输电线路对埋地输气管道电磁干扰及防护措施优化分析

莫冰玉，周尚虎，韩梦龙，郭冠军，杨雅萍

(国网青海省电力公司电力科学研究院，青海 西宁 810008)

0 引言

研究电力-油气能源输送走廊内的电磁干扰问题及其防护措施，对于控制工程投资、保障电力和油气输送系统的安全运行意义重大。输电线路稳态正常运行时，相线上流过的大电流以电磁场耦合的方式在管道上产生感应纵电动势，由于三相相线在空间位置上与管道的距离不同，管道上感应出的电动势无法互相抵消，引起金属管壁的对地电压上升。一方面，当感应电压超出限值时可对维护和测试工作人员造成电击危害；另一方面，交流感应电流经管道涂层缺陷处流入大地，造成电化学腐蚀。因此，对输电线路与埋地管道之间的电磁耦合问题进行系统性的计算分析，并采取合理的防护措施将电磁影响控制在限值内，不仅可保障管道工作人员的人身安全及管道以及其相关设施的安全，减小管道腐蚀，对于控制工程质量、投资与效益，推进能源输送工程的规划与建设具有指导意义。

1 电磁影响机理与计算方法

1.1 电磁影响机理

输电线路流过的交变电流在空间中产生的电磁场，在邻近的地面或埋地的金属管道与大地环路上产生感应电动势，这种情况下的电磁耦合分析包括两个过程：一是线路以电感耦合方式作用在管道上的感应电动势；二是管道在这个感应电动势激励下各节点的电压和各环路的电流分布。

输电线路稳态运行时，管道主要受电感耦合和电容耦合影响，对于埋地管道而言，大地对电场具有良好的屏蔽作用，此时可忽略电容耦合的影响。输电线路的导线中流过电流，在附近空间中产生交变磁场，当线路与管道并行时，以电磁感应的方式在管道-大地环路上产生感应纵电动势，即电感耦合。如果线路三相在空间上与管道平行且距离相同，且三相电流幅值相等时，各相在管道金属上产生的感应电动势互相抵消，此时管道所受干扰为零。但在工程实际中，三相输电线路系统中存在零序电流，且各相导线和管道的相对距离不相等，电感耦合无法避免。

1.2 电感耦合

图1 干扰源线与感应线的电感耦合

麦克斯韦第二方程沿闭合环路Гind的感应电动势为：

(1)

(1)对应的相量形式为：

(2)

将干扰源线划分为ns个线段，感应线划分为nind个线段。第m段感应线上的感应电动势分量为：

(3)

式中：ω=2πf为信号角频率。

设第k分段干扰源线中流过电流Isk，媒介磁导率为μ，沿源线的路径Cs积分可得每一段干扰源线的磁矢势和为〔1〕：

(4)

(3)代入公式(2)后，lm段感应的电动势可由以下公式计算：

(5)

在上述公式中，感应电动势的解为干扰源线与感应线法线方向的变量的叉乘，适用于空间中任意位置和任意长度的导体。

1.3 感应电压电流

为计算感应电动势作用下埋地管道的感应电压电流分布，此处建立了基于传输线理论的管道分布参数等效电路，如图2所示。

图2 管-地回路的等效电路

关于管道沿线电压电流的计算如公式(6)、(7)所示：

(6)

(7)

式中：Z为单位长度阻抗；Y为并联导纳；E为单位长度管道上产生的感应电动势。

输电线路在单位长度管道上产生的感应电动势不变：

U(x)=Aeyx+Be-yx

(8)

(9)

其中：

(10)

(11)

式中：Zc为管道特性阻抗；γ为电磁波在管道的传播系数；α为电磁波在管道传播的衰减常数，β为电磁波在管道传播的相位常数。

对于实际工程问题，可根据输电线路与管道的路径分段，对于每一段管道建立管道-大地环路微元，分别计算出管道每一微元环路的感应电动势、串联阻抗和并联导纳参数，得到管道各个节点的感应电压。

