220 kV海缆对海底管道电磁干扰分析及评估

徐 伟 李泊静 高 媛 田念佩 梁 毅 杜艳霞

(1. 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 广东广州 510663； 2. 北京科技大学 新材料技术研究院 北京 100083)

近年来，随着中国海上油气开发力度的加大，海底电缆得到了大规模敷设。由于地理位置的限制，不可避免地出现海缆与海底管道平行接近或交叉跨越的情况，形成长距离共用走廊带，从而使海管受到电力系统的交流干扰[1-4]。交流干扰可能造成管道腐蚀穿孔，甚至引发爆炸事故[5]。此外，交流干扰也严重威胁下水作业人员的安全。目前，国内外已有相关学者利用电磁干扰模拟软件对管道交流干扰进行了预测评估[6-9]。胡家元 等[10]采用CDEGS软件对某500 kV交流海缆对邻近原油管道电磁干扰风险进行了模拟评估，结果表明海缆正常运行时，管道最大干扰电压为0.063 V、电流密度9.36 A/m2，符合安全规定；白锋 等[11]利用CDEGS软件对某埋地油气管道与1 000 kV特高压交、±800 kV特高压直流输电线路均有交叉跨越和平行接近情况进行了仿真分析，结果表明特高压交、直流输电线路同走廊时，邻近管道上的电磁影响主要由交流线路引起，交流输电线路在管道上产生的对地电压约为2.016 V。祝贺 等[12]研究了1 000 kV特高压交流输电线路对陆地管道的稳态电磁干扰，结果表明在间距较近位置，对地电压约达66 V。李平 等[13]通过数值模拟研究了海缆和陆上换流站的杂散电流对海底管线的干扰程度，该海缆正常运行输送电流约530 A，二者并行间距80～730 m，得出故障工况下接触电压最大值为1 633.5 V。

由于海缆是近年才得以迅猛发展，现阶段针对高压输电工程交流干扰的研究多是围绕陆上输电线路开展，还鲜有针对海缆对海底管道的交流干扰影响方面的研究。此外，故障工况下电流在海水中的传输途径与陆上土壤中传输途径也截然不同。因此，随着海洋输电工程的发展，亟待开展海缆对海管的影响方面的研究。本文针对中国海油某油田群岸电工程项目，利用CDEGS电磁干扰模拟软件对拟建高压交流海缆对临近海底管道交流干扰风险进行评估，并参考GB 16636—2008标准和GB/T 13870.1—2008标准，提出人员下水作业安全防护建议，从而为新建海缆布局及相关人员下水作业安全防护提供参考及建议。

1 分析模型及评估标准

1.1 分析模型

中国海油某岸电工程项目涉及2条待敷设海缆及2条海底管道。海缆1与海管P1并行约70 km，且海缆1与海管P2下端存在交叉；海缆2与海管P2并行约45 km，且在下端有交叉(图1，该图为海缆布局俯视图)。2条海管材质均为API 5L X52，防腐层为3PE，海管主要参数见表1。

图1 某岸电工程项目高压交流电缆与海底管道的几何模型Fig.1 Geometric model of high-voltage AC cables and submarine pipelines used in a shore power engineering project

表1 某岸电工程海底管道主要参数Table 1 Main parameters of the subsea pipelines used in a shore power engineering project

2条拟敷设的交流220 kV海缆均为三芯海缆(图2)。2条海缆导体规格不同，海缆1、2额定载流量分别为761、499 A，单相短路电流最大值分别为4 488.0、6 433.9 A，电流不平衡度均为4%。海缆在两端存在接地网，接地形式为铅套三相互联直接接地及铠装直接接地，铅套和铠装接入同一接地网。电缆结构参数见表2。海底管道沿线环境从上到下分别为海水层和海泥层。其中，海水层深度约27.015 m，海泥层厚度设置为无穷大，海水层、海泥层电阻率分别为0.199 5、1.29 Ω·m。

图2 三芯电缆结构Fig.2 Structure of three core cable

表2 海缆结构参数Table 2 Structural parameters of submarine cable

1.2 评估标准

1) 稳态运行工况下的交流干扰风险评判指标。

根据国际交流腐蚀评判标准ISO 18086-2019[14]及NACE SP 21424-2018[15]，以交流电流密度作为交流干扰腐蚀风险的评判指标，交流干扰腐蚀风险弱、中、强3个等级所对应的交流电流密度分别为小于30 A/m2、30～100 A/m2、大于100 A/m2。

2) 故障工况下的防腐层耐受电压评价指标。

本次计算模型中海底管道涂层采用3PE涂层，因此发生故障时，依据Std.80 标准中规定的100 000 Ω·m2面电阻率的防腐层安全耐受电压为10 000 V。

3) 人身安全评价指标。

参考GB 16636—2008[16]和GB/T 13870.1—2008[17]分别获得了海水环境下的人身安全电流限值及人体阻抗，通过计算得到稳态运行工况和故障工况下，人身安全电场强度限值分别为2.5、14 V/m。

