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直流输电对输油管道电磁干扰影响及防护措施

摘 要： 就特高压直流输电线路正常运行、单极运行短路故障和雷击时对埋地油气管道电磁干扰的影响机理和安全限值进行了研究，提出了削减电磁干扰影响的防护措施，可为加强输油管道安全管理工作提供参考。
关键词： 直流输电；油气管道；影响机理；安全限值；防护措施
直流输电线路与埋地油气管道相邻时，对管道可能造成的电磁干扰有三个方面：一是输电线路正常运行时谐波电流对管道产生的交流感应电压影响；二是输电线路单极大地回线运行时接地极对管道产生的直流干扰腐蚀影响；三是输电线路发生单极接地故障时的短路电流以及杆塔遭受雷击时的冲击电流，对管道防腐层及人身安全的影响。如果上述影响的数值超过所允许的安全限值，则可能会对管道安全运行造成隐患 [1,2] 。对电磁干扰的影响机理、安全限值进行研究分析，提出削减电磁干扰影响的防护措施，对于保障油气管道安全运行具有积极作用。
1 电磁干扰影响因素
直流输电线路对埋地油气管道的电磁干扰影响因素可分为容性耦合、感性耦合、阻性耦合三类。
1.1 容性耦合
直流输电线路导线上有电压，其周围存在电场，由于静电感应作用，管道上产生感应电压。对于正在建设或者维修时管道可能裸露在地面的情况，通过对管道进行分段接地，同样可能消除容性耦合影响。
1.2 感性耦合
直流输电线路导线上存有不同频率的谐波电流，会在周围产生交变磁场，当直流输电线路与管道邻近时，交变磁场通过电磁感应，在管道上产生感应电压。直流输电线路正常运行或单极运行时，都会对埋地管道产生感性耦合影响。管道交流干扰电压的大小，跟管道与输电线路位置关系，输电线路电流大小及频率，管道防腐层电阻率、土壤电阻率等有关。管道的防腐层不可能是绝对绝缘的，此感应电压通过管道纵向阻抗、对地阻抗及大地构成的回路产生对地泄漏电流，从而产生交流腐蚀。
1.3 阻性耦合
直流输电线路的杆塔设有接地装置，当输电线路出现短路故障或者遭受雷击时，一部分电流 I G 会从铁塔的接地装置（接地阻抗为 Z G ）流入大地，此时铁塔电位为 U Gmax = I G × Z G 。电流通过大地向远处扩散，周围地表电位会产生一定的电位升 U G ，从而使经过的管道对地电位升高。图 1为铁塔附近地表电位的衰减示意图，由此可见，当杆塔接地距离管道较近时，短路故障或者遭受雷击时管道电位大幅上升，可能击穿管道防腐层或者对在管道上进行测量或维修作业的人员造成不利影响。

