混壓同塔四回輸電線路對管道的電磁影響

王添盟 趙紅東 盧海燕 林 江 耿立新 劉 赫

1（河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 天津300401）

2（天津金沃能源科技股份有限公司 天津300380）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，近年來對石油、天然氣以及用電量的需求不斷增加［1］。由于輸送油氣管道建設(shè)和輸電線路的架設(shè)對傳輸路徑的選擇原則極為相近，導(dǎo)致輸電線路與輸送油氣管道長距離平行或交叉跨越的情況時有發(fā)生，交流輸電線路對輸送油氣管道的電磁干擾問題日益突出。

針對交流輸電線路對輸送油氣管道的電磁干擾問題，近年來國外已進(jìn)行了大量研究［2-4］，尤其是加拿大學(xué)者Dawalibi［5-6］從Sunde 模型出發(fā)，簡化了電磁場方程，通過求解線性代數(shù)方程組得到了地下導(dǎo)體系統(tǒng)感應(yīng)電流分布情況，奠定了工程實(shí)際應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。SES 公司開發(fā)的CDEGS 仿真軟件包，開創(chuàng)性地將仿真模擬技術(shù)應(yīng)用到解決電磁干擾的實(shí)際問題上，取得了成效。國內(nèi)的相關(guān)研究起步較晚，隨著西北750 kV 骨干網(wǎng)架的建設(shè)，各大高校、研究院等相繼展開探索交流500 kV、750 kV 和1 000 kV 輸電線路對輸送油氣管道電磁影響的研究［7-10］。齊磊等［11］依據(jù)管道-大地回路傳輸線模型，求得了交流輸電線路正常運(yùn)行狀態(tài)下，油氣管道上產(chǎn)生的感性耦合電壓的解析表達(dá)式；楊絲琪等［12］建立了1 000 kV 交流輸電線路與埋地油氣管道交叉和平行的仿真模型，針對輸電線路單回運(yùn)行和雙回運(yùn)行，仿真研究了平行交叉段管道干擾電壓及交流電流密度分布，并給出了應(yīng)用固態(tài)去耦合器的裸銅帶敷設(shè)的防護(hù)措施，降低管道交流干擾電壓。

架設(shè)同塔四回輸電線路可增大單位線路的輸電容量，從而有效地緩解輸電線路走廊緊張的問題，以節(jié)省電力建設(shè)投資。黃學(xué)良等［13］針對1 000 kV/500 kV 混壓同塔四回輸電線路的電磁環(huán)境問題，采用有限元法分析了線路下工頻電場的特征及主要影響因素，研究了電場環(huán)境的優(yōu)化方案以及屏蔽線位置與屏蔽效果的關(guān)系；郭天偉等［14］采用模擬電荷法計算同塔四回混壓輸電線路導(dǎo)線下的工頻電場，采用畢奧-薩瓦定律計算磁場數(shù)值，并采用激發(fā)函數(shù)法進(jìn)行了無線電干擾的計算，同時運(yùn)用BPA 公式進(jìn)行了可聽噪聲的計算。目前，針對特高壓同塔混壓四回輸電線路的相關(guān)研究以輸電線下電磁環(huán)境為主［15-17］，而此類輸電線路對埋地管道的電磁影響研究基本處于空白。我國中東部地區(qū)用電量較大，土地資源稀缺，為緩解輸電線路走廊擁擠，節(jié)省電力建設(shè)和運(yùn)行成本，亟須解決架設(shè)同塔混壓多回輸電線路對油氣管道電磁干擾的問題。