2 稳态工况下电磁干扰影响规律分析及风险评估

海管临近海缆线路时，会因感性耦合和阻性耦合等产生感应电压。海管表面防腐蚀层破损点位置处基体裸露并与周围介质相接触，管道上感应电压会在破损点处产生较大的泄漏电流，从而引发腐蚀。为了合理布局新建海缆，须探究不同海缆与海管间距下，海缆对海管电磁干扰影响以及对下水作业人员人身安全风险的影响。

2.1 海缆与海管间距对海管交流干扰的影响

1) 海管P1。

海缆1与海管P1并行长度约70 km，将海缆1和海管P1间距分别设为10、30、50、70、90、100、150 m(由于海缆与海管埋深处水深相近，二者的间距特指二者的平面距离，余同)，计算得到不同间距下海管P1所受交流干扰电压和交流电流密度情况(图3)。可以看出，海管P1所受交流干扰电压和交流电流密度随着二者间距的增大而减小，当海缆1与海管P1的间距为10 m时，在海管P1与海缆1并行的起点与终点位置出现交流干扰电压与交流电流密度的峰值点，最大交流干扰电压为0.140 V，最大交流电流密度达到155.5 A/m2，海管P1交流干扰腐蚀风险达到强等级(电流密度大于100 A/m2)，存在较大的交流腐蚀风险，其中交流电流密度超过30 A/m2的海管长度达42.6 km；当海缆1与海管P1的间距为30 m时，最大交流干扰电压为0.064 V，最大交流电流密度达到72.8 A/m2，交流干扰腐蚀风险达到中等级(电流密度30～100 A/m2)，存在一定的交流腐蚀风险，其中交流电流密度超过30 A/m2的海管长度为8.31 km；当二者间距为50 m时，最大交流干扰电压为0.037 V，最大交流电流密度为41.9 A/m2，仍存在一定的交流腐蚀风险，其中交流电流密度超过30 A/m2的海管长度为2.31 km；直到海缆1与海管P1的间距增大至70 m，海管P1全线所受交流电流密度均降至交流干扰腐蚀低风险等级(小于30 A/m2)标准以下，此时最大交流干扰电压和交流电流密度分别为0.024 V、26.7 A/m2；当海缆1与海管P1的间距增大至100 m时，海管P1的最大交流干扰电压和交流电流密度分别为0.013 V和14.8 A/m2。

图3 海缆1与海管P1的间距对海管P1交流干扰程度的影响Fig.3 Influence of distance between submarine cable 1 and pipeline P1 on AC interference degree of pipeline P1

进一步研究不同间距下海管P1峰值交流电流密度分布情况(图4)。可以看出，随着海缆与海管间距的增加，管道上峰值交流电流密度降低。海缆实际敷设过程中，因施工工艺的限制，海缆实际敷设方位可能与路由有数米的偏差。此外，考虑工程应用所需裕度，因此，实际工程应用时，推荐海管P1与海缆1安全间距取100 m。

2) 海管P2。

海缆2与海管P2并行长度约45 km，将海缆2和海管P2保持登陆端与平台处的相对位置不变，中间部位的间距分别设为10、24、28、30、32、36、50、100、150 m，计算分析不同间距情况下的交流干扰风险(图5)。可以看出，海管P2的交流干扰程度随海缆2与海管P2间距的增大而减小，当海缆2与海管P2的间距为10 m时，海管P2最大交流干扰电压为0.055 V，最大交流电流密度达到61.7 A/m2，海管全线交流电流密度均超过交流干扰腐蚀低风险等级30 A/m2的限值；当并行间距为24 m时，海管P2全线最大交流干扰电压为0.030 V，最大交流电流密度为34.0 A/m2，其中交流电流密度超过30 A/m2的海管长度为10.5 km；当间距增至30 m时，海管P2全线最大交流干扰电压为0.025 V，最大交流电流密度为28.2 A/m2，略低于标准要求的30 A/m2；当海缆2与海管P2的间距增大至100 m时，海管P2全线最大交流干扰电压为0.005 2 V，最大交流电流密度为5.85 A/m2。

图4 海缆1与海管P1不同间距下海管P1峰值交流电流密度Fig.4 Peak AC current density of submarine pipe P1 under different spacing between submarine cable 1 and submarine pipe P1

图5 海缆2与海管P2的间距对海管P2交流干扰程度的影响Fig.5 Influence of distance between submarine cable 2 and pipeline P2 on AC interference degree of pipeline P2

不同间距下海管P2峰值交流电流密度分布情况如图6所示。可以看出，与海管P1相似，随着海缆与海管间距的增加，管道P2上峰值交流电流密度降低。根据稳态工况下的数值模拟计算结果并考虑实际工程的设计裕量，推荐海缆2与海管P2的安全间距取50 m。

图6 海缆2与海管P2不同间距下海管P2峰值交流电流密度Fig.6 Peak AC current density of submarine pipe P2 under different spacing between submarine cable 2 and submarine pipeline P2

