埋地管道電磁干擾及緩解措施分析

鄭 軒，宋萌清，楊勁松，馬成廉

（1.吉林化工學院 信息與控制工程學院，吉林 吉林 132022；2.安徽明生電力投資集團有限公司，安徽 合肥 232001；3.現代電力系統仿真控制與綠色電能新技術教育部重點實驗室（東北電力大學），吉林 吉林 132012）

0 引 言

隨著我國電力、鐵路、天然氣以及石油管道等基礎設施不斷發展，由于經濟和地理條件的限制，部分地區的架空輸電線路和金屬管道經常使用相同的路線。在這種情況下，架空輸電線路和金屬管線或鐵路之間會產生電磁干擾。在高壓輸電線上發生短路的情況下，大量的電流會流向地面。如果在短路區域附近有管道，電磁干擾在該管道上會產生比正常情況下更高的感應電壓。盡管短路干擾的影響會根據管道中涂層的特性而降低，但這種涂層可能在安裝或使用管道的過程中被損壞。

如果技術人員在管道泵站工作，并在短路時接觸到金屬表面，則可能會發生電擊。工人在接觸過程中所承受的電壓被定義為接觸電壓。在《電信線路遭受強電線路危險影響的容許值》（GB 6830—1986）中，這種感應電壓對管道的安全限制是60 V，在《低壓配電設計規范》（GB 540054—1995）中是50 V，在《傳統接觸電壓限值的使用-應用指南》（IEC TS 61201—2007）中是33 V。如果電磁干擾超過了這些標準所確定的安全限度，則出于安全考慮，應該采取一些措施降低感應電壓。通過研究這種電磁干擾，并討論安全措施，以便在安全限度內進行工作。

采用CDEGS 軟件進行長架空輸電線路和管道的電磁干擾分析，而CDEGS 程序的準確性在很多研究中已經得到驗證。在這些研究中，對于某一區域階躍電壓和觸摸電壓的增加，為了減少對管道的電磁影響，一種方法是在管道和400 kV 架空輸電線路的交匯處采用接地電纜，另一種方法是通過使用接地網減少觸摸電壓和階躍電壓[4]。針對干擾產生的由管道流向地面的電流導致管道變形的情況，文獻[5]使用絕緣法蘭緩解管道與輸電線路之間的干擾。此外，研究人員使用阻抗電流陰極保護減少干擾造成的影響。

文章研究了公共走廊上的架空輸電線路和一條彎曲鋪設的管道之間的電磁干擾，采用增設緩解線的方法，將架空輸電線路故障后的管道涂層耐受電壓降低到可接受的水平。

1 輸電線路及管道特性

在架空輸電線路發生短路的情況下，涂層應力電壓、接觸電壓以及步進電壓升高。這些電壓根據傳輸線路的電氣和物理參數、管道的物理參數以及接地電阻/電阻率的變化而變化。沿管道的任何點x處的傳導電壓為

式中：Ux為x點的感應電壓，V；Ug為地電位升；x1為地和管道之間的距離，m；re為接地電極的半徑，m。

本研究模擬了總長為64.39 km 的110 kV 輸電線路，桿塔為Delta 型、鋼質。相導線為477 ACSS，屏蔽線為OPGW Optical ALCOA 48/48/606，平均檔距為121.95 m。將每個桿塔的塔基模擬成長為6.098 m、直徑為0.305 m 的鋼型接地棒。沿著共用走廊，基于電阻率為100 Ω·m 的均勻土壤模型（2 個均勻土壤區域）計算接地電阻，其值為10.67 Ω。輸電線路兩端的2 個變電站接地系統的接地電阻分別為0.5 Ω 和1.0 Ω。正常情況下，最大負載電流值為三相的平衡電流，其值為830 A。埋地管道的材質為鋼，直徑為0.610 m，壁厚為0.952 7 cm，埋深為0.915 m，相對電阻率（相對于退火銅）為10 Ω·m，相對磁導率為300 H/m，管道涂層電阻率為40 887.37 Ω·m，涂層厚度為1 mm。