輸電線路正常運(yùn)行時，對附近埋地油氣管道產(chǎn)生的交流干擾電壓可能會威脅到人員的安全，本研究使用CDEGS仿真軟件包，首先對比分析了1 000 kV 單回、雙回輸電線路和1 000 kV/500 kV（220 kV）混壓同塔四回輸電線路對管道產(chǎn)生的感應(yīng)電壓分布情況，然后針對1 000 kV/500 kV（220 kV）混壓同塔四回輸電線路，采用管道與輸電線路交越的模型依次進(jìn)行了如下的研究分析：（1）計算了三種特殊的運(yùn)行狀態(tài)（1 000 kV與500 kV/220 kV共同運(yùn)行、1 000 kV單獨(dú)運(yùn)行、500 kV/220 kV單獨(dú)運(yùn)行）下，輸電線路下方的管道沿線感應(yīng)電壓分布；（2）分別計算了9種不同相序下的管道感應(yīng)電壓峰值，并將結(jié)果繪制成柱狀圖；（3）以1 m為單位等間隔采樣，計算了在桿塔下相導(dǎo)線最低高度從30 m 提升至40 m 的過程中，1 000 kV 雙回輸電線路和1 000 kV/500 kV（220 kV）混壓同塔四回輸電線路對管道產(chǎn)生感應(yīng)電壓的峰值，并繪制了峰值的變化情況；（4）將計算結(jié)果與GB/T 3805—2008標(biāo)準(zhǔn)［18］規(guī)定的33 V 人身安全電壓的限值進(jìn)行對比，并評估輸電線路對管道的電磁干擾。

1 計算原理與限值

1.1 計算原理

交流輸電線路在正常運(yùn)行時，線路中的交變電流會在線路周圍空間產(chǎn)生交變磁場，使附近的管道產(chǎn)生感應(yīng)電壓。該交變磁場存在于空氣和大地中，當(dāng)油氣管道與輸電線路并行或者交越時，會在管道兩側(cè)產(chǎn)生縱向電動勢，該縱向電動勢作用于油氣管道與大地形成的回路，從而產(chǎn)生縱向電流和泄漏電流，并在管道防腐層的兩側(cè)產(chǎn)生電位差［19］。這種耦合作用，被稱為感性耦合作用，在交流輸電線路正常運(yùn)行對臨近油氣管道的電磁影響中起主要作用。

感性耦合電壓的計算方法基于管道-大地回路傳輸模型。將大地視為參考導(dǎo)體，等值電路如圖1所示。對每個微分單元管段，相應(yīng)的頻域電報方程見式（1）和式（2）。

式中：U和I分別為管道沿線電壓、電流；Z和Y分別為管道-大地回路傳輸線模型的單位長度串聯(lián)阻抗和并聯(lián)導(dǎo)納；E為輸電線路在單位長度管道上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢。

假設(shè)在該微元上感應(yīng)電動勢一定，可以得到其通解的指數(shù)形式如式（3）和式（4）。

根據(jù)終端約束條件U(L)= Z2I(L)和U(0)=-Z1I(0)，其中Z1為首端阻抗，Z2為末端阻抗，代入整理后可得（5）～（8）式。

1.2 人體安全電壓限值

輸電線路正常運(yùn)行時，對附近埋地油氣管道產(chǎn)生電磁影響為交流干擾，管道上產(chǎn)生的交流干擾電壓可能會威脅到人員的安全，甚至對管道造成交流腐蝕。各類標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)定的長時間作用下人體安全電壓相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 人體安全電壓標(biāo)準(zhǔn)及限值Table 1 Some standards and limit values about human safety voltage

從表1可以看出，人體安全電壓標(biāo)準(zhǔn)限值有較嚴(yán)格的15 V、較寬松的60 V 以及適中的33 V。由于油氣管道埋于地下，一般只有在維修和測量時才有可能被專業(yè)操作人員接觸，本文采用GB/T 3805—2008標(biāo)準(zhǔn)［18］規(guī)定的33 V作為人身安全電壓的限值。

