混压同塔四回输电线路对管道的电磁影响

王添盟 赵红东 卢海燕 林 江 耿立新 刘 赫

1（河北工业大学电子信息工程学院 天津300401）

2（天津金沃能源科技股份有限公司 天津300380）

随着我国经济的快速发展，近年来对石油、天然气以及用电量的需求不断增加［1］。由于输送油气管道建设和输电线路的架设对传输路径的选择原则极为相近，导致输电线路与输送油气管道长距离平行或交叉跨越的情况时有发生，交流输电线路对输送油气管道的电磁干扰问题日益突出。

针对交流输电线路对输送油气管道的电磁干扰问题，近年来国外已进行了大量研究［2-4］，尤其是加拿大学者Dawalibi［5-6］从Sunde 模型出发，简化了电磁场方程，通过求解线性代数方程组得到了地下导体系统感应电流分布情况，奠定了工程实际应用的理论基础。SES 公司开发的CDEGS 仿真软件包，开创性地将仿真模拟技术应用到解决电磁干扰的实际问题上，取得了成效。国内的相关研究起步较晚，随着西北750 kV 骨干网架的建设，各大高校、研究院等相继展开探索交流500 kV、750 kV 和1 000 kV 输电线路对输送油气管道电磁影响的研究［7-10］。齐磊等［11］依据管道-大地回路传输线模型，求得了交流输电线路正常运行状态下，油气管道上产生的感性耦合电压的解析表达式；杨丝琪等［12］建立了1 000 kV 交流输电线路与埋地油气管道交叉和平行的仿真模型，针对输电线路单回运行和双回运行，仿真研究了平行交叉段管道干扰电压及交流电流密度分布，并给出了应用固态去耦合器的裸铜带敷设的防护措施，降低管道交流干扰电压。

架设同塔四回输电线路可增大单位线路的输电容量，从而有效地缓解输电线路走廊紧张的问题，以节省电力建设投资。黄学良等［13］针对1 000 kV/500 kV 混压同塔四回输电线路的电磁环境问题，采用有限元法分析了线路下工频电场的特征及主要影响因素，研究了电场环境的优化方案以及屏蔽线位置与屏蔽效果的关系；郭天伟等［14］采用模拟电荷法计算同塔四回混压输电线路导线下的工频电场，采用毕奥-萨瓦定律计算磁场数值，并采用激发函数法进行了无线电干扰的计算，同时运用BPA 公式进行了可听噪声的计算。目前，针对特高压同塔混压四回输电线路的相关研究以输电线下电磁环境为主［15-17］，而此类输电线路对埋地管道的电磁影响研究基本处于空白。我国中东部地区用电量较大，土地资源稀缺，为缓解输电线路走廊拥挤，节省电力建设和运行成本，亟须解决架设同塔混压多回输电线路对油气管道电磁干扰的问题。

输电线路正常运行时，对附近埋地油气管道产生的交流干扰电压可能会威胁到人员的安全，本研究使用CDEGS仿真软件包，首先对比分析了1 000 kV 单回、双回输电线路和1 000 kV/500 kV（220 kV）混压同塔四回输电线路对管道产生的感应电压分布情况，然后针对1 000 kV/500 kV（220 kV）混压同塔四回输电线路，采用管道与输电线路交越的模型依次进行了如下的研究分析：（1）计算了三种特殊的运行状态（1 000 kV与500 kV/220 kV共同运行、1 000 kV单独运行、500 kV/220 kV单独运行）下，输电线路下方的管道沿线感应电压分布；（2）分别计算了9种不同相序下的管道感应电压峰值，并将结果绘制成柱状图；（3）以1 m为单位等间隔采样，计算了在杆塔下相导线最低高度从30 m 提升至40 m 的过程中，1 000 kV 双回输电线路和1 000 kV/500 kV（220 kV）混压同塔四回输电线路对管道产生感应电压的峰值，并绘制了峰值的变化情况；（4）将计算结果与GB/T 3805—2008标准［18］规定的33 V 人身安全电压的限值进行对比，并评估输电线路对管道的电磁干扰。

1 计算原理与限值

1.1 计算原理

交流输电线路在正常运行时，线路中的交变电流会在线路周围空间产生交变磁场，使附近的管道产生感应电压。该交变磁场存在于空气和大地中，当油气管道与输电线路并行或者交越时，会在管道两侧产生纵向电动势，该纵向电动势作用于油气管道与大地形成的回路，从而产生纵向电流和泄漏电流，并在管道防腐层的两侧产生电位差［19］。这种耦合作用，被称为感性耦合作用，在交流输电线路正常运行对临近油气管道的电磁影响中起主要作用。

