高压直流输电线路对地埋管道的电磁影响限值分析

李国庆，黄金龙，杜 巍，赵静宜

(1.辽河油田建设工程公司，辽宁 盘锦 124012；2. 中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021；3.中国能源建设集团辽宁电力勘测设计院有限公司，沈阳 110179)

目前，我国高压、特高压输电线路走廊资源日趋紧张，与其同期大规模发展的地埋油气管线的交叉及邻近情况不断增加，对地埋管线的影响问题愈加突出，不容忽视。高压直流输电线路对地埋油气管线的电磁影响机理包括感性耦合、阻性耦合和容性耦合三个方面[1]，可能产生的电磁影响主要有两个方面：一是高压线路系统发生接地短路故障或受到雷击或时在地下金属管线上出线的瞬态电磁影响；二是长期存在的导线谐波电流以及持续直流电压对地下金属管线的稳态电磁影响。这两类影响可能威胁管道作业人员的人身安全，击穿金属管道的绝缘防腐层，反击金属管道的阴极保护设备，或导致金属管道的直流腐蚀。

1 电磁影响机理

1.1 感性耦合

图1 特高压直流线路上电流时域波形

两端直流输电系统主要的运行方式包括：单极大地回线、单极金属回线和双极大地回线3种，其中双极大地回线接线方式是我国直流输电系统通常采用的接线方式。图 1 为直流线路上的电流时域波形[2]，在直流电流的基础上，还叠加有一非正弦的周期信号，即谐波电流。无论是哪一种接线方式，极导线中都会存在不同频率的谐波电流，致使线路直流极导线附近的空气以及大地中产生了交变磁场。地下油气管道穿过该磁场时会形成纵向电动势。一般来说管道金属外壁的防腐层材料都具有一定的电导率，并非完全绝缘，此时大地与管道之间便自然产生电位差形成回路，泄漏电流和纵向电流由此产生，管道防腐层两侧出现的电位差被称为“涂层电压”。此种影响即称作感性耦合影响。

直流输电线路无论是正常运行、短路故障还是遭受雷击，均会对埋地管道产生感性耦合影响。

1.2 阻性耦合

在高压直流线路运行过程中，可能发生某些原因导致的极导线对地短路的故障情况，此时短路电流(Ig)会有一部分通过接地点附近杆塔的接地体(接地电阻Zg)向大地泄流。此时，杆塔电位可表示为Ugmax=Ig×Zg。如果地埋油气管线经过短路点附近，管线将同样产生小幅电位升。图2为铁塔附近地表电位的衰减示意图，实际电位分布会由于管道的存在而出现一定的畸变[2]。

阻性耦合影响主要出现在以下几种工况：单极大地回路运行方式(大地回流)、双极大地运行方式下不平衡电流、短路故障时的入地电流以及受到雷击时的入地电流。

图2 输电线路铁塔附近地表电位衰减示意图

1.3 容性耦合

高压直流线路极导线周边伴随着很强的感应电场，管道邻近时还将出现较高的对地电位。大地本身可对该型低频感应电场进行有效屏蔽，可见地埋的油气管线可忽略容性耦合影响。当管线位于地面以上时，一般多出现在施工或局部维修的情况，此时根据相关规定，一般都要求将管道进行分段接地处理，因此也不存在容性耦合影响。

2 电磁影响涉及对象

2.1 人身安全

当地埋油气管线与高压直流线路接近时，受前述感性耦合的影响金属管道的对地电压将升高。当该电压幅值较高时，将会影响施工维护等正常作业下人员的安全。

此外，当直流线路导线短路接地时，由于短路电流要较正常运行电流幅值大幅增加，会导致金属管线的感性耦合电压以及短路点附近大地电位大幅上升，此时，当操作人员接触到油气管线的金属部分时，在感性耦合和阻性耦合的共同作用下，很可能会对操作人员人身安全造成严重威胁。

2.2 管道安全

一般来说，油气管线的金属外表面会涂敷防腐层，以防止土壤中有害物质腐蚀金属管道，且该防腐层具有较高绝缘电阻。

当高压直流线路短路故障接地或受到雷击时，感性耦合以及阻性耦合共同作用下产生的短路电流或雷电流将导致管道产生较高的对地电压升，幅值达到一定强度时将直接击穿防腐层。

2.3 管道阴极保护设备

高压直流线路正常运行工况下，导线谐波电流受前述感性耦合的作用会在管道上产生一定幅值的干扰电压，直接影响管道上加装的阴极保护设备正常工作，将导致局部防腐层损坏处金属表面的快速腐蚀。