2 計算模型與過程

2.1 計算模型

本文建立兩個管道與輸電線路相對位置模型：平行和交越模型，模型的位置關(guān)系見圖2。

在計算模型中，線路與管道接近段的土壤電阻率為100 Ω·m，空氣電阻率為默認(rèn)的1018Ω·m。與輸電線路臨近埋地管道的外半徑為305 mm，內(nèi)半徑為295 mm，深埋1.5 m。管道防腐層電阻率為5 000 Ω·m，厚度為3 mm。鋼質(zhì)管道相對電阻率為10 Ω·m，相對磁導(dǎo)率為300。

輸電線路結(jié)構(gòu)［20-22］包括：1 000 kV 單回酒杯塔、1 000 kV雙回傘形塔和1 000 kV/500 kV（220 kV）混壓同塔四回輸電線路，如圖3～4 所示。其中，1 000 kV 導(dǎo)線型號為8×LJG-400/50，500 kV 導(dǎo)線型號為4×LJG-400/50，220 kV 導(dǎo)線型號為2×LJG-400/50，架空地線的導(dǎo)線型號為LJG-99/55 和OPGW-97/48，計算的相線和中性線參數(shù)見表2。模型中：考慮1 000 kV 線路運(yùn)行時，單相導(dǎo)線線電流為4 000 A；500 kV 線路運(yùn)行時，單相導(dǎo)線線電流為1 000 A；220 kV 線路運(yùn)行時，單相導(dǎo)線線電流為500 A。其中1 000 kV 雙回相序排列為ABC-CBA，500 kV/220 kV 雙回相序排列BACCBA。

2018年5月8日，美國總統(tǒng)特朗普單方面宣布退出《伊朗核協(xié)議》，并設(shè)置過渡期，分階段、分批次啟動對伊朗的制裁政策。雖然美國于2018年11月5日宣布給予中國180天臨時豁免，但這種豁免具有局限性和不確定性。因此，了解和研究美國對伊朗能源制裁政策具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

表2 高壓輸電線相線、中性線電器參數(shù)Table 2 Electrical parameters of high-voltage transmission line phase line and neutral line

2.2 計算過程

電力系統(tǒng)電磁干擾仿真計算軟件包CDEGS（電流分布、電磁場、接地和土壤結(jié)構(gòu)分析）是基于矩量法開發(fā)的，以電磁理論為基礎(chǔ)編寫分析程序，不受頻率限制，分析結(jié)果極為精確。其核心主要是計算由地上或地下任意形狀導(dǎo)體所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)在穩(wěn)態(tài)、故障和雷擊等暫態(tài)條件下周圍電磁場分布及感應(yīng)電位分布。該仿真計算軟件包在分析交流輸電線路對油氣管道的電磁影響方面具有權(quán)威性，被國際大電網(wǎng)會議推薦使用，在國際上解決了大量的工程問題［23］。

SESTLC子軟件快速易用，可以解決任意導(dǎo)向的地上和埋設(shè)導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)，可由任意數(shù)量的電流和電壓源進(jìn)行激勵，首先輸入系統(tǒng)模型的相關(guān)參數(shù)，計算出系統(tǒng)模型中各相線及地線的自、互感系數(shù)，最終計算管道上感應(yīng)電壓和管道涂層感應(yīng)電壓的分布數(shù)值，計算過程中需注意以下幾點(diǎn)：（1）電力系統(tǒng)工頻為50 Hz，系統(tǒng)單位采用公制；（2）管道模型1 為“平行被干擾線路徑”，管道模型2 為“彎曲被干擾線路徑”；（3）左側(cè)接地阻抗和右側(cè)接地阻抗分別是管道在左邊終端和右邊終端的接地阻抗值。本系統(tǒng)中，管道兩端是懸空的，接地阻抗設(shè)為無窮大；（4）輸電線路每段跨長為300 m，管道中每檔距長度的分割數(shù)選為3；（5）本系統(tǒng)為埋地管道，電容耦合是可以忽略的，在穩(wěn)態(tài)情況下，僅需要相電流值作為激勵。

3 計算結(jié)果

3.1 不同輸電結(jié)構(gòu)

