錢玉華 孟祥華

中國(guó)石化天然氣榆濟(jì)管道分公司

摘 要：就特高壓直流輸電線路正常運(yùn)行、單極運(yùn)行短路故障和雷擊時(shí)對(duì)埋地油氣管道電磁干擾的影響機(jī)理和安全限值進(jìn)行了研究，提出了削減電磁干擾影響的防護(hù)措施，可為加強(qiáng)油氣管道安全管理工作提供參考。

關(guān)鍵詞：直流輸電；油氣管道；影響機(jī)理；安全限值；防護(hù)措施

直流輸電線路與埋地油氣管道相鄰時(shí)，對(duì)管道可能造成的電磁干擾有三個(gè)方面：一是輸電線路正常運(yùn)行時(shí)諧波電流對(duì)管道產(chǎn)生的交流感應(yīng)電壓影響；二是輸電線路單極大地回線運(yùn)行時(shí)接地極對(duì)管道產(chǎn)生的直流干擾腐蝕影響；三是輸電線路發(fā)生單極接地故障時(shí)的短路電流以及桿塔遭受雷擊時(shí)的沖擊電流，對(duì)管道防腐層及人身安全的影響。如果上述影響的數(shù)值超過(guò)所允許的安全限值，則可能會(huì)對(duì)管道安全運(yùn)行造成隱患[1,2]。

對(duì)電磁干擾的影響機(jī)理、安全限值進(jìn)行研究分析，提出削減電磁干擾影響的防護(hù)措施，對(duì)于保障油氣管道安全運(yùn)行具有積極作用。

1 電磁干擾影響因素

直流輸電線路對(duì)埋地油氣管道的電磁干擾影響因素可分為容性耦合、感性耦合、阻性耦合三類。

1.1 容性耦合

直流輸電線路導(dǎo)線上有電壓，其周圍存在電場(chǎng)，由于靜電感應(yīng)作用，管道上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。絕大部分油氣管道埋地敷設(shè)，大地對(duì)電場(chǎng)有良好的屏蔽作用，可忽略容性耦合影響。對(duì)于正在建設(shè)或者維修時(shí)管道可能裸露在地面的情況，通過(guò)對(duì)管道進(jìn)行分段接地，同樣可能消除容性耦合影響。

1.2 感性耦合

直流輸電線路導(dǎo)線上存有不同頻率的諧波電流，會(huì)在周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，當(dāng)直流輸電線路與管道鄰近時(shí)，交變磁場(chǎng)通過(guò)電磁感應(yīng)，在管道上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。直流輸電線路正常運(yùn)行或單極運(yùn)行時(shí)，都會(huì)對(duì)埋地管道產(chǎn)生感性耦合影響。管道交流干擾電壓的大小，跟管道與輸電線路位置關(guān)系，輸電線路電流大小及頻率，管道防腐層電阻率、土壤電阻率等有關(guān)。

管道的防腐層不可能是絕對(duì)絕緣的，此感應(yīng)電壓通過(guò)管道縱向阻抗、對(duì)地阻抗及大地構(gòu)成的回路產(chǎn)生對(duì)地泄漏電流，從而產(chǎn)生交流腐蝕。通常防腐層的漏點(diǎn)處是電流進(jìn)出的主要通道，交流腐蝕也最為嚴(yán)重。另外當(dāng)管道上感應(yīng)電壓較高時(shí)，可能影響在管道上進(jìn)行測(cè)量或維修作業(yè)的人員安全。

1.3 阻性耦合

直流輸電線路的桿塔設(shè)有接地裝置，當(dāng)輸電線路出現(xiàn)短路故障或者遭受雷擊時(shí)，一部分電流 I G會(huì)從鐵 塔的接地裝置（接地阻抗為 Z G）流入大地，此時(shí)鐵塔電位為 U Gmax=I G×Z G。電流通過(guò)大地向遠(yuǎn)處擴(kuò)散，周圍地表電位會(huì)產(chǎn)生一定的電位升U G ，從而使經(jīng)過(guò)的管道對(duì)地電位升高。圖 1為鐵塔附近地表電位的衰減示意圖，由此可見(jiàn)，當(dāng)桿塔接地距離管道較近時(shí)，短路故障或者遭受雷擊時(shí)管道電位大幅上升，可能擊穿管道防腐層或者對(duì)在管道上進(jìn)行測(cè)量或維修作業(yè)的人員造成不利影響。