感性耦合电压的计算方法基于管道-大地回路传输模型。将大地视为参考导体，等值电路如图1所示。对每个微分单元管段，相应的频域电报方程见式（1）和式（2）。

式中：U和I分别为管道沿线电压、电流；Z和Y分别为管道-大地回路传输线模型的单位长度串联阻抗和并联导纳；E为输电线路在单位长度管道上产生的感应电动势。

假设在该微元上感应电动势一定，可以得到其通解的指数形式如式（3）和式（4）。

根据终端约束条件U(L)= Z2I(L)和U(0)=-Z1I(0)，其中Z1为首端阻抗，Z2为末端阻抗，代入整理后可得（5）～（8）式。

1.2 人体安全电压限值

输电线路正常运行时，对附近埋地油气管道产生电磁影响为交流干扰，管道上产生的交流干扰电压可能会威胁到人员的安全，甚至对管道造成交流腐蚀。各类标准及规定的长时间作用下人体安全电压相关标准见表1。

表1 人体安全电压标准及限值Table 1 Some standards and limit values about human safety voltage

从表1可以看出，人体安全电压标准限值有较严格的15 V、较宽松的60 V 以及适中的33 V。由于油气管道埋于地下，一般只有在维修和测量时才有可能被专业操作人员接触，本文采用GB/T 3805—2008标准［18］规定的33 V作为人身安全电压的限值。

2 计算模型与过程

2.1 计算模型

本文建立两个管道与输电线路相对位置模型：平行和交越模型，模型的位置关系见图2。

在计算模型中，线路与管道接近段的土壤电阻率为100 Ω·m，空气电阻率为默认的1018Ω·m。与输电线路临近埋地管道的外半径为305 mm，内半径为295 mm，深埋1.5 m。管道防腐层电阻率为5 000 Ω·m，厚度为3 mm。钢质管道相对电阻率为10 Ω·m，相对磁导率为300。

输电线路结构［20-22］包括：1 000 kV 单回酒杯塔、1 000 kV双回伞形塔和1 000 kV/500 kV（220 kV）混压同塔四回输电线路，如图3～4 所示。其中，1 000 kV 导线型号为8×LJG-400/50，500 kV 导线型号为4×LJG-400/50，220 kV 导线型号为2×LJG-400/50，架空地线的导线型号为LJG-99/55 和OPGW-97/48，计算的相线和中性线参数见表2。模型中：考虑1 000 kV 线路运行时，单相导线线电流为4 000 A；500 kV 线路运行时，单相导线线电流为1 000 A；220 kV 线路运行时，单相导线线电流为500 A。其中1 000 kV 双回相序排列为ABC-CBA，500 kV/220 kV 双回相序排列BACCBA。

2018年5月8日，美国总统特朗普单方面宣布退出《伊朗核协议》，并设置过渡期，分阶段、分批次启动对伊朗的制裁政策。虽然美国于2018年11月5日宣布给予中国180天临时豁免，但这种豁免具有局限性和不确定性。因此，了解和研究美国对伊朗能源制裁政策具有重要现实意义。

表2 高压输电线相线、中性线电器参数Table 2 Electrical parameters of high-voltage transmission line phase line and neutral line

2.2 计算过程

电力系统电磁干扰仿真计算软件包CDEGS（电流分布、电磁场、接地和土壤结构分析）是基于矩量法开发的，以电磁理论为基础编写分析程序，不受频率限制，分析结果极为精确。其核心主要是计算由地上或地下任意形状导体所构成的网络在稳态、故障和雷击等暂态条件下周围电磁场分布及感应电位分布。该仿真计算软件包在分析交流输电线路对油气管道的电磁影响方面具有权威性，被国际大电网会议推荐使用，在国际上解决了大量的工程问题［23］。

SESTLC子软件快速易用，可以解决任意导向的地上和埋设导体网络，可由任意数量的电流和电压源进行激励，首先输入系统模型的相关参数，计算出系统模型中各相线及地线的自、互感系数，最终计算管道上感应电压和管道涂层感应电压的分布数值，计算过程中需注意以下几点：（1）电力系统工频为50 Hz，系统单位采用公制；（2）管道模型1 为“平行被干扰线路径”，管道模型2 为“弯曲被干扰线路径”；（3）左侧接地阻抗和右侧接地阻抗分别是管道在左边终端和右边终端的接地阻抗值。本系统中，管道两端是悬空的，接地阻抗设为无穷大；（4）输电线路每段跨长为300 m，管道中每档距长度的分割数选为3；（5）本系统为埋地管道，电容耦合是可以忽略的，在稳态情况下，仅需要相电流值作为激励。