图 1  铁塔附近地表电位的衰减示意图
直流输电线路会定期切换成单极大地运行模式进行线路检修。此时电流通过接地极向土壤无穷远扩散，从而形成回路，接地极处入地电流会达到几千安培。当经过油气管道时，电流可能从管道防腐层或者场站阀室接地进出管道，从而使管道发生直流杂散电流干扰腐蚀，会造成绝缘接头或法兰故障。
2 电磁干扰影响安全限值
为确保管道作业人员人身安全、防止管道防腐层击穿、减小管道腐蚀，在线路路由选择和建设运行中，必须将各种影响控制在安全限值内。
2.1 人身安全电压限值
输电线路正常运行时，主要考虑谐波电流在管道上的感应电压。参照GB 6830―1986《电信线路遭受强电线路危险影响的允许值》，选取针对职业人员的 60 V 作为人体长时间安全电压限值。在输电工程设计时通过加拿大模拟软件计算感应电压值或在输电线路建成后直接使用万用表测试，得出的数值可与60 V相比较。
输电线路出现短路故障时，作用时间一般很短且发生的概率较小，有管道工作人员在测试电位或者维修作业的几率更小，参照DL/T 5340―2006《输电线路对电信线路危险和干扰影响防护设计规程》，选取3 000 V（峰值）作为人体瞬时安全电压限值。
在输电工程设计时，可以通过公式 U Gmax = I G × Z G 计算杆塔处最大电位（短路电流 I G 可参考选取典型参数10 kA），进而通过铁塔附近地表电位的衰减示意图大概测算管道电位，测算出的数值可与3 000 V相比较。
2.2 管道防腐层安全电压限值
目前，针对直流输电线路单极接地故障及遭受雷击时对管道防腐层电压产生的影响，国内外尚无明确的限值要求。可参考武汉大学《输电线路接地系统对地下金属管道的影响研究》中的相关成果：FBE管道的工频耐压为14 kV～15 kV，雷电冲击耐压为28 kV；3PE层管道的工频耐压为57 kV，雷电冲击耐压为109 kV。在输电工程设计时，可以通过公式U Gmax ＝ I G × Z G 计算杆塔处最大电位（短路电流 I G 可参考选取典型参数10 kA，雷电电流 I G 可参考选取典型参数200 kA），进而通过铁塔附近地表电位的衰减示意图大概测算管道电位，测算出的数值可与相应限值相比较。
2.3 管道交流腐蚀限值
目前，国内参照GB 50698―2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》中规定的识别评价参数作为腐蚀限值。当管道上的交流干扰电压不高于4 V时，可不采取交流干扰防护措施；高于4 V时，应采用交流电流密度进行评估，交流电流密度可按下式计算：

当交流电流密度＞100 A/m 2 时，应采取交流干扰防护措施；当30 A/m 2 ≤交流电流密度≤100 A/m 2 时，宜采取交流干扰防护措施；当交流电流密度＜30 A/m 2 时可不采取交流干扰防护措施。在输电工程设计时通过加拿大模拟软件计算感应电压值或在输电线路建成后直接使用万用表测试，得出的数值可与相应限值相比较。
2.4 管道直流腐蚀限值
针对直流输电线路单极大地运行模式对管道产生的直流干扰腐蚀，可参照GB 50991―2014《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》中规定的识别评价参数作为腐蚀限值。对于没有实施阴极保护的管道，当任意点上的管地电位相对于自然电位正向或负向偏移超过20 mV，应确认存在直流干扰；当任意点上管地电位相对于自然电位正向偏移大于或等于l00 mV时，应及时采取干扰防护措施。对于已投运阴极保护的管道，当干扰不满足最小保护电位要求时，应及时采取干扰防护措施。
3 电磁干扰防护措施
（1）在进行输电线路杆塔建设时，应该尽量降低电力系统接地极电阻，从而减小阻性耦合对油气管道的电磁干扰影响。
（2）电磁影响超过人身安全电压限值时，可在管道测试桩等位置设置接地垫，避免接触电压和跨步电压对操作人员的危害。
（3）当电磁干扰影响超过管道防腐层安全电压限值或交直流腐蚀限值时，应设置排流设施来削减电磁干扰危害。
（4）在与直流输电系统相邻处，应在管道上安装试片，通过开挖检测，实际确定电磁干扰对管道所造成的危害程度。排流设施投用后，要实际测量排流效果。
4 结论
（1）高压输电线路与埋地油气管道邻近时，可通过容性耦合、感性耦合、阻性耦合作用对管道电位和交流电压产生影响。
（2）输电线路工程建设单位向油气管道管理单位进行路由协商时，相关各方应确保电磁干扰影响值在安全限值内，尽量避免线路杆塔及换流站接地极距离管道过近。
（3）输电线路电磁干扰影响超过安全限值时，后建方应采取多种工程防护措施确保管道及作业人员安全。
参考文献：
[1] 李丹丹. 高压直流输电线路对某埋地金属管道的干扰规律研究[D]. 成都: 西南石油大学, 2014.
[2]程明, 张平. 鱼龙岭接地极入地电流对西气东输二线埋地钢质管道的影响分析[J]. 天然气与石油, 2010, 28(5): 22.

-全文完-