直流輸電線路會(huì)定期切換成單極大地運(yùn)行模式進(jìn)行線路檢修。此時(shí)電流通過(guò)接地極向土壤無(wú)窮遠(yuǎn)擴(kuò)散，從而形成回路，接地極處入地電流會(huì)達(dá)到幾千安培。當(dāng)經(jīng)過(guò)油氣管道時(shí)，電流可能從管道防腐層或者場(chǎng)站閥室接地進(jìn)出管道，從而使管道發(fā)生直流雜散電流干擾腐蝕，管道電位變化嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)�影響恒電位設(shè)備運(yùn)行，造成絕緣接頭或法蘭故障。

2 電磁干擾影響安全限值

為確保管道作業(yè)人員人身安全、防止管道防腐層擊穿、減小管道腐蝕，在線路路由選擇和建設(shè)運(yùn)行中，必須將各種影響控制在安全限值內(nèi)。所以在輸電線路工程設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)計(jì)算或者在輸電線路建成投用后需要通過(guò)測(cè)試相關(guān)干擾數(shù)值，與安全限值進(jìn)行比較。

2.1 人身安全電壓限值

輸電線路正常運(yùn)行時(shí)，主要考慮諧波電流在管道上的感應(yīng)電壓。一般情況下，只有管道工作人員在測(cè)試電位或者維修時(shí)才有可能觸碰到與管道金屬部分有連接的裸露金屬部件，參照GB 6830―1986《電信線路遭受強(qiáng)電線路危險(xiǎn)影響的允許值》，選取針對(duì)職業(yè)人員的 60 V 作為人體長(zhǎng)時(shí)間安全電壓限值。在輸電工程設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)加拿大模擬軟件計(jì)算感應(yīng)電壓值或在輸電線路建成后直接使用萬(wàn)用表測(cè)試，得出的數(shù)值可與60 V相比較。

輸電線路出現(xiàn)短路故障時(shí)，作用時(shí)間一般很短且發(fā)生的概率較小，有管道工作人員在測(cè)試電位或者維修作業(yè)的幾率更小，參照DL/T 5340―2006《輸電線路對(duì)電信線路危險(xiǎn)和干擾影響防護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)程》，選取3 000 V（峰值）作為人體瞬時(shí)安全電壓限值。在輸電工程設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)公式U Gmax=I G×Z G計(jì)算桿塔處最大電位（短路電流I G可參考選取典型參數(shù)10 kA），進(jìn)而通過(guò)鐵塔附近地表電位的衰減示意圖大概測(cè)算管道電位，測(cè)算出的數(shù)值可與3 000 V相比較。

2.2 管道防腐層安全電壓限值

目前，針對(duì)直流輸電線路單極接地故障及遭受雷擊時(shí)對(duì)管道防腐層電壓產(chǎn)生的影響，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)明確的限值要求�？蓞⒖嘉錆h大學(xué)《輸電線路接地系統(tǒng)對(duì)地下金屬管道的影響研究》中的相關(guān)成果： FBE管道的工頻耐壓為14 kV～15 kV，雷電沖擊耐壓為28 kV； 3PE層管道的工頻耐壓為57 kV，雷電沖擊耐壓為109 kV。在輸電工程設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)公式U Gmax＝I G×Z G計(jì)算桿塔處最大電位（短路電流I G可參考選取典型參數(shù)10 kA，雷電電流I G可參考選取典型參數(shù)200 kA），進(jìn)而通過(guò)鐵塔附近地表電位的衰減示意圖大概測(cè)算管道電位，測(cè)算出的數(shù)值可與相應(yīng)限值相比較。

2.3 管道交流腐蝕限值

目前，針對(duì)直流輸電諧波電流引起的管道交流腐蝕影響，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)明確的限值要求。所以參照GB 50698―2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的識(shí)別評(píng)價(jià)參數(shù)作為腐蝕限值。當(dāng)管道上的交流干擾電壓不高于4 V時(shí)，可不采取交流干擾防護(hù)措施；高于4 V時(shí)，應(yīng)采用交流電流密度進(jìn)行評(píng)估，交流電流密度可按下式計(jì)算：