2 工程实例分析

2.1 750 kV青南-西宁Ⅱ回线路与涩宁兰埋地输气管道概况

750 kV青南-西宁Ⅱ回线路工程按照750 kV设计架设。根据现场勘测、收资情况，对线路总体走径构成1个重要控制点：本工程在共和县、湟源县、贵德县境内平行于涩宁兰天然气管道，共用走廊近20 km，并交叉跨越2次，平行段线路与管道的距离为0.2～4 km。

线路与管道并行区，海拔介于2 900～3 600 m之间，地质包括漫滩砾砂、细砂、含砾粉土等，土壤电阻率分布不均匀，大多在20～500 Ω·m之间。地下水位一般大于20 m，暂不考虑地下水位对地基基础的影响。

单回塔的导线截面和杆塔示意图如图3所示，图4给出了研究区段内330 kV及以上电压等级与管道交叉或者临近并行的路径俯视图。

图3 750 kV输电线路的杆塔和导线截面示意图

图4 输电线路与埋地管道的路径俯视图

2.2 输电线路稳态运行时对输气管道的影响

图5 线路稳态运行管地电位沿线分布

图6 稳态下管到交流电流密度沿线分布

750 kV青南-西宁Ⅱ回停运时，管地电位最大值9.85 V，正常运行时在原有线路基础上叠加额外的电磁影响，沿线管地电位均有所升高，最大值出现于该线路与管道交叉点p3处，约12.29 V。青宁线三相不平衡运行时，尽管p4点处有排流点，但由于土壤电阻率较高，该点的管地电位仍有较大幅度的升高，最大值可达16.61 V。

青宁Ⅱ回停运时，p3点附近的管道部分区段交流电流密度大于30 A/m2的区段长度约为3.36 km，最大值为45.07 A/m2；青宁Ⅱ回正常运行时，p3点附近区域的中等交流干扰管道区段长度增加至4.82 km，最大值达52.92 A/m2，p3点附近宜采取防护缓解措施；青宁Ⅱ回不平衡运行时，受其他线路的影响，p3点附近JAC最大值降至47.49 A/m2，但是p4点附近部分区域可能达到中等交流干扰。

公共走廊内线路对管道的电磁影响：

1)对人身安全的影响。输电线路稳态运行下，参考国内外一些关于人体长时间安全电压限制的相关标准，认为能接触到管道裸露金属部分的为职业人员，安全电压阈值取60 V。750 kV青南-西宁Ⅱ回不运行、正常运行和三相不平衡7%运行时，管道沿线的感应电压均小于60 V，未超过稳态下工频电压人体安全限值。

2)对管道交流腐蚀的影响。750 kV青南-西宁Ⅱ回线路建成后正常运行时，走廊内p3点附近有5.57 km长度的管道承受中等程度交流干扰。

3)对阴极保护等站内设备的影响。各阴极保护站与阀室的感应电压均较低(<2V)，阴极保护设备通常能耐受30 V以下的交流干扰〔2〕，不会受到过大影响。

3 基于粒子群算法的管道防护措施优化研究

目前工程上主要采用误差尝试法来制定防护措施，难以实现防护措施的优化，本节将基于管道的分布参数等效电路模型，采用粒子群优化算法进行防护措施的优化研究。

3.1 防护措施分析

针对输电线路与邻近管道交流干扰问题的防护措施，包括交流输电线路防护改造和油气管道防护改造两部分〔5〕。总体而言，线路方面的防护宜在设计和建设阶段采取，当公共走廊内有其他线路时，效果有限，且经济成本一般比较高；管道方面的防护则相对容易实施，效果比较明显且成本较低。工程实际中常用固态去耦合器连接沿管道敷设的裸铜带排流，以下选取其作为主要的防护措施进行研究。