2.4 对管道直流干扰腐蚀

埋地钢质管道因直流杂散电流造成的腐蚀称为直流干扰腐蚀。在我国较长的东北原油管道系统，有埋地钢质管道2 000余km，其中受到直流干扰的管段约5%。管道运行20余年来，共发生腐蚀穿孔事故40起，其中80%是由于干扰腐蚀造成的。这些都足以说明干扰腐蚀的穿孔事故在腐蚀穿孔事故中占相当大的比例。干扰腐蚀速度比自然腐蚀速度大很多倍，所以防止干扰腐蚀，在管道防腐保护中占有重要地位。

3 对管道的电磁影响限值

直流线路对油气管道的影响本质来源于电磁干扰，应通过电磁量进行限制和规范。通过大量研究发现，直流线路与油气管道的安全距离需根据对人身安全、管道安全、阴极保护设备的正常工作以及管道直流干扰的要求而确定，涉及线路、管道与阴极保护设备的具体情况，不能简单地用某个数值来限制输电线路与输油输气管道的距离，即便是根据直流线路的电压等级来划分安全距离限值，也不够全面合理。

下面针对国内外相关标准中的限值规定，进行总结分析，提出适用于我国的直流线路对输油输气管道的电磁影响限值。

3.1 人身安全电压限值

3.1.1 高压直流线路正常运行时的人身安全电压

长时间作用下的人体安全电压相关标准见表1。从表1可以看出，长时间作用下的人体安全电压分为15 V、33 V和60 V左右3级。美国NACE SP 0177标准第5.2.1.1条对15 V限值的解释如下：“对本推荐准则来说，15 V(均方根值)交流开路电压或5 mA或多些的干扰源电流容量，将被认为构成一种预料中的电击危险”。需指出的是，限制15 V的安全值，并不是说超过该限值会直接导致安全问题，主要衡量的指标是不使人有明显的不适感觉。作为一种长期埋于地下、一般只会由职业人员接触到的设施，采取此限值显然过于严格。

表1 长时间作用下的人体安全电压相关标准

GB 3805—2008中规定的33 V限值，考虑的是干燥环境下人体长时间能够承受的安全电压，并且该标准指出此限值没有人群针对性。GB 6830—1986中规定“强电线路在正常运行状态下，通信导线上的纵电动势容许值为60 V”。该标准主要是指当电信工作人员接触通信线时，人体上被加载的安全电压限值。人体长时间安全电压值取33 V与60 V两个数值都是合理的，33 V限制值主要适用于普通大众人群，60 V限制主要适用于职业工作人员。

特高压直流输电线路正常运行时极导线谐波电流的主要频率为100 Hz。GB/T 3805—2008中规定“频率为15～100 Hz的人体稳态安全电压限值相同，同时考虑到该安全限值的职业针对性，取60 V”。

3.1.2 高压直流线路短路故障时的人身安全电压

短时间作用下的人体瞬间安全电压有关标准见表2。可以看出，按照GB/T 50065—2011与IEEE标准计算所得人体瞬间安全电压允许值与“CCITT”(ITU-T前期称谓)推荐值较为一致。GB 6830—1986采用了“CCITT”的推荐值。但根据世界各国现场运行经验，认为“CCITT”的推荐值偏于保守。据此，我国在DL/T 5033—2006《输电线路对电信线路危险和干扰影响防护设计规程》中采用了这一建议。

表2 短时间作用下人体瞬间安全电压标准

注：1.t为输电线路接地短路故障切除时间；2.ρ为大地电阻率。

目前我国新建输电线路均为高可靠性输电线路，发生故障的概率很小，在线路发生故障时恰好有相关工作人员碰触到管道的裸露金属部分的概率更小，如果仍采用GB/T 50065—2011的计算值作为输电线路短路故障时人身安全电压的评判标准，会太过严苛且不合理，因此，建议采用DL/T 5033—2006及DL/T 5340—2006中规定的限值作为人体瞬间安全电压限值。

特高压直流输电线路故障持续时间为0.01～0.04 s，对应频率20～40 Hz，故建议人体短时间安全电压限值取2 000 V(有效值)或3 000 V(峰值)。

