高壓輸電線路對(duì)甬紹金衢管道干擾因素的研究

阮亦根

〔中國(guó)石化浙江石油分公司 浙江杭州 310009〕

甬紹金衢成品油管道建成較早，全線陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行正常，保護(hù)電位能滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。 近年來，隨著與管道并行、交叉的高鐵、地鐵、高壓輸電線路的大量投用，導(dǎo)致高壓電對(duì)埋地管道的干擾。 通過對(duì)管道特性、高壓輸電線特性、線路與管道并行(交叉)三個(gè)主要參數(shù)，運(yùn)用加拿大SES公司研發(fā)的CDEGS軟件對(duì)不同管徑、管道壁厚，導(dǎo)線高度、運(yùn)行電流，土壤電阻率，輸電線路與管道并行長(zhǎng)度、并行間距，以及管道與高壓線的交叉角度等因素作用下的管道感應(yīng)電勢(shì)、防腐層電壓和管道電流進(jìn)行模擬，分析比較了各個(gè)因素對(duì)管道所受干擾的影響規(guī)律，并提出了應(yīng)用于該管道抗干擾的有效防護(hù)措施。為油氣管道建設(shè)提供了一定的技術(shù)依據(jù)。

1 管道特性參數(shù)對(duì)管道所受輸電線路穩(wěn)態(tài)干擾電壓的影響

1.1 管道的特性參數(shù)和評(píng)估所用典型計(jì)算條件

管道自身的特性參數(shù)如表1所示。根據(jù)已知的甬紹金衢成品油管道以及國(guó)內(nèi)常用的油氣管道特性參數(shù)，分別計(jì)算典型管道外徑×壁厚、防腐層絕緣電阻率、土壤電阻率等因素對(duì)其管道所受輸電線路穩(wěn)態(tài)干擾電壓的影響規(guī)律。

根據(jù)在紹興市電力局調(diào)研獲得的現(xiàn)場(chǎng)資料，以表2所示的紹興段500 kV高壓?jiǎn)位亟涣鬏旊娋€路為例進(jìn)行規(guī)律研究，計(jì)算內(nèi)容包括管道感應(yīng)電勢(shì)、管道防腐層電壓、管道感應(yīng)電流。

表1 甬紹金衢成品油管道典型參數(shù)

注：1)管道軸心到地面距離。

2)數(shù)據(jù)由管道公司提供。

3)據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。

表2 高壓線路導(dǎo)線、地線型號(hào)及電氣參數(shù)

1.2 管道外徑×壁厚對(duì)管道所受穩(wěn)態(tài)交流干擾的影響

不同管道外徑和壁厚的計(jì)算結(jié)果在表3中給出。

表3 不同管道外徑和壁厚的影響

表3的計(jì)算結(jié)果表明：其它條件相同時(shí)，管道外徑大，最大防腐層電壓及感應(yīng)電勢(shì)略小，但最大縱向電流有所增加。管徑從φ457～φ508 mm，電壓減小極小，影響不明顯。其它條件相同，壁厚對(duì)最大防腐層電壓與管道感應(yīng)電勢(shì)幾乎沒有什么影響。

1.3 管道防腐層絕緣電阻率對(duì)管道所受穩(wěn)態(tài)交流干擾的影響

埋地管道防腐層絕緣電阻是衡量防腐層質(zhì)量好壞的尺度。不同的絕緣防腐層，電阻率大小各異。據(jù)當(dāng)年管道防腐層送樣檢測(cè)報(bào)告，甬紹金衢成品油管道防腐層絕緣電阻率在0.1～107 kΩ·m之間，選取0.1kΩ·m2、1 kΩ·m2、5kΩ·m2、10kΩ·m2、20kΩ·m2、30kΩ·m2、50kΩ·m2、100kΩ·m2、102kΩ·m2、103kΩ·m2、104kΩ·m2、105kΩ·m2、106kΩ·m2、107 kΩ·m214種級(jí)別的絕緣情況進(jìn)行計(jì)算。管道類型選擇φ508 mm×7.9 mm，埋深1.5 m，其他情況與上面相同。

