埋地管道與高壓交流輸電線之間的安全距離

楊 超,李自力,崔 淦,丁小勇

(1. 中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，青島 266580； 2. 中國石油北京油氣調(diào)控中心，北京 100007)

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應用技術(shù)

埋地管道與高壓交流輸電線之間的安全距離

楊 超1,李自力1,崔 淦1,丁小勇2

(1. 中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，青島 266580； 2. 中國石油北京油氣調(diào)控中心，北京 100007)

建設在同一路由內(nèi)的管道和高壓交流輸電線，管道不可避免地受到高壓交流輸電線的干擾，而管道與高壓線之間的安全距離則是保證管道不必采取排流的重要指標。為探究埋地管道與高壓交流輸電線安全距離的問題，分別取4,6,8,10 V作為管道上感應電壓的限值，利用相關軟件研究了高壓線穩(wěn)態(tài)運行電流、管道與高壓線的平行長度和土壤電阻率對安全距離的影響規(guī)律。結(jié)果表明,把4 V作為感應電壓限值時，安全距離遠大于其他三個限值對應的安全距離；隨著平行長度、穩(wěn)態(tài)運行電流和土壤電阻率的增大，安全距離也相應增大。

埋地管道；高壓交流輸電線；感應電壓；安全距離

經(jīng)濟的發(fā)展使得工業(yè)用地日益減少，為了充分利用土地進行基礎建設，目前通常將管道和高壓線敷設在同一路由中，即公共走廊[1]。在公共走廊內(nèi)的多種管道、電纜和高壓線的相互干擾影響是不可避免的[2]，尤其是電氣化設施產(chǎn)生的雜散電流腐蝕以及架空高壓交流輸電線路對埋地油氣管道的電磁干擾影響[3-4]。關于土壤中的雜散電流對埋地管道的腐蝕，在SY-T 0017-2006《埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護技術(shù)標準》中明確規(guī)定了判斷干擾存在和必須進行雜散電流排流的數(shù)值，并且對排流后的相關數(shù)值進行了嚴格的限定；在國內(nèi)技術(shù)中多采用SCM測試、地電位梯度測試等方法來測量相關參數(shù)；而對于埋地管道的電磁干擾問題，只能在發(fā)現(xiàn)有干擾時對其采取排流措施，無法做到提前預防。

在SY/T 0032-2000《埋地鋼質(zhì)管道交流排流保護標準》中提出了安全距離的概念：在交流干擾環(huán)境中，管道上的干擾電壓在允許值(電壓限值)以內(nèi)時，干擾源與管道相互間的距離。這里定義的距離是指管線軸中心到線路桿塔對稱軸的距離，如圖1所示。安全距離表示在一定條件下，如果輸電線與管道的距離大于安全距離，可不采取相應的排流措施。但是在實際的工程建設中，由于空間上的限制和經(jīng)濟性的考慮，不可能無限加大管道與輸電線的距離來保證管道的安全。當在一定的土壤電阻率、高壓線穩(wěn)態(tài)運行電流等一系列的條件下，如果管道上的感應電壓小于相關規(guī)范上所給出的限值，可不對管道進行排流措施。因此，研究管道與高壓線之間的安全距離對于工程上管道與高壓線的敷設具有重要的指導意義。

1　干擾電壓限值的相關標準

對于干擾電壓的影響，從人身安全方面出發(fā)，管道上的交流干擾電壓限值可以分為15,33,60 V，美國NACE RP 0177-1995標準中規(guī)定為最嚴格的15 V[5]。在GB/T 21447-2008《鋼制管道外腐蝕控制規(guī)程》中指出，當管道上的感應電壓為6 V(酸性土壤)，8 V(中性土壤)和10 V(弱堿性土壤)時為弱干擾，而在SY/T 0032-2000《埋地鋼質(zhì)管道交流排流保護技術(shù)標準》中，明確給出了排流后應達到的標準，即6 V(酸性土壤)，8 V(中性土壤)和10 V(弱堿性土壤)的控制指標。需要指出的是，上述限值是在原先的石油瀝青防腐蝕層的基礎上提出的，而對于目前高性能的防腐蝕層如3PE來說，這個限值可以放寬到15 V[6]。在GB/T 50698-2011《埋地鋼制管道交流干擾防護技術(shù)標準》中給出了交流干擾防護措施要達到的電壓限值，即4 V。