3 计算结果

3.1 不同输电结构

计算得到1 000 kV单回酒杯线路、1 000 kV双回伞形输电线路和1 000 kV/500 kV 混压同塔四回输电线路对管道产生的感应电压分布情况，如图5所示。

由图5（a）可知，管道与输电线路并行时，管道沿线的感应电压成对称折线“V”形分布，管道与输电线路平行端点处的感应电压最高，其中1 000 kV单回、双回输电线路、1 000 kV/500 kV混压同塔四回输电线路对管道的感应电压峰值分别为14.00 V、6.17 V、4.25 V，1 000 kV/500 kV混压同塔四回输电线路的感应电压峰值相较于1 000 kV单回、双回输电线路的减幅分别为69.6% 和31.1%。计算出的感应电压峰值均小于GB/T 3805—2008 标准规定的33 V 人身安全电压限值，分别为限值的42.0%、18.7%和12.9%。

由图5（b）可知，管道与输电线路交越时，感应电压成“W”形分布，管道感应电压的最大值出现在交叉点处，沿着交叉点向两侧递减，1 000 kV单回、双回输电线路、1 000 kV/500 kV 混压同塔四回输电线路对管道的感应电压峰值分别为46.75V、26.18 V和13.60 V，1 000 kV/500 kV混压同塔四回输电线路的感应电压峰值相较于1 000 kV单回、双回输电线路的减幅分别为70.9% 和48.1%。其中，单回输电线路对管道的电压干扰峰值为安全限值的1.42 倍，双回、四回输电线路的感应电压峰值分别为安全限值的79.3%和41.2%。

综上所述，1 000 kV/500 kV 混压同塔四回输电线路对管道的电磁干扰程度小于1 000 kV 单酒杯输电线路和1 000 kV 双回伞形输电线路，因为多回输电线路中，线路之间的电磁干扰会相互抵消。同塔多回线路回路间的耦合作用强，除了本回路的电磁感应外，还有来自另一电压等级回路的影响。

3.2 不同运行工况

三种不同的运行方式下的管道沿线感应电压分布情况如图6所示。

如图6（a）所示，在1 000 kV 与500 kV 共同运行状态下，管道沿线的感应电压峰值为13.60 V，出现在管道与输电线路交越处，管道沿线感应电压整体呈现“W”型分布；1 000 kV 单独运行时，管道沿线感应电压峰值为10.46 V，与共同运行时相比降低很多，占共同运行时的76.9%；500 kV单独运行状态下，在管道与输电线路交越附近，感应电压变化趋势大致呈“V”型分布，感应电压整体上呈现“M”形分布，感应电压峰值为4.69 V，是共同运行时的34.4%。计算得到的管道沿线感应电压峰值分别为人体电压限值的41.2%、31.7%和14.2%。

综上所述，虽500 kV/220 kV输电线较1 000 kV距埋地管道距离更近，但1 000 kV 电压等级较500 kV/220 kV高，此因素对埋地管道的电磁干扰影响更为显著，500 kV/220 kV 单独运行时，均低于1 000 kV 单独运行状态，且500 kV/220 kV 单独运行时，管道沿线感应电压分布呈现不同的变化趋势。

3.3 不同相序布置

计算得到9 种不同相序布置排列下管道沿线感应电压的幅值，并绘制成柱状图。1 000 kV、500 kV（220 kV）输电线路的相序布置情况见表3，计算结果见图7。

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

由图7 可知，第6 种相序布置，即1 000 kV 同相序、500 kV/220 kV 同相序排列时，管道沿线的感应电压幅值最大，为36.60 V和39.61 V；第3种相序布置，即1 000 kV 逆相序、500 kV/220 kV 同相序排列时，管道沿线的感应电压幅值最小，为12.5 V和13.02 V。在这9 种典型的相序排列下，1 000 kV/500 kV（220 kV）混压同塔四回输电线路对管道的感应电压峰值最大时分别为最小时的2.93和3.04 倍。计算结果显示，在1 000 kV/200 kV 混压同塔输电结构中，1 000 kV同相序布置的三种相序时，管道感应电压峰值均超过了安全限值，其余相序都没有超过安全限值；1 000 kV/500 kV 混压同塔输电结构中，1 000 kV同相序布置的三种相序时，两种相序的管道感应电压峰值超过了安全限值，其余相序都没有超过安全限值。

通过对比1、4、7 或2、5、8 或3、6、9 三种相序布置，即控制220 kV/500 kV 相序固定的情况下，观察1 000 kV 相序对管道的电磁影响，可以看出，1 000 kV同相序排列对管道沿线的电磁干扰程度最强，而1 000 kV 逆相序排列时最弱。通过观察1、2、3或4、5、6或7、8、9三种相序布置，可以看出1 000 kV 相序布置比220 kV/500 kV 相序布置更为关键。

