城市地下综合管廊内高压输电线对钢制管道电磁干扰的研究

罗艳龙，李仕力，周少坤，王俊强，王海涛，赵 伟

(中国特种设备检测研究院，北京 100029)

0 前 言

城市地下综合管廊( Urban Underground Comprehensive Pipe Corridors)，全称“城市地下管道综合走廊”，又称综合管沟或共同沟，是建设于城市道路地下空间的构筑物，可容纳包括常见的市政埋地管道以及电力电缆等各种管线的综合构筑物。随着城市化进程的加快、社会经济的发展、城市人口的聚集以及民生需求的增大，城市地下综合管廊的发展非常迅猛。国内第一条城市综合管廊建设于1958 年天安门广场下部，是为了避免管线开挖影响广场使用，全长1 km[1]。自此之后，国内许多城市开建城市综合管廊，已建成的地区包括上海、天津、广州等。2015年4月，中央财政部与住建部共同确定了10个综合管廊试点城市，2016年，继续增加15个试点城市，根据国务院印发《关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见》[国办发〔2015〕61号]的相关要求，到2020年，建成一批具有国际先进水平的地下综合管廊并投入运营[2]，截至目前，国内已建地下综合管廊多达数十个[3]。综合国内外的建设实践经验来看，城市综合管廊的地位得到广泛地认同，建设技术已较为成熟，建设规模也逐渐扩大。通过建设地下综合管廊可以实现城市基础设施现代化、城市资源运输集约化，地下空间达到合理开发利用，已经成为国内外的广泛共识，在城市地下空间综合开发、整合规划中建设综合管廊已成为明显趋势[4]。

李自力等[5，6]、尚秦玉等[7]通过研究高压输电线对埋地管道的电磁干扰影响，发现管道上感应电势随输电线路运行电流的增大而增大，两者基本成线性正比关系，管道规格对感应电势影响不大。蒋俊[8]通过研究埋地管道受高压线电磁干扰影响，发现交流线路正常运行时，在平行敷设的油气输送管道上产生的对地电压在平行段中点为0，在平行段中点至平行段端点间不断增大并在平行段端点达最大值。王世伟等[9]、王帅华[10]研究表明高压输电线路会在带绝缘涂层的金属油气管道上感应出电压和电流。郝宏娜等[11]提出了公共走廊中管道会受到临近高压线干扰造成管道发生交流干扰腐蚀的观点，探讨了交流干扰判断准则[12-14]以及埋地管道与高压线的安全距离。而城市地下综合管廊作为承载多种运输管线的综合体，管廊中管线的安全问题，一直是城市市政建设中的重点关键，也是城市运行过程中重点进行安全防范的对象。电磁干扰作为城市地下综合管廊内管线安全的最大影响因素之一，目前针对这方面的研究几乎空白。本工作通过CDEGS专业分析软件研究了入廊高压输电线对钢制管道电磁干扰的影响因素和规律，以指导城市地下管廊的建设。

1 电磁干扰的机理

在综合管廊内，一条与交流高压输电线共享走廊的金属管道将会被电力系统周围的空气和土壤中的电磁场激励。这种交流干扰可能导致接触这一管线或者与其相连的金属结构的人员有发生电击事故的威胁，甚至是仅仅站在管线附近都有可能产生危险，而且这种干扰可能会损坏管线的外壳、绝缘法兰、整流阀、电子设备，甚至直接损坏管壁。

输电线路与其附近的管线之间的低频电磁干扰基本分为3类[15]：感应、传导和电容耦合，其干扰模型如图1所示。导体中的感应干扰是由于其他导体中的纵向电流感应产生的，与感应源中的电流基本平行，该干扰随着导体间距和夹角的减小而增大，同时也会随着土壤电阻系数减小和感应源电流的增大、频率的增大而增强。当输电线路出现单项接地故障时，故障设备以很大的电流对附近的土壤放电，导致故障点附近土壤电压升高。如果管线的外壁有很高的电阻，那么管线将继续保持一个相对较低的电压。管线与土壤间的电压差就是传导干扰的表现。电容耦合干扰是由于带电的输电线路与其附近没有良好接地的金属导体之间存在电场梯度而产生的。电容耦合干扰对地下和接地的地上管线的影响与由于电压引起的磁场干扰相比可以忽略不计。所以在城市地下综合管廊内管道主要受到感应干扰的影响。

2 仿真模型的建立

在综合管廊中，高压输电线与管道始终并行敷设，孟絮絮[15]通过对高压交流及交直流并行输电线路的电磁环境研究表明，当并行敷设长度大于2 km时，并行长度对电磁干扰的影响趋于稳定。所以本工作设计了一个并行长度2 km的计算模型，管道与高压输电线位置如图2所示。其中管道内半径为r1，外半径为r2，防腐层为3PE，厚度3 mm，防腐层电阻率为105Ω·m2，管道的相对电阻率为10 Ω·m2，相对磁导率为300 μ0。空气电阻率默认为1018Ω·m，土壤/混凝土电阻率默认为100 Ω·m。管道与高压输电线的距离为dclose。