計算得到1 000 kV單回酒杯線路、1 000 kV雙回傘形輸電線路和1 000 kV/500 kV 混壓同塔四回輸電線路對管道產(chǎn)生的感應(yīng)電壓分布情況，如圖5所示。

由圖5（a）可知，管道與輸電線路并行時，管道沿線的感應(yīng)電壓成對稱折線“V”形分布，管道與輸電線路平行端點(diǎn)處的感應(yīng)電壓最高，其中1 000 kV單回、雙回輸電線路、1 000 kV/500 kV混壓同塔四回輸電線路對管道的感應(yīng)電壓峰值分別為14.00 V、6.17 V、4.25 V，1 000 kV/500 kV混壓同塔四回輸電線路的感應(yīng)電壓峰值相較于1 000 kV單回、雙回輸電線路的減幅分別為69.6% 和31.1%。計算出的感應(yīng)電壓峰值均小于GB/T 3805—2008 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的33 V 人身安全電壓限值，分別為限值的42.0%、18.7%和12.9%。

由圖5（b）可知，管道與輸電線路交越時，感應(yīng)電壓成“W”形分布，管道感應(yīng)電壓的最大值出現(xiàn)在交叉點(diǎn)處，沿著交叉點(diǎn)向兩側(cè)遞減，1 000 kV單回、雙回輸電線路、1 000 kV/500 kV 混壓同塔四回輸電線路對管道的感應(yīng)電壓峰值分別為46.75V、26.18 V和13.60 V，1 000 kV/500 kV混壓同塔四回輸電線路的感應(yīng)電壓峰值相較于1 000 kV單回、雙回輸電線路的減幅分別為70.9% 和48.1%。其中，單回輸電線路對管道的電壓干擾峰值為安全限值的1.42 倍，雙回、四回輸電線路的感應(yīng)電壓峰值分別為安全限值的79.3%和41.2%。

綜上所述，1 000 kV/500 kV 混壓同塔四回輸電線路對管道的電磁干擾程度小于1 000 kV 單酒杯輸電線路和1 000 kV 雙回傘形輸電線路，因?yàn)槎嗷剌旊娋€路中，線路之間的電磁干擾會相互抵消。同塔多回線路回路間的耦合作用強(qiáng)，除了本回路的電磁感應(yīng)外，還有來自另一電壓等級回路的影響。

3.2 不同運(yùn)行工況

三種不同的運(yùn)行方式下的管道沿線感應(yīng)電壓分布情況如圖6所示。

如圖6（a）所示，在1 000 kV 與500 kV 共同運(yùn)行狀態(tài)下，管道沿線的感應(yīng)電壓峰值為13.60 V，出現(xiàn)在管道與輸電線路交越處，管道沿線感應(yīng)電壓整體呈現(xiàn)“W”型分布；1 000 kV 單獨(dú)運(yùn)行時，管道沿線感應(yīng)電壓峰值為10.46 V，與共同運(yùn)行時相比降低很多，占共同運(yùn)行時的76.9%；500 kV單獨(dú)運(yùn)行狀態(tài)下，在管道與輸電線路交越附近，感應(yīng)電壓變化趨勢大致呈“V”型分布，感應(yīng)電壓整體上呈現(xiàn)“M”形分布，感應(yīng)電壓峰值為4.69 V，是共同運(yùn)行時的34.4%。計算得到的管道沿線感應(yīng)電壓峰值分別為人體電壓限值的41.2%、31.7%和14.2%。

綜上所述，雖500 kV/220 kV輸電線較1 000 kV距埋地管道距離更近，但1 000 kV 電壓等級較500 kV/220 kV高，此因素對埋地管道的電磁干擾影響更為顯著，500 kV/220 kV 單獨(dú)運(yùn)行時，均低于1 000 kV 單獨(dú)運(yùn)行狀態(tài)，且500 kV/220 kV 單獨(dú)運(yùn)行時，管道沿線感應(yīng)電壓分布呈現(xiàn)不同的變化趨勢。