管道上的交流感應電壓的產(chǎn)生起源于交流輸電系統(tǒng)的三種耦合方式：容性耦合、阻性耦合和磁感應耦合；而在實際工程中，對管道影響最大的為磁感應耦合，其他兩種耦合方式的影響可以忽略不計[7-8]。SY/T 0032-2000《埋地鋼質(zhì)管道交流排流保護技術(shù)標準》中給出當高壓線與管道的有效平行長度小于25 km時,管道上的磁干擾電壓最大值的計算公式如下：

(1)

式中:Umax為管道上磁干擾電壓最大值，V；U20m為平行距離為20 m時磁干擾電壓最大值，V/kA；fd為距離因子；Ick為高壓輸電線短路電流，A；αr為傳播常數(shù)修正系數(shù)；α為綜合屏蔽系數(shù)，通常為0.4～0.8。

2　模型建立

本工作建立的模型如圖2所示。

在上述計算模型中，管道尺寸為φ508 mm×7.9 mm，管道與高壓三相導線的相對高度為21.44 m，管道的涂層阻抗為20 000 Ω·m2，土壤電阻率、管道與高壓線的平行長度以及高壓線的穩(wěn)態(tài)運行電流依據(jù)研究對象而變化，管道左右端接地阻抗視為無限大，并且忽略高壓輸電線對管道左右端連續(xù)線的影響。

考慮到有許多舊管道依然在役，故本工作中采用最嚴格的4,6,8,10 V作為電壓限值進行研究；在不同的土壤環(huán)境中，當管道上的感應電壓小于6 V(酸性土壤)，8 V(中性土壤)和10 V(弱堿性土壤)可不進行排流；對于管道與多條高壓線并行交叉的情況下，推薦使用最嚴格的4 V作為不需進行排流的限值。考慮影響管道干擾電壓最主要的三個因素：高壓線穩(wěn)態(tài)運行電流、管道與高壓線的平行長度和土壤電阻率，采用相關軟件分別模擬研究了以上因素對安全距離的影響規(guī)律。

3　結(jié)果與討論

3.1平行長度

模型中其余參數(shù)不變，土壤電阻率為20 Ω·m，高壓輸電線穩(wěn)態(tài)運行電流為1 600 A，管線與高壓線平行長度分別為500,1 000,2 000,3 000,5 000,10 000 m。模擬得到不同平行長度條件下，管道與高壓線的距離與感應電壓的關系,見圖3，不同電壓限制下安全距離與平行長度的關系,見圖4。安全距離的求得過程如下：根據(jù)圖3的模擬結(jié)果，在縱軸選定一電壓限制(如4 V)，可以對應得到不同平行距離下管道與高壓線之間的安全距離。

由圖3可知，管道最大感應電壓隨管線與高壓輸電線距離的增加而逐漸減小。由圖4可知，隨著管道與高壓線平行長度的增大，安全距離增大。各條曲線都有一拐點(4 000 m)，當平行距離小于拐點值時，曲線較陡，大于拐點值時，曲線趨于平緩；而電壓限值“4 V”在平行長度小于拐點值時，增大速度明顯高于其他三條曲線;平行長度大于4 000 m時，增大速度與其他三條曲線基本相同。由模擬結(jié)果還可以得出，在同一平行長度下，安全距離隨著電壓限值的降低而逐漸增大，也就是說，當選取的電壓限制較保守(低)時，為了防止管道受到干擾腐蝕，管道與高壓線的距離應該處于較大的水平。

3.2穩(wěn)態(tài)運行電流

根據(jù)法拉第電磁感應定律，當其他條件不變時，管道上的感應電壓與輸電線的穩(wěn)態(tài)運行電流成正比；為保證經(jīng)濟效益，當加大輸電電流時，勢必會加大高壓輸電桿塔與管道的安全距離。目前高壓輸電電流一般為1 000～1 500 A，為保證對實際工程的借鑒意義，模擬試驗選取的高壓穩(wěn)態(tài)運行電流的范圍為800～2 000 A，土壤電阻率為20 Ω·m，管道與高壓線的平行長度為2 000 m，模擬結(jié)果見圖5。

由圖5可見，穩(wěn)態(tài)運行電流與安全距離基本成線性關系，隨著穩(wěn)態(tài)運行電流的增大，所需要的安全距離增大；曲線“4 V”的斜率和數(shù)值明顯高于其他三條曲線的，說明當選取4 V作為管道干擾電壓的限值時，隨著穩(wěn)態(tài)運行電流的增大，安全距離增加的幅度遠大于其他三個電壓限制；在同樣的穩(wěn)態(tài)運行電流下，所要求的安全距離也要遠遠大于6,8,10 V所要求的安全距離。

