張雪東 吳廣春 王修云 趙蕓黎

安科工程技術研究院（北京）有限公司

 

摘要：利用數(shù)值模擬計算軟件結合現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，建立了埋地油氣管道受新建光伏發(fā)電系統(tǒng)雜散電流干擾的模型，計算研究了交流電纜對管道穩(wěn)態(tài)交流干擾、箱變站單相故障下的暫態(tài)交流干擾和光伏發(fā)電組件對管道直流干擾，依據(jù)相關標準要求，對管道雜散電流干擾風險進行了評價。計算結果表明，本文案例中管道受新建光伏發(fā)電項目的交直流雜散電流干擾風險低，無須采取緩解措施。

關鍵詞：光伏發(fā)電系統(tǒng)；埋地油氣管道；雜散電流；干擾

 

光伏發(fā)電是指利用太陽能電池的P-N結光生伏打效應原理有效地吸收太陽光輻射能，通過轉換裝置使之轉變成電能。由于路由有限，光伏發(fā)電項目與埋地油氣管道并行的現(xiàn)象陸續(xù)出現(xiàn)，給管道帶來了潛在的雜散電流干擾風險。目前國內外公開的文獻資料中針對光伏發(fā)電項目對臨近埋地油氣管道雜散電流干擾的研究鮮有報道，給管道運營管理人員帶來了一定的困擾和疑惑。以國內某新建光伏發(fā)電項目及穿越其廠區(qū)的油氣管道為例，采用數(shù)值模擬計算方法（SES CDEGS計算軟件），計算分析了管道受到雜散電流干擾的風險，可為相關從業(yè)者提供一定的參考借鑒。

1  案例介紹

某新建光伏發(fā)電項目裝機總容量為40 MW，共布置10個光伏子陣，每個子陣中26塊組件（540 Wp單晶組件）串聯(lián)為1個光伏組串，每24路組串接入一臺250 kW組串逆變器，每12臺組串逆變器接入1臺3000 kVA升壓變壓器，將逆變器輸出的800 V交流電升壓至35 kV。項目主接地網采用50 mm×5 mm鍍銅扁鋼材料水平接地體為主，水平接地網深0.8 m，設計接地電阻為4 Ω；光伏組件最大功率540 Pmax/Wp、開路電壓47.6 Voc/V、短路電流14.8 Isc/A、最佳工作電壓39.2 Vmpp/V、最佳工作電流13.78 Impp/A，項目相關電氣參數(shù)見表 1、表 2。

表 1 電纜參數(shù)

 

表 2 集輸電路箱變站電流參數(shù) 

目標管道外徑426 mm，壁厚8 mm，防腐層類型為3PE，采用外加電流方式進行防護。管道5#～7#測試樁約900 m（其中約400 m與光伏組件、35 kV電纜近似平行）位于光伏發(fā)電場址內，35 kV集電線路與管道存在1處交叉。項目接地系統(tǒng)與管道最小間距約9 m（圖 1）。通過對5#～7#測試樁長時間電位監(jiān)測，采用1.0 cm²試片，監(jiān)測數(shù)據(jù)涵蓋試片交流干擾電壓、直流通/斷電電位，顯示當前干擾環(huán)境狀況下管道交流干擾小、干擾電壓最大約為0.20 V，管道交流干擾輕微，試片極化穩(wěn)定后斷電電位為﹣0.86 VCSE～﹣0.92 VCSE，管道陰極保護狀況良好（表 3）。

圖 1 新建光伏發(fā)電項目與管道相對位置關系示意 

表 3 管道測試樁陰極保護和交流干擾參數(shù)測試數(shù)據(jù)

2  評價指標確定

本項目涉及的潛在管道雜散電流干擾風險包含兩類：0.8 kV交流電纜（逆變器—箱變站）+35 kV集電線路交流電纜穩(wěn)態(tài)交流干擾、箱變站單相故障下的暫態(tài)交流干擾；光伏發(fā)電組件對管道直流干擾影響。依據(jù)相關的雜散電流干擾評價標準確定本項目的評價指標如下。

（1）交流電纜穩(wěn)態(tài)交流干擾參考國標GB/T 40377―2021《金屬和合金的腐蝕 交流腐蝕的測定 防護準則》：交流干擾電壓小于15 V，交流電流密度小于30 A/m²。

（2）箱變站單相故障下的暫態(tài)交流干擾。涂層耐受電壓參考武漢大學高壓實驗室2007年的研究項目《輸電線路接地系統(tǒng)對地下金屬管道的影響研究》中的相關研究成果，PE防腐層金屬管道的工頻耐壓取57 kV（對應的峰值電壓約80 kV）；人身安全參考GB/T 50065―2011《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》，接觸電壓（UT）和跨步電壓（US）按式（1）、式（2）計算（故障持續(xù)時間ts取0.2 s，ρs 為土壤電阻率）：

（3）光伏發(fā)電組件對管道的直流干擾參考GB 50991―2014《埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準》：有陰極保護管道，應滿足管道最小保護電位要求，即保護電位位于﹣0.85 VCSE～﹣1.20 VCSE。

3  干擾預測評估

3.1  交流電纜對管道穩(wěn)態(tài)交流干擾

交流輸電線路正常運行時，由于電壓波動導致三相電流不平衡，GB/T 15543―2008《電能質量三相電壓不平衡》規(guī)定“電網正常運行時，長時電壓不平衡度不超過2%，短時不得超過4%”。關于不平衡度的計算有兩種方法：①不平衡度＝（最大電流－最小電流）/最大電流；②不平衡度＝（最大相電流－三相平均電流）/三相平均電流。不平衡度的大小將直接決定管道受到的電磁感應干擾程度，因此為了保證評估結果的保守性、全面性、準確性，采用第一種方法進行計算。

