流干擾風險(圖5)。可以看出，海管P2的交流干擾程度隨海纜2與海管P2間距的增大而減小，當海纜2與海管P2的間距為10 m時，海管P2最大交流干擾電壓為0.055 V，最大交流電流密度達到61.7 A/m2，海管全線交流電流密度均超過交流干擾腐蝕低風險等級30 A/m2的限值；當并行間距為24 m時，海管P2全線最大交流干擾電壓為0.030 V，最大交流電流密度為34.0 A/m2，其中交流電流密度超過30 A/m2的海管長度為10.5 km；當間距增至30 m時，海管P2全線最大交流干擾電壓為0.025 V，最大交流電流密度為28.2 A/m2，略低于標準要求的30 A/m2；當海纜2與海管P2的間距增大至100 m時，海管P2全線最大交流干擾電壓為0.005 2 V，最大交流電流密度為5.85 A/m2。

圖4 海纜1與海管P1不同間距下海管P1峰值交流電流密度Fig.4 Peak AC current density of submarine pipe P1 under different spacing between submarine cable 1 and submarine pipe P1

圖5 海纜2與海管P2的間距對海管P2交流干擾程度的影響Fig.5 Influence of distance between submarine cable 2 and pipeline P2 on AC interference degree of pipeline P2

不同間距下海管P2峰值交流電流密度分布情況如圖6所示。可以看出，與海管P1相似，隨著海纜與海管間距的增加，管道P2上峰值交流電流密度降低。根據穩態工況下的數值模擬計算結果并考慮實際工程的設計裕量，推薦海纜2與海管P2的安全間距取50 m。

圖6 海纜2與海管P2不同間距下海管P2峰值交流電流密度Fig.6 Peak AC current density of submarine pipe P2 under different spacing between submarine cable 2 and submarine pipeline P2

對比海管P1、P2所受電磁干擾程度，當海纜與海管間距相同時，相較海管P1，海管P2的受干擾程度明顯降低。主要有兩方面原因:一是海管P2與海纜2并行的長度為45 km，僅為海管P1與海纜1并行長度(70 km)的64%，海纜與海管并行長度越短，海底管道受交流干擾程度越低；二是海纜1和海纜2負載電流不同，海纜1負載電流(761 A)遠大于海纜2的負載電流(499 A)，負載電流越高，海管受交流干擾程度也越高。

2.2 人身安全風險評估

參考GB 16636—2008標準和GB/T 13870.1—2008標準，穩態工況下人身安全電場強度限值為2.5 V/m。通過數值模擬計算得到穩態運行工況下，海纜與海管不同并行間距下，海管P1、P2的最大接觸電壓(表3)。可以看出，海管P1、P2的最大接觸電壓分別為0.140、0.055 V。若下水作業人員手臂到海管距離為1 m，計算得到人與海管電場強度最大值分別為0.140、0.055 V/m，低于穩態工況下人身安全電場強度限值，人員安全事故風險較低。

表3 穩態運行工況下不同海纜與海管間距下海管最大接觸電壓Table 3 Maximum contacting voltage of subsea pipelines with different distances between submarine cable and pipeline under steady operation conditions

3 故障工況下電磁干擾風險評估

針對海纜1與海管P1推薦的安全間距100 m，海纜2與海管P2的安全間距50 m，開展海纜單相短路故障工況下海纜對海管的干擾模擬分析。

1) 海管P1。

假設海纜1在A、B、C、D等4處位置(圖7)發生單相短路故障，構建故障工況下的數值模型，計算海纜1在上述位置發生單相短路故障時海管P1遭受的干擾情況(圖8)。可以看出，在單相短路故障工況下，海管P1接觸電壓和防腐層耐受電壓峰值均出現在故障點處。當海纜1在C位置即海纜中點處發生故障時，其接觸電壓與防腐層耐受電壓峰值最大，分別為76.3、75.7 V。在所計算的4個故障位置下，海管P1接觸電壓和防腐層耐受電壓峰值的最小為41.2 V。可見，當發生單相短路故障時，防腐層耐受電壓遠低于規定的安全耐受電壓限值，防腐層擊穿風險較小。而距海管P1 1 m的電場強度為41.2 V/m，高于全身浸沒環境下規定的人身安全電場強度(14 V/m)。因此，建議相關人員在海纜1發生單相短路故障情況時，下水作業須采取全套安全防護。

注：A為距海纜1起點2.8 km處；B為海纜1左端拐點處，距起點約12 km；C為海纜1中間處，距起點約40 km；D為距海纜1終點3 km處圖7 海纜1單相短路故障位置示意圖Fig.7 Schematic diagram of single-phase short-circuit fault location of submarine cable 1

圖8 海纜1單相短路故障工況下不同故障位置對海管P1的干擾影響Fig.8 Interference of different fault locations to subsea pipeline P1 under single-phase short-circuit fault condition of submarine cable 1

2) 海管P2。

同理，假設海纜2在E、F、G、H等4處位置(圖9)發生單相短路故障，構建故障工況下的數值模型，計算海纜2在上述位置發生單相短路故障時海管P2遭受的干擾情況(圖10)。可以看出，單向短路故障工況下，海管P2接觸電壓和防腐層耐受電壓峰值均出現在海纜2拐點F、G處。當在F位置即海纜2上端拐點處發生故障時，海管P2接觸電壓與防腐層耐受電壓最大，值分別為226.9、224.3 V。在所計算的4個故障位置下，海管P2接觸電壓與防腐層耐受電壓的最小峰值為55.6 V。可見，當海纜2發生單相短路故障時，海管P2防腐層耐受電壓遠低于規定的安全耐受電壓限值，防腐層擊穿風險較小。而距海管P2 1 m的電場強度高于全身浸沒環境下規定的人身安全電場強度(14 V/m)，因此，建議相關人員在海纜2發生單相短路故障情況時，下水作業須采取全套安全防護。

注：E為海纜2起點處；F為海纜2上端拐點處，距起點約12 km；G為海纜2下端拐點處，距終點約4 km；H為海纜2終點處圖9 海纜2單相短路故障位置示意圖Fig.9 Schematic diagram of single-phase short-circuit fault location of submarine cable 2

圖10 海纜2單相短路故障工況下，不同故障位置對海管P2的干擾情況Fig.10 Interference of different fault locations to subsea pipeline P2 under single-phase short-circuit fault condition of submarine cable 2

4 結論

1) 海纜穩態運行工況下，海管的受干擾程度隨著海纜和海管間距的增大而降低。根據穩態工況下的數值模擬計算結果并結合實際岸電工程情況及設計裕量，推薦海纜1與海管P1的安全間距為100 m，海纜2與海管P2的安全間距為50 m；在該安全間距下，海管最大電場強度小于GB 16636—2008和GB/T 13870.1—2008規定的人身安全電場強度限值(2.5 V/m)，人員安全事故風險較低。

2) 單相短路故障工況下，海管P1、P2的防腐層耐受電壓低于標準規定的理想3PE防腐層耐受電壓值，防腐層擊穿風險較小；而距海管1 m的電場強度高于全身浸沒環境下規定的人身安全電場強度(14 V/m)，建議操作人員下水作業時，采取充分的絕緣防護措施，以免發生觸電危險。