架空輸電線路與金屬管道的電磁耦合計算

呂 智

（中石化江漢石油工程設計有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

我國對于電力和能源的需求逐漸增大，電力和油氣輸運在全國大范圍展開[1-3]。由于我國土地資源有限，高壓輸電線路和輸油輸氣管道經常面臨同走廊并行架設和交叉跨越的狀況[4]。電流在輸電線路中三相交替變換會在鄰近管道上產生電磁感應電壓，該電磁感應現象輕則使管道長期產生感應電動勢削弱管道的安全性和可靠性，重則危及作業人員的生命[5-6]。因此圍繞輸電線路對金屬管道的影響規律展開研究十分必要。

本文建立架空輸電線路對金屬管道的電磁干擾模型，通過對不同電壓等級、并行長度和并行間距的管線干擾特征進行對比，探究架空線路對金屬管道的電磁干擾的特征規律。

1 電磁干擾模型的建立

當管道與輸電線路平行時，管道與輸電線路的位置如圖1 所示。A、B、C 三相交流架空線路距離地面H1，兩條地線位于三相輸電線上方H2，H1和H2分別為25 m 和5 m。改變埋地金屬管道的y 軸坐標可改變它與輸電線路的距離。本部分分別探討了輸電線路的載流量、輸電線路與金屬管道的并行長度以及并行距離對金屬管道感應電壓的影響規律。

在仿真模型中，空氣電阻率和土壤電阻率分別為1018Ω·m 和100 Ω·m，溫度為25℃天氣晴，海拔高度為0 m。本仿真研究中架空線路的額定電壓分別為33 kV、66 kV 和132 kV，電流分別為445 A、926 A、1 200 A。輸電線路的導線和地線參數如表1 所示。

圖1 管道與輸電線路位置示意圖

表1 交流輸電線路的導線和地線

管道選用10 英寸API-5L X52 鋼管道，導體外半徑為273 mm，導體內半徑為259 mm，其主體的相對電阻率和相對磁導率分別為10 和300。管道防腐層使用的是3 層聚乙烯材料，其電阻率是5 000 Ω·m，厚度是8 mm，管道埋地深度為2.5 m 。

2 耦合計算分析

2.1 不同運行電壓等級下管道的感應電動勢

仿真得到載流量為445 A、926 A 和1 200 A 時，管道與架空線路并行1 000 m 時的管道感應電動勢和縱向電流，如圖2 所示。當架空輸電線路與埋地金屬管道并行時，由于架空線路交變電磁的存在，管道上會產生沿長度方向的感應電壓和電流，電壓呈現對稱折線分布特點，沿管道長度方向先減小后增大，正中間為電壓最低點。而管道產生的縱向電流則與電壓特點相反，沿管道長度方向先增大后減小，具有開口向下的拋物線的幾何特點，最大值出現在管道的正中心位置。我國國家相關標準規定管道電壓應控制在4 V以內，否則需采取對應的防護措施，圖2 中輸電線路電流為1 200 A 的管道電壓明顯與國家標準要求不符，威脅輸電及管道的安全性，需要加以重視。

圖2 不同載流量下管道產生的感應電壓和電流分布情況

2.2 管道與架空線路水平間距的影響

以線路電壓為132 kV，電流為1 200 A 為例，當埋地金屬管道與線路并列運行的長度為1 000 m 時，改變兩者的中心距離，得出在不同水平間距情況下，計算所得管道上所產生的感應電壓與縱向電流的最大值如表2 所示。

根據表2 可以畫出并行間距與管道上最大電壓和電流的關系曲線，如圖3 所示。當管道與線路并行長度為1 000 m 時，隨著管道與架空線路水平中心距離的逐漸增大，管道上最大感應電壓沿管道伸長方向先增大再逐漸減小，最終趨于穩定，電流與電壓趨勢基本一致。當管道距離線路中心水平距離大約為30 m 時，感應電壓和電流均達到最大值，隨著間距的再次延長，管道的最大電壓和電流均同步迅速降低，但隨著平行間距的增大管道最大電壓與最大電流的減小速度逐漸減慢。當管道與輸電線路的間距達到一定值時，管道上的感應值趨于恒定，再增大管道與輸電線路的距離來減小感應電壓的效果顯著程度明顯較低。

表2 線路與管道間距的影響

圖3 并行間距與管道上最大電壓和電流的關系

2.3 管道與架空線路并行長度的影響

當管道與架空線路中心水平距離為10 m 時，改變管道與線路的平行長度值，得出在該值改變的情況下，管道上所產生的感應電壓與電流最大值，數據如表3所示。

表3 線路與管道并行長度的影響

根據表3 可以畫出管道電壓和電流與并行長度之間的關系曲線，如圖4 所示。

圖4 并行長度與管道上最大電壓和電流的關系

由表3 和圖4 可知，隨著線路與金屬管道平行運行長度的增加，管道上產生的電磁感應電壓在2 000 m以內隨之驟增，然后有微弱減小，最終趨于穩定。即使并行長度再進一步增大，管道感應電壓也幾乎不變。當并行長度為2 000 m 左右時，管道上的感應電壓達到最大值。管道上感應電流的變化趨勢與電壓變化特點基本保持一致。因此，即使架空線路與鄰近的金屬管道并行長度很長，并不意味著對管道造成的干擾也越嚴重。

3 結論

為了研究架空輸電線路對金屬管道電磁干擾的影響差異，本文采用建立了輸電線路和油氣管道的電磁仿真模型，討論了不同因素對管道上感應電壓和縱向電流的影響規律，得到的主要結論如下。

（1）當金屬管道與架空輸電線路平行輸送電能和油氣時，由于線路產生的交變磁場，管道上會感應出一定數值的電流和電壓，電壓值沿著管道方向先減小再增大，在管道中間處達到最小值，該值接近于0 V；而管道電流則呈現與感應電壓完全相反的趨勢，呈開口向下的拋物線形狀，管道的中點為其最大值。

（2）在其他條件相同時，架空線路對金屬管道的電磁干擾隨著并行間距的增加先增大后減小，最終趨于穩定

（3）其他條件相同時，隨著并行長度的增加，架空線路對金屬管道的電磁干擾呈現先迅速增大再略有減小，最終趨于穩定的趨勢。