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固态去耦合器由电容、二极管、浪涌保护装置组成，电路原理见图7，安装如图8所示。电容用于稳态下的交流干扰排流；二极管隔直避免阴极保护电流流失，也可以用于暂态电流泄流并钳制暂态电压升高；浪涌保护器为气体放电管，用于如雷电流等高幅值电流的排流〔3〕。

图7 固态去耦合器电路结构图

图8 固态去耦合器安装示意图

3.2 基于粒子群优化理论的管道防护配置算法

粒子群算法采用无质量无体积的粒子作为个体，设定好各个粒子的行为方式来组建群体智能，以实现某些复杂特征〔4〕。

管道防护措施优化的目标是使防护的总成本达到最低。假设管道分为a个可防护的节点，对于某项防护措施建立一个a维的列向量，里面的元素为该节点采取包含设备、施工、运输、停运等费用后，防护措施归一化的成本。约束条件主要考虑输电线路稳态运行下，管道、人员、设备的安全限值。

3.3 防护效果分析

1)固态去耦合器+裸铜带排流防护

对750 kV青南-西宁Ⅱ回输电线路与涩宁兰埋地输气管道公共走廊内的管道采用固态去耦合器+裸铜带排流防护后效果进行粒子群(PSO)优化计算，防护前后的管地电位计算结果、交流电流密度的计算结果见图9。

图9 管道粒子群PSO防护优化计算

采用固态去耦合器+裸铜带排流可以将p3点附近区段的干扰从中等程度降为弱交流干扰，公共走廊内管道区段的按腐蚀最严重情况计算的交流电流密度均低于30 A/m2，最大值为29.38 A/m2；管地电位最大值由11.69 V降至8.71 V。

2)采用固态去耦合器+集中接地防护

在某些情况下固态去耦合器的接地极因成本或者地形地势因素，无法与管道并行敷设，只能采取集中接地极排流时，此时的防护措施优化将有所不同，假设当接地极接地电阻为2 Ω时，PSO防护优化结果见图10。

图10 排流点接地电阻2 Ω时的管道PSO防护优化

当排流点接地极接地电阻2 Ω时，将公共走廊内管道降低至弱交流干扰需要增加3个排流点，位置分别距离计算起点61.88 km、65.24 km和67.61 km。

3.4 粒子群优化(PSO)算法与误差尝试法对比

工程实际上的排流点选择常用误差尝试法(Trial and error)，即在管地电位最高点(或者交流电流密度最大计算值处)设置排流点，排流点可改变电路拓扑结构，可能导致远处管道电位升高。若达不到限值要求，在新的最大值处采取措施，直到所有点满足要求为止。

当公共走廊内的线路电磁影响不变时，研究集中接地接地极不同接地电阻情况下的PSO算法和误差尝试法的效果，如图11所示。

图11 PSO法与误差尝试法防护对比

从图中可以看出，在接地极接地电阻为3～6 Ω范围内，PSO算法相比误差尝试法存在优势，其中接地极接地电阻为4 Ω时，PSO法、误差尝试法排流点个数分别为5个和8个，PSO算法可额外节省37.5%的防护成本。

4 结语

本项目研究了青海750 kV青南-西宁Ⅱ回输电线路对涩宁兰油气管道的电磁影响，计算并分析了稳态下线路在未运行、最大功率正常运行、三相不平衡7%运行时，管地电位最大值分别为9.85 V、12.29 V和16.61 V，其中青宁Ⅱ回正常运行时，拉脊山-日月山公共走廊管道将有部分区段交流干扰达到中等程度，宜采取防护措施。采用粒子群优化算法来研究防护措施，研究了固态去耦合器的配合裸铜带接地、集中接地的排流点优化配置问题。随着接地极接地电阻增加，排流效果下降，需要增加排流点数量来降低交流干扰。将交流干扰程度降低为弱等级只需3个排流点，经过排流后交叉点的交流干扰大幅下降。研究可为工程实践提供技术支持。