基于交流電纜交流干擾模型與輸電線路運行參數(shù)，采用SES CDEGS數(shù)值模擬軟件計算評估了交流電纜于A相不同平衡度下管道交流干擾狀況，結果如圖 2和表 4所示�？芍�：管道交流干擾電壓和電流密度隨不平衡度增加而增大，交流干擾電壓和電流密度隨管道里程的變化趨勢一致，在管道與集電電纜交叉點附近出現(xiàn)干擾峰值，交流干擾電壓最大值為1.57 V，交流電流密度最大值為6.22 A/m²，隨著管道與集電電纜相互間距的增加，沿線交流干擾程度降低，管道整體交流干擾風險弱，無須采取交流排流措施。

圖 2 穩(wěn)態(tài)交流干擾計算結果

表 4 交流電纜對管道穩(wěn)態(tài)干擾

 

3.2  箱變站單相故障下的暫態(tài)交流干擾

新建光伏發(fā)電項目共有箱變站10座，3#箱變站距管道11 m。因此本部分重點考慮3#箱變站發(fā)生單相故障情況下管道受交流干擾風險的評估，按照設計參數(shù)，箱變站發(fā)生接地短路和短路時的故障電流分別為960 A和6400 A，故障持續(xù)時間均為0.2 s。采用SES CDEGS數(shù)值模擬軟件計算評估3#箱變站發(fā)生單相故障時管道受干擾狀況。管道涂層耐受電壓、接觸電壓和跨步電壓計算結果如圖 3所示�？芍�3#箱變站發(fā)生接地短路和短路故障時，涂層耐受電壓最大值分別為163.8 V、24.6 V，遠小于涂層耐受電壓安全限值，涂層損傷風險小；影響區(qū)域內管道接觸電壓最大值分別為159.7 V、23.9 V，遠小于安全限值504 V，人員接觸觸電風險小；管道沿線路跨步電壓最大值分別為0.41 V/m、0.06 V/m，遠小于安全限值862 V/m，人員跨步電壓風險小。箱變站單相故障下的管道暫態(tài)交流干擾風險低。

圖 3 暫態(tài)交流干擾計算結果 

3.3  光伏發(fā)電組件對管道直流干擾

GB/T 37408―2019《光伏發(fā)電并網逆變器技術要求》中關于光伏組件絕緣性能指標規(guī)定：預期阻抗按照每平方米的絕緣方陣40 MΩ計算；故障時，對于功率大于30 kVA的逆變器，允許的著火漏電流限值為10 mA/kVA有效值。本文中光伏組件面積為2.63 m²，組件對地有效絕緣電阻RISO為15.2 MΩ，26個組件組成一個組串。因此，正常運行情況下單個組串對地泄漏總電流為0.905 mA。項目中，共計2849個組串，光伏正常運行情況下組件對地泄漏總電流為2579 mA；故障時，單個組串逆變器允許的泄漏電流為2500 mA。

泄漏電流一部分直接經接地系統(tǒng)回流至組串逆變器，對管道無雜散電流干擾影響，另一部分經附近金屬構筑物（如埋地金屬管道）回流至組串逆變器，從而對埋地金屬管道產生直流雜散電流干擾影響。泄漏點距管道越近管道受直流干擾風險越大，本文中距離管道最近的逆變器為3#子陣逆變器，選取03-02#逆變器作為研究對象。本小節(jié)考慮兩種工況下的管道直流干擾分析：光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運行時、03-02#逆變器短路故障。

采用SES CDEGS軟件中的CorrCAD模塊建立直流干擾計算分析模型，基于現(xiàn)場土壤測試的X52鋼試樣極化曲線（圖 4）和現(xiàn)場管道陰極保護測試數(shù)據(jù)，計算得到兩種工況下管道沿線極化電位分布（圖 5）�？芍�：工況（1）下管道電位最大偏移量約0.2 mV，基本無偏移，管道直流干擾風險低；工況（2）下管道電位最大偏移量約5 mV，基本無偏移，管道直流干擾風險低。需要指出的是，由于光伏系統(tǒng)的逆變器數(shù)量較多，單個逆變器發(fā)生故障時根據(jù)上文的計算結果可知對管道的影響較小，但如果多個逆變器同時發(fā)生故障時，可能會對管道產生明顯的直流干擾，應加以注意。

圖 4 X52鋼試樣極化曲線 

圖 5 直流干擾下管道沿線斷電電位分布 

4  結論

（1）利用數(shù)值模擬計算軟件結合現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，建立了埋地油氣管道受新建光伏發(fā)電系統(tǒng)雜散電流干擾的模型，計算研究了交流電纜對管道穩(wěn)態(tài)交流干擾、箱變站單相故障下的暫態(tài)交流干擾和光伏發(fā)電組件對管道直流干擾，依據(jù)相關標準要求，對管道雜散電流干擾風險進行了評價。

（2）計算結果表明，本文案例中管道受新建光伏發(fā)電項目的交直流雜散電流干擾風險低，無須采取緩解措施。

（3）目前針對新建光伏系統(tǒng)對管道的雜散電流干擾專項研究較少，其數(shù)值模擬計算方法、邊界條件的選取等方面有待進一步的研究。同時，公開報道的管道受光伏發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)場實際的干擾監(jiān)檢測數(shù)據(jù)較少，對于其干擾風險的評估缺乏堅實可靠的現(xiàn)場數(shù)據(jù)基礎，有待進一步工作和數(shù)據(jù)積累。

作者簡介：張雪東，1990年生，本科，工程師，完整性管理工程師，主要研究方向為腐蝕與防護。聯(lián)系方式：15353183195，1534271972@qq.com。