3.4 不同呼称高

导线最小对地距离的取值是特高压输电线路需要考虑的关键因素之一。杆塔呼称高度决定了输电导线对地高度，计算中导线对地高度对管道干扰程度有一定的影响。在不同相序排列的实验中，第3种相序布置最为理想，因此本实验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。不同呼称高度下，计算得到的管道感应电压峰值如图8所示。

由图8 可知，随着杆塔下相导线最低高度从30 m 提升至40 m 的过程中，管道沿线的感应电压峰值基本上成线性下降的变化趋势。因此，当杆塔下相导线为30 m 时，管道沿线感应电压峰值最大，其中1 000 kV 双回输电线路的感应电压峰值最大值为33.63 V，1 000 kV/500 kV（220 kV）混压同塔四回输电线路的感应电压峰值最大值分别为14.65 V和14.23 V，减幅分别为56.4%和57.7%。计算结果显示，只有双回输电线路，下相导线为30 m时，管道感应电压超过了人体电压安全限值。

相比于1 000 kV 双回伞形输电线路，1 000 kV/500 kV（220 kV）混压同塔四回输电线路对管道的感应电压峰值变化较为平缓。因此，可通过适当地调整杆塔的呼称高度来降低1 000 kV/500 kV（220 kV）输电导线对地高度对管道的干扰程度。

4 结论

分别建立了交流1 000 kV 单回酒杯塔、交流1 000 kV 双回伞形塔和交流1 000 kV/500 kV（220 kV）混压同塔四回输电线路，对比分析了三种不同的输电线路结构对管道电磁干扰的分布情况，并针对1 000 kV/500 kV（220 kV）混压同塔四回输电线路的不同导线相序布置、不同运行工况以及不同呼称高度的情况进行了系统的研究分析，将计算结果与GB/T 3805—2008 标准规定的33 V人身安全电压的限值进行比较和评估。

（1）管道与输电线路交越时，1 000 kV/500 kV混压同塔四回输电线路对管道的电磁干扰幅值相较于1 000 kV单回酒杯输电线路和1 000 kV双回伞形输电线路，减幅分别为70.9%和48.1%。单回输电线路对管道的感应电压峰值为人体安全限值的1.42倍，而双、四回输电线的管道干扰电压均小于人体安全限值。这是因为同塔多回线路回路间的耦合作用强，除了本回路的电磁感应外，还有来自另一电压等级回路的影响，多回输电线路中，线路之间的电磁干扰会相互抵消。

（2）1 000 kV/500 kV（220 kV）混压同塔四回输电线路的三种特殊运行状态下，管道沿线感应电压均小于人体安全电压限值，1 000 kV与500 kV（220 kV）共同运行时对管道的电磁干扰程度最强；500 kV/220 kV 单独运行时，感应电压均低于1 000 kV 单独运行的状态；虽500 kV/220 kV 输电线较1 000 kV距埋地管道距离更近，但1 000 kV电压等级较500 kV/220 kV高，此因素对埋地管道的电磁干扰影响更为显著；500 kV/220 kV 单独运行状态与1 000 kV/500 kV（220 kV）四回共同运行状态相比，管道沿线感应电压分布趋势发生了明显的变化，由W型分布变化为M型分布。

（3）在9种典型的相序布置下，1 000 kV同相序、500 kV/220kV 同相序排列时，管道沿线的感应电压幅值最大；1 000 kV逆相序、500 kV/220 kV同相序排列时，管道沿线的感应电压幅值最小；1 000 kV同相序排列对管道沿线的电磁干扰程度最强，而1 000 kV逆相序排列布置时最弱；1 000 kV正、逆相序布置排列较500 kV（220 kV）相序布置排列方式更为关键。计算结果表明，1 000 kV同相序布置时，管道沿线感应电压均超过了人体安全限值。实际工程中，导线的相序要结合电磁环境，尽量采用使感应电压和电流小的相序方式，比如本系统中1 000 kV 应尽量避免使用同相序，建议使用逆相序布置。

（4）在固定的相序布置下，随着杆塔下相导线逐渐提升，1 000 kV 双回输电线路和1 000 kV/500 kV（220 kV）混压同塔四回输电线路对管道的电磁干扰峰值均呈线性下降的变化趋势；相比于1 000 kV 双回输电线路，1 000 kV/500 kV（200 kV）混压同塔四回输电线路对管道的感应电压峰值变化较为平缓。在双回输电线路结构中，最低下相导线高度为30 m 时，管道感应电压峰值超过了人体安全限值，可通过适当调整呼称高度来降低1 000 kV/500 kV（200 kV）输电导线对地高度对管道的干扰。