对比海管P1、P2所受电磁干扰程度，当海缆与海管间距相同时，相较海管P1，海管P2的受干扰程度明显降低。主要有两方面原因:一是海管P2与海缆2并行的长度为45 km，仅为海管P1与海缆1并行长度(70 km)的64%，海缆与海管并行长度越短，海底管道受交流干扰程度越低；二是海缆1和海缆2负载电流不同，海缆1负载电流(761 A)远大于海缆2的负载电流(499 A)，负载电流越高，海管受交流干扰程度也越高。

2.2 人身安全风险评估

参考GB 16636—2008标准和GB/T 13870.1—2008标准，稳态工况下人身安全电场强度限值为2.5 V/m。通过数值模拟计算得到稳态运行工况下，海缆与海管不同并行间距下，海管P1、P2的最大接触电压(表3)。可以看出，海管P1、P2的最大接触电压分别为0.140、0.055 V。若下水作业人员手臂到海管距离为1 m，计算得到人与海管电场强度最大值分别为0.140、0.055 V/m，低于稳态工况下人身安全电场强度限值，人员安全事故风险较低。

表3 稳态运行工况下不同海缆与海管间距下海管最大接触电压Table 3 Maximum contacting voltage of subsea pipelines with different distances between submarine cable and pipeline under steady operation conditions

3 故障工况下电磁干扰风险评估

针对海缆1与海管P1推荐的安全间距100 m，海缆2与海管P2的安全间距50 m，开展海缆单相短路故障工况下海缆对海管的干扰模拟分析。

1) 海管P1。

假设海缆1在A、B、C、D等4处位置(图7)发生单相短路故障，构建故障工况下的数值模型，计算海缆1在上述位置发生单相短路故障时海管P1遭受的干扰情况(图8)。可以看出，在单相短路故障工况下，海管P1接触电压和防腐层耐受电压峰值均出现在故障点处。当海缆1在C位置即海缆中点处发生故障时，其接触电压与防腐层耐受电压峰值最大，分别为76.3、75.7 V。在所计算的4个故障位置下，海管P1接触电压和防腐层耐受电压峰值的最小为41.2 V。可见，当发生单相短路故障时，防腐层耐受电压远低于规定的安全耐受电压限值，防腐层击穿风险较小。而距海管P1 1 m的电场强度为41.2 V/m，高于全身浸没环境下规定的人身安全电场强度(14 V/m)。因此，建议相关人员在海缆1发生单相短路故障情况时，下水作业须采取全套安全防护。

注：A为距海缆1起点2.8 km处；B为海缆1左端拐点处，距起点约12 km；C为海缆1中间处，距起点约40 km；D为距海缆1终点3 km处图7 海缆1单相短路故障位置示意图Fig.7 Schematic diagram of single-phase short-circuit fault location of submarine cable 1

图8 海缆1单相短路故障工况下不同故障位置对海管P1的干扰影响Fig.8 Interference of different fault locations to subsea pipeline P1 under single-phase short-circuit fault condition of submarine cable 1

2) 海管P2。

同理，假设海缆2在E、F、G、H等4处位置(图9)发生单相短路故障，构建故障工况下的数值模型，计算海缆2在上述位置发生单相短路故障时海管P2遭受的干扰情况(图10)。可以看出，单向短路故障工况下，海管P2接触电压和防腐层耐受电压峰值均出现在海缆2拐点F、G处。当在F位置即海缆2上端拐点处发生故障时，海管P2接触电压与防腐层耐受电压最大，值分别为226.9、224.3 V。在所计算的4个故障位置下，海管P2接触电压与防腐层耐受电压的最小峰值为55.6 V。可见，当海缆2发生单相短路故障时，海管P2防腐层耐受电压远低于规定的安全耐受电压限值，防腐层击穿风险较小。而距海管P2 1 m的电场强度高于全身浸没环境下规定的人身安全电场强度(14 V/m)，因此，建议相关人员在海缆2发生单相短路故障情况时，下水作业须采取全套安全防护。

注：E为海缆2起点处；F为海缆2上端拐点处，距起点约12 km；G为海缆2下端拐点处，距终点约4 km；H为海缆2终点处图9 海缆2单相短路故障位置示意图Fig.9 Schematic diagram of single-phase short-circuit fault location of submarine cable 2

图10 海缆2单相短路故障工况下，不同故障位置对海管P2的干扰情况Fig.10 Interference of different fault locations to subsea pipeline P2 under single-phase short-circuit fault condition of submarine cable 2

4 结论

1) 海缆稳态运行工况下，海管的受干扰程度随着海缆和海管间距的增大而降低。根据稳态工况下的数值模拟计算结果并结合实际岸电工程情况及设计裕量，推荐海缆1与海管P1的安全间距为100 m，海缆2与海管P2的安全间距为50 m；在该安全间距下，海管最大电场强度小于GB 16636—2008和GB/T 13870.1—2008规定的人身安全电场强度限值(2.5 V/m)，人员安全事故风险较低。

2) 单相短路故障工况下，海管P1、P2的防腐层耐受电压低于标准规定的理想3PE防腐层耐受电压值，防腐层击穿风险较小；而距海管1 m的电场强度高于全身浸没环境下规定的人身安全电场强度(14 V/m)，建议操作人员下水作业时，采取充分的绝缘防护措施，以免发生触电危险。