3.3 不同相序布置

計算得到9 種不同相序布置排列下管道沿線感應(yīng)電壓的幅值，并繪制成柱狀圖。1 000 kV、500 kV（220 kV）輸電線路的相序布置情況見表3，計算結(jié)果見圖7。

表3 不同相序布置排列方式Table 3 Different phase sequence layout

由圖7 可知，第6 種相序布置，即1 000 kV 同相序、500 kV/220 kV 同相序排列時，管道沿線的感應(yīng)電壓幅值最大，為36.60 V和39.61 V；第3種相序布置，即1 000 kV 逆相序、500 kV/220 kV 同相序排列時，管道沿線的感應(yīng)電壓幅值最小，為12.5 V和13.02 V。在這9 種典型的相序排列下，1 000 kV/500 kV（220 kV）混壓同塔四回輸電線路對管道的感應(yīng)電壓峰值最大時分別為最小時的2.93和3.04 倍。計算結(jié)果顯示，在1 000 kV/200 kV 混壓同塔輸電結(jié)構(gòu)中，1 000 kV同相序布置的三種相序時，管道感應(yīng)電壓峰值均超過了安全限值，其余相序都沒有超過安全限值；1 000 kV/500 kV 混壓同塔輸電結(jié)構(gòu)中，1 000 kV同相序布置的三種相序時，兩種相序的管道感應(yīng)電壓峰值超過了安全限值，其余相序都沒有超過安全限值。

通過對比1、4、7 或2、5、8 或3、6、9 三種相序布置，即控制220 kV/500 kV 相序固定的情況下，觀察1 000 kV 相序?qū)艿赖碾姶庞绊?，可以看出? 000 kV同相序排列對管道沿線的電磁干擾程度最強(qiáng)，而1 000 kV 逆相序排列時最弱。通過觀察1、2、3或4、5、6或7、8、9三種相序布置，可以看出1 000 kV 相序布置比220 kV/500 kV 相序布置更為關(guān)鍵。

3.4 不同呼稱高

導(dǎo)線最小對地距離的取值是特高壓輸電線路需要考慮的關(guān)鍵因素之一。桿塔呼稱高度決定了輸電導(dǎo)線對地高度，計算中導(dǎo)線對地高度對管道干擾程度有一定的影響。在不同相序排列的實(shí)驗(yàn)中，第3種相序布置最為理想，因此本實(shí)驗(yàn)中相序布置采用相序排列3，即1 000 kV逆相序、500 kV/220 kV 同相序排列。不同呼稱高度下，計算得到的管道感應(yīng)電壓峰值如圖8所示。

由圖8 可知，隨著桿塔下相導(dǎo)線最低高度從30 m 提升至40 m 的過程中，管道沿線的感應(yīng)電壓峰值基本上成線性下降的變化趨勢。因此，當(dāng)桿塔下相導(dǎo)線為30 m 時，管道沿線感應(yīng)電壓峰值最大，其中1 000 kV 雙回輸電線路的感應(yīng)電壓峰值最大值為33.63 V，1 000 kV/500 kV（220 kV）混壓同塔四回輸電線路的感應(yīng)電壓峰值最大值分別為14.65 V和14.23 V，減幅分別為56.4%和57.7%。計算結(jié)果顯示，只有雙回輸電線路，下相導(dǎo)線為30 m時，管道感應(yīng)電壓超過了人體電壓安全限值。

相比于1 000 kV 雙回傘形輸電線路，1 000 kV/500 kV（220 kV）混壓同塔四回輸電線路對管道的感應(yīng)電壓峰值變化較為平緩。因此，可通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整桿塔的呼稱高度來降低1 000 kV/500 kV（220 kV）輸電導(dǎo)線對地高度對管道的干擾程度。