表4計(jì)算結(jié)果表明：其他條件相同，防腐層電阻率在0.1～10 kΩ·m2間變化時(shí)，對(duì)感應(yīng)電勢(shì)和最大縱向電流影響較大，電阻率為10 kΩ·m2時(shí)管道上的感應(yīng)電勢(shì)明顯大于電阻率為0.1 kΩ·m2時(shí)的感應(yīng)電勢(shì)，而管道縱向電流的變化趨勢(shì)恰好相反。當(dāng)防腐層電阻率大于10 kΩ·m2時(shí)，管道上的感應(yīng)電勢(shì)基本保持穩(wěn)定，縱向電流隨防腐層電阻率的增大略有減小。

管道防腐層電壓與管道感應(yīng)電勢(shì)的計(jì)算結(jié)果，見表4。

表4 管道防腐層絕緣電阻率的影響

1.4 管道連接情況對(duì)管道所受穩(wěn)態(tài)交流干擾的影響

成品油管道一般采用絕緣法蘭(或接頭)，與站、庫(kù)連接。管道連接的典型情況有兩種(圖1、2)：

A：與輸電線路并行段管道的末端轉(zhuǎn)直角后，管道繼續(xù)行進(jìn)至兩端較遠(yuǎn)處，管道在與輸電線路并行段前、后均不受輸電線路影響。與實(shí)際情況基本相同。

B：與輸電線路并行段管道兩端直接與絕緣法蘭(或接頭)連接。

圖1 管道連接情況A

圖2 管道連接情況B

(例)：間距100 m，并行長(zhǎng)度為2000 m，連接情況A兩端各延伸1000 m；連接情況B，不需轉(zhuǎn)直角后延伸，但為便于比較并行長(zhǎng)度和其他參數(shù)，與連接情況A相同，管道參數(shù)如表1，選管道φ508×7.9 mm，防腐層電阻率20 kΩ·m2，計(jì)算結(jié)果為A情況連接的最大管道感應(yīng)電勢(shì)和最大防腐層電壓數(shù)值相同，均為14.00352 V，最大縱向電流為3.34035A；而B情況連接的對(duì)應(yīng)數(shù)值為14.27821V和1.13812A?？梢娫谶B接A、B情況下，管道并行段所受干擾的變化規(guī)律相似。由管道沿線的感應(yīng)電勢(shì)分布(圖3)可知最大干擾都出現(xiàn)在并行段兩端，管道中間干擾為0。

圖3 不同連接方式的管道沿線感應(yīng)電勢(shì)分布

2 輸電線路特性參數(shù)對(duì)穩(wěn)態(tài)干擾電壓的影響

輸電線路需要考慮的特性參數(shù)很多，主要有兩個(gè)影響大的特性參數(shù)：輸電線路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流及輸電線路架設(shè)地區(qū)的土壤電阻率。通過計(jì)算研究其對(duì)管道所受穩(wěn)態(tài)干擾電壓的影響規(guī)律。

2.1 運(yùn)行電流對(duì)管道所受穩(wěn)態(tài)交流干擾的影響

通過對(duì)電力部門資料的調(diào)研：500 kV高壓線通常在額定功率下運(yùn)行的單相線路電流約為1600 A，若按50 %～70 %考慮正常運(yùn)行的單相線路電流約為800～1120 A。分別計(jì)算運(yùn)行電流在800～2000 A變化時(shí)，管道防腐層電壓與管道接觸電勢(shì)的變化規(guī)律；計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 線路運(yùn)行電流的影響

表5計(jì)算結(jié)果表明：輸電線路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流大小，對(duì)管道所受穩(wěn)態(tài)干擾電壓影響很大。運(yùn)行電流越大，管道最大防腐層電壓、感應(yīng)電勢(shì)、最大縱向電流越大，三者與輸電線路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流成線性正比關(guān)系。因此對(duì)管道所受穩(wěn)態(tài)干擾情況必須根據(jù)輸電線路實(shí)際電流進(jìn)行計(jì)算。