3 仿真计算方法与结果分析

3.1 仿真计算方法

CDEGS软件(Current Distribution，Electromagnetic interference，Grounding and soil Structure Analysis)是加拿大SES安全工程技术公司基于矩量法开发的电力系统电磁干扰仿真计算软件包，能精确地分析包括接地、电磁场、电磁干扰以及阴极保护等一系列问题。采用CDEGS中的HIFREQ模块来计算廊内高压输电线对钢制管道电磁干扰的影响。由于在实际的城市地下综合管廊中，高压输电线对管线的电磁干扰主要受到高压输电线的频率、电压以及管线的规格、管线与高压输电线间的距离等因素的影响，基于国内高压输电线的频率为恒定值50 Hz，所以只研究高压输电线电压、管线的规格以及管线与高压输电线距离3个因素影响下，廊内管线受到高压输电线电磁干扰的变化规律。

3.2 计算结果与分析

3.2.1 高压输电线电压的变化对管道电磁干扰的影响

设定管道规格为φ219.0 mm×12.7 mm，即r1为96.8 mm，r2为109.5 mm，管道与交流输电线之间的距离dclose为4.0 m， 高压输电线电压为10，35，110，220，500 kV时，高压输电线在管道上的感应电压分布如图3所示，感应电流的分布如图4所示。

从图3、图4可以看出，在不同的高压输电线电压下，管道上均存在感应电压和感应电流。感应电压沿着管道先减小后增大，在管道1.05 km位置感应电压最小，两端感应电压最大，呈V字形沿着管道分布。而感应电流沿着管道流先增大后减小，在管道的1.05 km位置感应电流最大，两端感应电流最小，呈抛物线形沿着管道分布。

图5和图6分别为不同高压输电线电压下管道上的最大感应电流和最大感应电压。由图5可知，随着高压输电线电压的增大，管道上的最大感应电压逐渐增大，高压输电线电压从10 kV增大至500 kV时，对应的最大感应电压从3.6 V增大到18.0 V。从图6可知，随着高压输电线电压的增大，管道上的最大感应电流也逐渐增大，高压输电线电压从10 kV增大至500 kV时，对应的最大感应电流从23 mA增大到112 mA。

3.2.2 管道与高压输电线之间的距离对管道电磁干扰的影响

设置管道规格为φ219.0 mm×12.7 mm，即r1为96.8 mm，r2为109.5 mm，高压输电线的电压为10，110，220，500 kV，管道与交流输电线之间的距离dclose为0.8，1.2，2.0，4.0，7.0，10.0，15.0 m时，管道上最大感应电压和感应电流的变化分别如图7和图8所示。从图7和图8可以看出，随着距离的增大，最大感应电压和最大感应电流逐渐减小。当距离小于4.0 m时，曲线较陡，感应电压和感应电流对距离比较敏感；而当距离大于4.0 m时，曲线变得比较平缓，感应电压和感应电流随着距离的增大缓慢减小。

3.2.3 管道规格的变化对管道电磁干扰的影响

设置计算工况为高压输电线的电压分别为10 kV和500 kV，管道与交流输电线之间的距离为4.0 m，管道规格参数如表1所示，管道上最大感应电压和最大感应电流的变化趋势如图9所示。从图9可以看出，随着管道规格的变化，最大感应电压和最大感应电流基本不变。

表1 管道规格参数Table 1 Pipe specifications

3.2.4 土壤电阻率对管道电磁干扰的影响

设置计算工况为高压输电线的电压为10 kV和500 kV，管道与交流输电线之间的距离为4.0 m，管道规格为φ219.0 mm×12.7 mm时，管道上最大感应电压和最大感应电流随土壤电阻率的变化趋势如图10所示。从图10可以看出，随着土壤电阻率的增大，管道上最大感应电压逐渐增大，最大感应电流先增大后维持稳定。

3.2.5 防腐层电阻率对管道电磁干扰的影响

设置计算工况为高压输电线的电压为10 kV和500 kV，管道与交流输电线之间的距离为4.0 m，管道规格为φ219.0 mm×12.7 mm时，管道上最大感应电压和最大感应电流随防腐层电阻率的变化趋势如图11所示。从图11可以看出，当防腐层电阻率小于10 000 Ω·m2时，最大感应电压随着土壤电阻率的增大逐渐增大，当防腐层电阻率大于10 000 Ω·m2时，感应电压随防腐层电阻率的增大趋于稳定。最大感应电流随着防腐层电阻率的增大先快速减小，后缓慢减小。

4 结 论

(1)当高压输电线电压为10，35，110，220，500 kV时，管道上均存在感应电压和感应电流。管道上最大感应电压、最大感应电流均随着高压交流输电线电压的增大而增大，即高压输电线电压越大，对管道的电磁干扰越强。

(2)随着土壤电阻率的增大，管道上的感应电压和感应电流均增大。管道上最大感应电压随着土壤电阻率的增大逐渐增大，最大感应电流随着土壤电阻率先增大后维持稳定。

(3)防腐层电阻率较小时，管道上的最大感应电压随防腐层电阻率增大而增大，最大感应电流随防腐层电阻率的增大而快速减小，当防腐层电阻率达到一定值时，管道上最大感应电压趋于稳定，最大感应电流缓慢减小。所以选择高电阻率的防腐层可以抑制管道受电磁干扰的影响。

(4)管道上感应电压和感应电流随着高压交流输电线与管道之间距离的增大而减小，但是减小速率先快后慢，即出现临界距离，小于临界距离时管道上感应电压和感应电流对于距离的变化比较敏感，大于临界距离时，感应电压和感应电流随着距离的变化趋于稳定。掌握这一临界距离对管廊设计和建设具有重要的工程指导意义，合理的设计管道与高压输电线之间的距离可以从根本上控制管道由于电磁干扰而造成的破坏。