4 結(jié)論

分別建立了交流1 000 kV 單回酒杯塔、交流1 000 kV 雙回傘形塔和交流1 000 kV/500 kV（220 kV）混壓同塔四回輸電線路，對比分析了三種不同的輸電線路結(jié)構(gòu)對管道電磁干擾的分布情況，并針對1 000 kV/500 kV（220 kV）混壓同塔四回輸電線路的不同導(dǎo)線相序布置、不同運(yùn)行工況以及不同呼稱高度的情況進(jìn)行了系統(tǒng)的研究分析，將計算結(jié)果與GB/T 3805—2008 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的33 V人身安全電壓的限值進(jìn)行比較和評估。

（1）管道與輸電線路交越時，1 000 kV/500 kV混壓同塔四回輸電線路對管道的電磁干擾幅值相較于1 000 kV單回酒杯輸電線路和1 000 kV雙回傘形輸電線路，減幅分別為70.9%和48.1%。單回輸電線路對管道的感應(yīng)電壓峰值為人體安全限值的1.42倍，而雙、四回輸電線的管道干擾電壓均小于人體安全限值。這是因?yàn)橥嗷鼐€路回路間的耦合作用強(qiáng)，除了本回路的電磁感應(yīng)外，還有來自另一電壓等級回路的影響，多回輸電線路中，線路之間的電磁干擾會相互抵消。

（2）1 000 kV/500 kV（220 kV）混壓同塔四回輸電線路的三種特殊運(yùn)行狀態(tài)下，管道沿線感應(yīng)電壓均小于人體安全電壓限值，1 000 kV與500 kV（220 kV）共同運(yùn)行時對管道的電磁干擾程度最強(qiáng)；500 kV/220 kV 單獨(dú)運(yùn)行時，感應(yīng)電壓均低于1 000 kV 單獨(dú)運(yùn)行的狀態(tài)；雖500 kV/220 kV 輸電線較1 000 kV距埋地管道距離更近，但1 000 kV電壓等級較500 kV/220 kV高，此因素對埋地管道的電磁干擾影響更為顯著；500 kV/220 kV 單獨(dú)運(yùn)行狀態(tài)與1 000 kV/500 kV（220 kV）四回共同運(yùn)行狀態(tài)相比，管道沿線感應(yīng)電壓分布趨勢發(fā)生了明顯的變化，由W型分布變化為M型分布。

（3）在9種典型的相序布置下，1 000 kV同相序、500 kV/220kV 同相序排列時，管道沿線的感應(yīng)電壓幅值最大；1 000 kV逆相序、500 kV/220 kV同相序排列時，管道沿線的感應(yīng)電壓幅值最??；1 000 kV同相序排列對管道沿線的電磁干擾程度最強(qiáng)，而1 000 kV逆相序排列布置時最弱；1 000 kV正、逆相序布置排列較500 kV（220 kV）相序布置排列方式更為關(guān)鍵。計算結(jié)果表明，1 000 kV同相序布置時，管道沿線感應(yīng)電壓均超過了人體安全限值。實(shí)際工程中，導(dǎo)線的相序要結(jié)合電磁環(huán)境，盡量采用使感應(yīng)電壓和電流小的相序方式，比如本系統(tǒng)中1 000 kV 應(yīng)盡量避免使用同相序，建議使用逆相序布置。

（4）在固定的相序布置下，隨著桿塔下相導(dǎo)線逐漸提升，1 000 kV 雙回輸電線路和1 000 kV/500 kV（220 kV）混壓同塔四回輸電線路對管道的電磁干擾峰值均呈線性下降的變化趨勢；相比于1 000 kV 雙回輸電線路，1 000 kV/500 kV（200 kV）混壓同塔四回輸電線路對管道的感應(yīng)電壓峰值變化較為平緩。在雙回輸電線路結(jié)構(gòu)中，最低下相導(dǎo)線高度為30 m 時，管道感應(yīng)電壓峰值超過了人體安全限值，可通過適當(dāng)調(diào)整呼稱高度來降低1 000 kV/500 kV（200 kV）輸電導(dǎo)線對地高度對管道的干擾。