2.2 土壤電阻率對(duì)管道所受穩(wěn)態(tài)交流干擾的影響

甬紹金衢成品油管線沿途經(jīng)過地區(qū)主要為水田，土壤電阻率普遍較小。據(jù)此在5～1 000Ω·m范圍內(nèi)選定代表性的土壤電阻率，分別計(jì)算土壤電阻率對(duì)管道上防腐層電壓和感應(yīng)電勢(shì)的影響。計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 土壤電阻率的影響

表6計(jì)算結(jié)果表明：土壤電阻率越大，最大防腐層電壓、管道感應(yīng)電勢(shì)先較為迅速增大，當(dāng)大于150Ω·m后增大緩慢趨于平穩(wěn)。由于管道經(jīng)過地區(qū)土壤電阻率普遍小于150Ω·m，因此要重視土壤電阻率對(duì)管道所受穩(wěn)態(tài)運(yùn)行交流腐蝕干擾的影響。

3 輸電線路與管道并行(交叉)參數(shù)對(duì)管道所受穩(wěn)態(tài)交流干擾的影響

3.1 輸電線路與管道并行(交叉)參數(shù)和評(píng)估所用典型計(jì)算條件

輸電線路與管線并行(交叉)情況對(duì)管道所受干擾影響的研究參數(shù)如圖4所示：①輸電線路與管道并行長(zhǎng)度；②輸電線路與管道間距；③輸電線路與管道交叉角度。

圖4 輸電線路與管道并行(交叉)參數(shù)示意圖

3.2 輸電線路與管道并行長(zhǎng)度對(duì)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流干擾的影響

由于甬紹金衢管道與輸電線路分布關(guān)系比較復(fù)雜，并行長(zhǎng)度各異?？紤]輸電線路與管道并行長(zhǎng)度在0.1～50 km變化時(shí)，管道感應(yīng)電勢(shì)的變化如表7所示。

表7 線路并行長(zhǎng)度的影響

表7計(jì)算結(jié)果表明：隨著管道與輸電線路并行長(zhǎng)度的增加，管道上的感應(yīng)電勢(shì)最大值先逐漸增加，當(dāng)并行長(zhǎng)度達(dá)到某個(gè)極限位置時(shí)，該電壓達(dá)到最大；隨后管道上感應(yīng)的交流干擾電壓稍有減小，最終趨于穩(wěn)定。研究中最大感應(yīng)電壓在兩者平行11.6 km時(shí)出現(xiàn)，為45.288 2 V；隨后管道上的感應(yīng)交流電壓在30 km處時(shí)減小到最小值為41.440 9V，最終趨于穩(wěn)定。

3.3 線路與管道間距對(duì)管道所受干擾的影響

由3.2節(jié)知道管道所受交流干擾電壓情況與并行長(zhǎng)度有很大關(guān)系。因此考查輸電線路與管道間并行長(zhǎng)度為11.6 km時(shí)，管道感應(yīng)電勢(shì)的變化。結(jié)果如表8所示。表8計(jì)算結(jié)果表明：管道所受干擾在離單回輸電線路較近區(qū)域內(nèi)比較大，隨著間距增加，最大管道感應(yīng)電勢(shì)急劇減??；到達(dá)某一值后，間距繼續(xù)增加，最大管道感應(yīng)電勢(shì)減小，但減小幅度很小。

表8 線路與管道間距的影響(并行長(zhǎng)度為11.6 km)

如表8所述管道和高壓線并行長(zhǎng)度為11.6 km時(shí)，最大管道感應(yīng)電勢(shì)的極大值出現(xiàn)在兩者相距10 m時(shí)，隨后最大管道感應(yīng)電勢(shì)隨間距增加急劇減小，間距到達(dá)400 m左右時(shí)，最大管道感應(yīng)電勢(shì)的減小趨勢(shì)明顯變緩，變化幅度較小。

3.4 管道與高壓線交叉角度的影響

考慮管道與高壓線交叉分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°時(shí)，管道的干擾情況。經(jīng)模擬計(jì)算得出以上各交叉角度時(shí)管道的感應(yīng)電勢(shì)、感應(yīng)電流峰值如表9所示。