3.2 管道安全电压限值

我国目前存在的管道，其防腐层大致分为3类：石油沥青、塑料及环氧粉末、3层聚乙烯(PE)覆盖层(目前新建的大型管道均采用3层PE覆盖层，如西气东输管道、西油东输管道、川气东输管道)，其绝缘性能依次增强。目前尚没有详细、公认的新型防腐层的耐压试验数据，根据武汉大学高压实验室2007 年的研究项目《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 (熔结环氧)层金属管道在工频情况下其耐压为14～15 kV(对应的峰值约20 kV)，雷电冲击耐压为28 kV；PE 层金属管道的工频耐压为57 kV(对应的峰值约80 kV)，雷电冲击耐压为109 kV。

3.3 管道阴极保护设备干扰电压限值

管道阴极保护设备抗干扰的电压限值情况需结合具体阴极保护设备的抗交流干扰能力进行明确。如：KKG-3型强制电流阴极保护电位仪的抗交流干扰能力为12 V；KKG-3BG型恒电位仪的抗交流干扰能力为30 V；镁阳极(牺牲阳极阴极保护)的抗交流干扰能力为不低于10 V。

3.4 管道直流干扰限值

对直流干扰标准的确定，历来就存在分歧。目前各国的具体规定也不相同，英国的腐蚀界认为当管道对地电位的正向偏移为20 mV时，就可能产生不允许的干扰腐蚀，所以以20 mV的管地电位正向偏移作为标准。日本虽然不反对管地电位正向偏移达20 mV时，就存在腐蚀危险的结论，但考虑日本地域狭小，各种埋地金属管道和直流电气化铁路以及直流输电线路分布十分密集，干扰特别严重，并且很难彻底防止，而以管地电位正向偏移50 mV作为标准。

我国石油天然气行业标准SY/T 0017—2006《埋地钢质管道直流排流保护技术标准》规定：“当管道任意点上的管地电位较自然电位偏移20 mV或管道附近土壤电位梯度大于0.5 mV/m时，确认为直流干扰。当管道任意点上的管地电位较自然电位正向偏移100 mV或者管道附近土壤电位梯度大于2.5 mV/m时，管道应及时采取直流排流保护或其他防护措施”。

一般在工程应用中对于管道交流腐蚀的评估推荐按GB/T 50698—2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》中给出的相关指标进行计算。

油气管线上的交流干扰电压(有效平均值)小于 4 V 时，可不采取交流干扰防护措施。

交流干扰电压(有效平均值)高于 4 V 时采用交流电流密度J进行评估：交流电流密度J≥100 A/m2时判定为“强”，需采取交流干扰防护措施；100 A/m2>J>30 A/m2时判定为“中”，宜采取交流干扰防护措施；J≤30 A/m2时判定为“弱”，可不采取交流干扰防护措施[4]。

4 结论

通过前述分析，总结出适用于高压直流线路工程对输油输气管道电磁影响的限值。

人身安全电压限值，在正常情况下参照GB 6830—1986规定取60 V，故障情况下参照DL/T 5340—2006规定取人身瞬时安全电压3 000 V(峰值)。管道安全电压限值参考《输电线路接地系统对地下金属管道的影响研究》(武汉大学2007年工程专题报告)，故障情况下3 层PE取80 kV，FBE取20 kV；雷击情况下，3 层PE取109 kV，FBE取28 kV。管道交流腐蚀参照GB 50698—2011标准，正常情况下管地电位不超过4V 或者管地电位高于4 V 时，交流泄漏电流密度小于30 A/m2。

参考文献：

[1] 高攸纲，杜丽冰．强电线对地下金属管线的电磁耦合影响及防护技术[J]．铁道学报，1989(S2)：46-55．

[2] 中国电科院．准东—华东±1100kV特高压直流线路对输油输气管道的电磁影响及防护措施研究[R]. 北京：中国电力科学研究院， 2016.

[3] 关于在三相高压电力系统和单线铁道牵引系统附近的管道设备和运行标准:德国Afk第3号,1982[S].

[4] 白锋,郭剑,尹浩柳. 特高压直流输电线路对油气管道的电磁影响仿真计算[C].中国电机工程学会电磁干扰专业委员会第十二届学术会议.武汉：出版者不详，2012:177-183.