2 穩態及故障干擾分析

2.1 穩態干擾

當輸電線路穩態運行的負載電流為830 A 時，管道受到干擾產生的縱向電流和感應電勢變化曲線如圖1 和圖2 所示。

圖1 管道縱向電流

圖2 管道感應電勢

由圖1 可知，輸電線路穩態運行時，管道中間段縱向電流達到峰值7.2 A，向兩端平穩下降。由圖2 可知，管道感應電勢幅值呈現兩端高、中間低的趨勢，最高接近46.00 V（位于管道始端），最低約為9.00 V（位于管道中間段）。

2.2 故障情況下的交流干擾計算

在共用走廊中點處，當110 kV 輸電線路發生故障時（相線和中性線間發生短路），計算管道上的交流（Alternating Current，AC）干擾。計算故障相線和中性線間的分路電流分布、電位分布以及故障時管道的感應電勢（感應和傳導分布）和涂層耐受電壓，結果如圖3、圖4、圖5 以及圖6 所示。

圖3 分路電位幅值

圖4 分路電流幅值

圖5 故障時管道感應電勢

圖6 涂層耐受電壓幅值

當輸電線路發生故障時，塔號為3 的桿塔處故障相線和中性線間的分路電流與電壓最高，分別為320 A、3 400 V。受干擾管道的感應電勢和涂層耐受電壓變化趨勢十分接近，管道始端的感應電勢和涂層耐受電壓較高，為3 100 V。

2.3 穩態和故障情況下管道上的感應電位

綜合考慮輸電線路穩態與故障對管道的交流干擾，分析管道沿線的感應電勢和管道涂層總耐受電壓，如圖7、圖8 以及圖9 所示。

圖7 穩態情況下管道上的感應電勢

圖8 故障情況下管道上的感應電勢

圖9 涂層總耐受電壓

從圖7 可以看出，正常負載情況下，管道上的最大感應電壓接近46 V，不超過埋設管道50 V 的限值，因此無須采取專門的緩解措施。從圖8 可以看出，故障情況下，管道始端感應電勢較高，約為5 175 V。從圖9 可以看出，故障情況下管道的最大涂層耐受電壓為4 946 V，超過了安全限值2 500 V，此時需要對管道采取緩解措施。

3 降低管道干擾的緩解方法分析

為了將故障情況下管道沿線的涂層承受電壓和接觸電壓降低到設計閾值以下，需要進行準確的緩解措施設計。針對故障情況設計的緩解措施在負載情況下進行檢驗時，多數能夠滿足要求。如果在負載情況下，緩解措施不能滿足要求，則需要重新設計緩解措施。通過在觸摸電壓和階梯電壓增加的區域增加一條新的代表緩解線的相線，將緩解線鋪設在管道溝的底部1.5 m 深，離管道邊緣的距離為0.3 m。仿真分析加入緩解線后，在輸電線路故障情況下，管道涂層總的耐受電壓如圖10 所示。

圖10 加入緩解后管道涂層總耐受電壓

由圖10 可知，加入緩解線后，管道涂層總耐受電壓最大值為280 V，較加入緩解線之前的4 946 V下降了94.34 %，此方法已經將管道涂層承受電壓降低到可接受的水平。考慮安全限制，緩解線為輸電線路與管道并行的情況提供了較佳的解決方案。

4 結 論

研究輸電線路穩態運行與短路故障下與金屬管道之間的交流干擾，并對故障下管道涂層耐受電壓過高采取一定緩解措施，取得了一定的成果。110 kV輸電線路穩態運行下，負載電流為830 A 時，管道縱向電流最高為7.2 A，感應電勢最高接近46 V，在安全限值以下。考慮穩態與故障情況下，管道的最大涂層承受電壓為4 946 V，超過了限值2 500 V，此時管道需要采取緩解措施。對于受干擾管道涂層耐受電壓遠高于安全限值的情況，在管道溝的底部1.5 m 深鋪設緩解線，緩解線距管道邊緣0.3 m。通過增設緩解線的方法，可以降低架空輸電線路與管道之間的電磁干擾引起的感應接觸和跨步電壓，降低管道涂層總耐受電壓。為限制感應電壓，在輸電線路和管道的安裝過程中，應選擇有效的屏蔽方法降低鐵塔接地電阻。