表9 不同交叉角度時(shí)管道的感應(yīng)峰值

表9結(jié)果表明：隨著交叉角度的增大，管道的感應(yīng)電勢(shì)減小，管道和高壓線平行時(shí)的感應(yīng)電勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二者垂直的情況。當(dāng)二者垂直交叉時(shí)，管線上的感應(yīng)電勢(shì)極小，幾乎無影響。

4 研究結(jié)果和對(duì)干擾的防護(hù)

4.1 研究結(jié)果

針對(duì)高壓電對(duì)埋地管道各干擾因素的研究，和對(duì)其產(chǎn)生影響的獨(dú)立計(jì)算，可知：

(1)管道外徑和壁厚對(duì)管道所受穩(wěn)態(tài)干擾電壓的影響尚不明顯。而防腐層電阻率在0.1～10 kΩ·m2變化時(shí)，對(duì)管道上的感應(yīng)電勢(shì)和最大縱向電流影響較大，當(dāng)防腐層電阻率大于10 kΩ·m2時(shí)，管道上的感應(yīng)電勢(shì)基本保持穩(wěn)定。所以管道采用電阻率較大的3層PE防腐層對(duì)防腐蝕有利。高壓電對(duì)埋地管道的最大干擾都出現(xiàn)在并行段兩端，管道中間干擾為0。

(2)高壓線穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流的大小，對(duì)管道所受穩(wěn)態(tài)干擾電壓影響很大。因此對(duì)管道所受穩(wěn)態(tài)干擾情況必須根據(jù)高壓線實(shí)際電流進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于甬紹金衢管道受500 kV高壓電干擾，由于管道經(jīng)過地區(qū)土壤電阻率普遍小于150Ω·m，重點(diǎn)分析了土壤電阻率對(duì)交流腐蝕干擾的影響。

(3)高壓線與管道并行間距的增大，管道所受干擾在離輸電線路較近區(qū)域內(nèi)先急劇減小，隨后變化平緩。交叉角度的增大，管道所受干擾先減小最后變?yōu)槠骄徻呄蚰骋环€(wěn)定數(shù)值。

4.2 干擾防護(hù)措施

(1)高壓線干擾區(qū)域的排流保護(hù)方案。

交流干擾防護(hù)最常用的方法是接地排流保護(hù)。高壓線持續(xù)干擾區(qū)域的排流方式采用固態(tài)去耦合器(-2V，+2V)接地排流，如 圖5所示。排流接地地床采用規(guī)格為40 mm×40 mm×1 500 mm的鋅合金陽(yáng)極，接地地床的接地電阻應(yīng)小于2Ω。 通過對(duì)甬紹金衢管道與高壓線位置關(guān)系的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、詳細(xì)測(cè)試和計(jì)算確定了受高壓線交流干擾嚴(yán)重的30處需進(jìn)行排流。

(2)高鐵干擾區(qū)域的排流保護(hù)方案。

高鐵排流措施主要包括固態(tài)去耦合+鋅合金陽(yáng)極，在高鐵與管道之間，距管道3 m處，鋪設(shè)緩解鋅帶進(jìn)行屏蔽，鋅帶半徑為0.006 m，固態(tài)去耦合器與管道相連，如圖6所示。

圖5 固態(tài)去耦合器接地

圖6 水平鋅帶敷設(shè)

(3)排流效果評(píng)價(jià)。

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)》第6.2節(jié)要求：在土壤電阻率不大于25 Ω·m的地方，管道所受交流干擾電壓低于4 V；在土壤電阻率大于25 Ω·m的地方，交流電流密度小于60 A/m2時(shí)排流滿足要求。

經(jīng)第三方中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院對(duì)36處排流位置檢測(cè)結(jié)果：受高壓線干擾的30處，管道交流干擾電壓低于4V，其中受高鐵干擾的6處，在無高鐵通過時(shí)，交流電壓低于4V，但在高鐵通過時(shí)，交流電壓隨著高鐵的通過呈明顯的波動(dòng)趨勢(shì)，6處排流效果均不能夠符合標(biāo)準(zhǔn)要求。