海底电缆对海底管道交流干扰试验研究

卫 宪,杨 岭,朱 艳,王 巍,赵开龙

1.天津大学建筑工程学院,天津 300072

2.中国石油天然气股份有限公司大港赵东作业分公司,天津 300457

3.中国石油集团工程技术研究有限公司,天津 300451

随着海上石油平台通讯、供电等设施的快速发展，海底电缆的需求不断增加，由此导致海底电缆与海底管道在长距离范围内形成并行或者交叉的情况[1-2]，海底电缆会对临近的金属海底管道产生交流电磁干扰，使得海底管道产生感应电压，并由此造成海底管道的杂散电流干扰越来越严重，进而有可能破坏海底管道的防腐层甚至威胁作业人员安全[3-9]。

目前，海底电缆对海底管道的交流干扰研究多停留在仿真研究阶段[10-12]。本文搭建真实海洋工况环境，根据海底电缆与海底管道在长距离范围内并行或交叉等实际工况，设计海底电缆与海底管道在不同距离、不同角度下的多组试验工况，试验结果可为相关工程的设计与整改提供参考依据。

1 试验系统搭建

1.1 海洋环境电气特性

1.1.1 海洋环境模拟池

海洋环境模拟池可以模拟海底电缆和海底管道运行的真实海洋环境，选择于青岛海洋工程水下设备检测有限公司测试池搭建海洋环境模拟池，该模拟池尺寸为6 m×6 m×6 m，灌装海水50 m3，灌装后池内海水深度1.4 m左右。海洋环境模拟池如图1所示。

图1 海洋环境模拟池

1.1.2 海底管道

试验海底管道长度为4.1 m，管道两端分别焊接1根导线，标记为测试点1、测试点2。图2所示为经处理后的海底管道实物图。待测海底管道两侧分别连接长度为12 m的测试线，采用铝热焊工艺进行焊接，并做防水处理，焊接点的载流能力与导线的载流能力相等，不会增加电阻率。

图2 海底管道处理效果

1.1.3 三相大电流发生器

三相大电流发生器为试验系统提供不同等级的电流输出，型号为HXDG-500A，输入电压等级380 V，输出电流为0～500 A，见图3。

图3 三相大电流发生器实物

1.2 试验系统搭建

搭建的试验系统如图4所示，主要包括三相大电流发生器、海洋环境模拟池、海底电缆、海底管道、阴极保护系统、参比电极、测量系统等设备或设施。

图4 试验系统结构

三相大电流发生器输入AC380 V三相交流电，将海底电缆连接至三相大电流发生器的电流输出环路并平铺至海洋环境模拟池，平铺后的海底电缆整体呈“U”形，处理后的海底管道放置于海底电缆之上，测试线连接至测试箱上。将参比电极与牺牲阳极放置到海洋环境模拟池内，且需靠近海底管道侧。

1.3 试验步骤

为模拟某工程实际中的海底电缆与海底管道在长距离范围内的并行与交叉工况，改变海底管道与电缆交叉的角度和距离，交叉角度选取0°、30°、45°、60°、90°，在选取的每个角度下分别测试距离为0、5、10、15、20、25、30、50 cm时，海底管道在海底电缆瞬态以及稳态时的感应电压。分为以下几个试验步骤。

（1）通电前需检查系统连接是否正常。

（2）三相大电流发生器输出电流设定为A、B、C三相75 A，进行稳态工况试验。

（3）海底电缆与海底管道之间距离为0 cm。

（4）设置海底电缆与海底管道之间的交叉角度为0°。

（5）使用万用表交流档位分别测试测试点1、测试点2与参比电极之间的交流电压。

（6）设置海底电缆与海底管道之间的交叉角度为30°、45°、60°、90°，重复步骤（5）～（6），并做好数据记录。

（7）海底电缆与海底管道之间距离为5、10、15、20、25、30、50 cm时，重复步骤（4）～（6），并做好数据记录。

（8）三相大电流发生器输出电流设定为A、B、C三相500 A，进行瞬态工况试验。

（9）重复步骤（3）～（7），并做好数据记录。

2 数值计算及分析

2.1 瞬态工况数值分析

试验系统所述瞬态工况主要用于模拟海底电缆在实际运行过程中发生对地短路故障时的情况，设置大电流发生器输出电流额度为500 A。依据本文1.3节所述步骤进行试验并记录试验数据，绘制曲线图，限于文章篇幅，以测试点1为例，只对部分工况进行分析。

2.1.1 角度固定

图5为海底管道与海底电缆相对角度分别为0°、30°、60°、90°时，海底管道与海底电缆之间的距离与感应电压之间的关系曲线。

图5 海底管道瞬态工况感应电压

2.1.2 距离固定

图6为海底管道与海底电缆相对距离分别为0、20、30、50 cm时，海底管道与海底电缆之间的交叉角度与感应电压之间的关系曲线。

图6 海底管道瞬态工况感应电压

2.2 稳态工况数值分析

试验系统所述稳态工况主要用于模拟海底电缆的正常运行工况，设置大电流发生器输出电流额度为75 A。依据本文1.3节所述试验步骤进行试验并记录试验数据，进行数据分析。

2.2.1 角度固定

图7为海底管道与海底电缆相对角度分别为0°、30°、60°、90°时，海底管道与海底电缆之间的距离与感应电压之间的关系曲线。

图7 海底管道稳态工况感应电压

2.2.2 距离固定

图8为海底管道与海底电缆相对距离为0、20、30、50 cm时，海底管道与海底电缆之间的交叉角度与感应电压之间的关系曲线。

图8 海底管道稳态工况感应电压

3 结论

通过试验数值分析，可以得出如下结论。

（1）海底管道在瞬态工况下的感应电压远高于在稳态工况下的感应电压，即相邻海缆的额定电流越大，临近管道产生的感应电压就越大。

（2）海底管道产生的感应电压和海底管道与海底电缆的夹角成反比，即角度越大，临近管道产生的感应电压越小。

（3）海底管道产生的感应电压和海底管道与海底电缆的距离成反比，即距离越大，临近管道产生的感应电压越小。

（4）在海底电缆正常运行时（试验稳态工况下），最大的测试感应电压为0.005 9 V，在海底电缆短路运行时（试验瞬态工况下），最大的测试感应电压为0.038 4 V。两种工况状态下感应电压均远低于GB/T 50698—2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》中4 V的标准，即无交流干扰风险。