3.3土壤電阻率

除了山地和干旱地區(qū)，大多數(shù)地區(qū)的土壤電阻率較小；隨著土壤電阻率越大，管道最大感應電壓先增大較為迅速，當大于150 Ω·m后緩慢增大趨于平穩(wěn)；這是因為隨著土壤電阻率的增大，大地的屏蔽作用增大，減緩了管道上最大感應電壓的增長。模擬中選取的土壤電阻率的范圍為20～200 Ω·m，穩(wěn)態(tài)運行電流為1 600 A，管道與高壓線平行長度為2 000 m，模擬結(jié)果如圖6所示。

由圖6可見，隨著土壤電阻率的增大，所要求的安全距離也增大，但是增大速度略有減緩；曲線“4 V”的斜率和數(shù)值明顯高于其他三條曲線的，說明當選取4 V作為管道干擾電壓的限值時，隨著土壤電阻率的增大，安全距離增加的幅度遠大于其他三個電壓限制；在同樣的土壤電阻率下，所要求的安全距離也要遠遠大于6,8,10 V所要求的安全距離。在實際施工中由于經(jīng)濟性因素，不可能只選取土壤電阻率較低處，對于土壤電阻率較高的地方，可以在土壤中混入爐渣、木炭粉、食鹽等化學物質(zhì)，以及采用專用的化學降阻劑來減小土壤電阻率[9-11]。

4　結(jié)論

本工作采用最嚴格的4,6,8,10 V為限值，利用相關軟件，模擬研究了管道與高壓線的平行長度、高壓線穩(wěn)態(tài)運行電流和土壤電阻率對安全距離的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1) 當把4 V作為管道干擾影響的限值時，對安全距離的要求遠遠大于6,8,10 V限值時的。而涂層性能好可以增加干擾電壓的限值，因此，在實際建設中，可以通過性能良好的防腐蝕層來降低對管道上感應電壓限值的要求，大大節(jié)省空間。

(2) 隨著管道與高壓線平行長度的增大，安全距離增大，但是增大的速度逐漸放緩；當平行長度較大時，所要求的安全距離維持在一個比較高的數(shù)值上。在實際施工中，要綜合權(quán)衡平行長度和安全距離，找到兩者的平衡點，在充分考慮經(jīng)濟性和空間上的影響因素時最大限度地減小管道感應電壓。

(3) 穩(wěn)態(tài)運行電流與安全距離成線性關系，隨著穩(wěn)態(tài)運行電流的增大，安全距離相應增大。但是實際高壓線輸送電流越大，經(jīng)濟性越高。因此，當在管道路由內(nèi)建設高壓甚至是特高壓輸電線路時，應提前對管道進行防護措施。

(4) 隨著土壤電阻率的增大，安全距離逐漸增大，但是增大速度略有減小，基本呈現(xiàn)線性增長的趨勢。所以當管道經(jīng)過土壤電阻率較高的地區(qū)時，應提前對管道進行防護，或者通過化學降阻劑等來降低土壤電阻率。

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Safe Distance between Buried Pipelines and High Voltage AC Transmission Lines

YANG Chao1, LI Zi-li1, CUI Gan1, DING Xiao-yong2

(1. College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China;2. Oil and Gas Control Center, Beijing, Beijing 100007, China)

In the same routing, it is unavoidable that the current of transmission lines will cause interference corrosion on buried pipelines. The safe distance between pipelines and high voltage transmission lines is regarded as a norm, above which no electric discharge will be needed. In order to explore the safe distance between buried pipelines and high voltage AC transmission lines, related software was used to study the influences of some aspects on safe distance, including the steady state current, parallel distance between pipeline and transmission lines and soil resistivity. During the simulation, the limits of the induced voltages of 4 V, 6 V, 8 V and 10 V on pipelines were taken as a reference respectively. The results show that when the limit of the induced voltage was 4 V, the safe distance was longer than the others, and with the increase of parallel distance, steady state current or soil resistivity, the safe distance also increased.

buried pipeline; high voltage AC transmission line; induced voltage; safe distance

10.11973/fsyfh-201601013

2015-01-06

國家科技重大專項大型油氣田及煤層氣開發(fā)(2008ZX05017-04-01)

李自力(1963-)，教授，從事油氣儲運系統(tǒng)安全工程的研究工作,15053293355,cygcx@163.com

TE988

A

1005-748X(2016)01-0056-04