當(dāng)交流電流密度＞100 A/m2時(shí)，應(yīng)采取交流干擾防護(hù)措施；當(dāng)30 A/m2≤交流電流密度≤100 A/m2時(shí)，宜采取交流干擾防護(hù)措施；當(dāng)交流電流密度＜30 A/m2時(shí)可不采取交流干擾防護(hù)措施。在輸電工程設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)加拿大模擬軟件計(jì)算感應(yīng)電壓值或在輸電線路建成后直接使用萬(wàn)用表測(cè)試，得出的數(shù)值可與相應(yīng)限值相比較。

2.4 管道直流腐蝕限值

針對(duì)直流輸電線路單極大地運(yùn)行模式對(duì)管道產(chǎn)生的直流雜散電流干擾腐蝕，可參照GB 50991―2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的識(shí) 別評(píng)價(jià)參數(shù)作為腐蝕限值。對(duì)于沒(méi)有實(shí)施陰極保護(hù)的管道，當(dāng)任意點(diǎn)上的管地電位相對(duì)于自然電位正向或負(fù)向偏移超過(guò)20 mV，應(yīng)確認(rèn)存在直流干擾；當(dāng)任意點(diǎn)上管地電位相對(duì)于自然電位正向偏移大于或等于l00 mV時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取干擾防護(hù)措施。對(duì)于已投運(yùn)陰極保護(hù)的管道，當(dāng)干擾導(dǎo)致管道不滿足最小保護(hù)電位要求時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取干擾防護(hù)措施。在輸電工程建成后使用測(cè)試自然電位或極化電位得出的數(shù)值可與相應(yīng)限值相比較。

3 電磁干擾防護(hù)措施

（1）在進(jìn)行輸電線路桿塔建設(shè)時(shí)，應(yīng)該盡量降低電力系統(tǒng)接地極電阻，從而減小阻性耦合對(duì)油氣管道的電磁干擾影響。

（2）當(dāng)電磁影響超過(guò)人身安全電壓限值時(shí)，可在管道測(cè)試樁等位置設(shè)置接地墊，避免接觸電壓和跨步電壓對(duì)操作人員的危害。

（3）當(dāng)電磁干擾影響超過(guò)管道防腐層安全電壓限值或交直流腐蝕限值時(shí)，應(yīng)設(shè)置排流設(shè)施來(lái)削減電磁干擾危害。針對(duì)管道防腐層電壓超限，宜采取鋅帶直接接地；針對(duì)交流腐蝕超限，宜采用固態(tài)去耦合器排流防護(hù)；針對(duì)直流腐蝕超限，宜采取直接排流與強(qiáng)制排流結(jié)合的方法進(jìn)行防護(hù)。

（4）在與直流輸電系統(tǒng)相鄰處，應(yīng)在管道上安裝試片，通過(guò)開挖檢測(cè)，實(shí)際確定電磁干擾對(duì)管道所造成的危害程度。排流設(shè)施投用后，要實(shí)際測(cè)量排流效果。

4 結(jié)論

（1）特高壓輸電線路與埋地油氣管道鄰近時(shí)，可通過(guò)容性耦合、感性耦合、阻性耦合作用對(duì)管道電位和交流電壓產(chǎn)生影響。

（2）當(dāng)輸電線路工程建設(shè)單位向油氣管道管理單位進(jìn)行路由協(xié)商時(shí)，相關(guān)各方應(yīng)確保電磁干擾影響值在安全限值內(nèi)，盡量避免線路桿塔及換流站接地極距離管道過(guò)近。線路桿塔與管道的垂直距離應(yīng)大于一倍的桿塔高度，換流站接地極與管道的垂直距離宜盡可能遠(yuǎn)。

（3）當(dāng)輸電線路電磁干擾影響超過(guò)安全限值時(shí)，后建方應(yīng)采取多種工程防護(hù)措施確保管道及作業(yè)人員安全。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李丹丹. 高壓直流輸電線路對(duì)某埋地金屬管道的干擾規(guī)律研究[D]. 成都: 西南石油大學(xué), 2014.

[2] 程明, 張平. 魚龍嶺接地極入地電流對(duì)西氣東輸二線埋地鋼質(zhì)管道的影響分析[J]. 天然氣與石油,2010, 28(5): 22.

作者：錢玉華，男， 1989年生， 2011年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，主要從事管道保護(hù)、腐蝕控制等工作。

2019年第4期（總第47期）