架空输电线路与金属管道的电磁耦合计算

2020-05-27吕智

通信电源技术 2020年6期

吕智

（中石化江汉石油工程设计有限公司，湖北武汉 430000）

0 引言

我国对于电力和能源的需求逐渐增大，电力和油气输运在全国大范围展开[1-3]。由于我国土地资源有限，高压输电线路和输油输气管道经常面临同走廊并行架设和交叉跨越的状况[4]。电流在输电线路中三相交替变换会在邻近管道上产生电磁感应电压，该电磁感应现象轻则使管道长期产生感应电动势削弱管道的安全性和可靠性，重则危及作业人员的生命[5-6]。因此围绕输电线路对金属管道的影响规律展开研究十分必要。

本文建立架空输电线路对金属管道的电磁干扰模型，通过对不同电压等级、并行长度和并行间距的管线干扰特征进行对比，探究架空线路对金属管道的电磁干扰的特征规律。

1 电磁干扰模型的建立

当管道与输电线路平行时，管道与输电线路的位置如图1 所示。A、B、C 三相交流架空线路距离地面H1，两条地线位于三相输电线上方H2，H1和H2分别为25 m 和5 m。改变埋地金属管道的y 轴坐标可改变它与输电线路的距离。本部分分别探讨了输电线路的载流量、输电线路与金属管道的并行长度以及并行距离对金属管道感应电压的影响规律。

在仿真模型中，空气电阻率和土壤电阻率分别为1018Ω·m 和100 Ω·m，温度为25℃天气晴，海拔高度为0 m。本仿真研究中架空线路的额定电压分别为33 kV、66 kV 和132 kV，电流分别为445 A、926 A、1 200 A。输电线路的导线和地线参数如表1 所示。

图1 管道与输电线路位置示意图

表1 交流输电线路的导线和地线

管道选用10 英寸API-5L X52 钢管道，导体外半径为273 mm，导体内半径为259 mm，其主体的相对电阻率和相对磁导率分别为10 和300。管道防腐层使用的是3 层聚乙烯材料，其电阻率是5 000 Ω·m，厚度是8 mm，管道埋地深度为2.5 m 。

2 耦合计算分析

2.1 不同运行电压等级下管道的感应电动势

仿真得到载流量为445 A、926 A 和1 200 A 时，管道与架空线路并行1 000 m 时的管道感应电动势和纵向电流，如图2 所示。当架空输电线路与埋地金属管道并行时，由于架空线路交变电磁的存在，管道上会产生沿长度方向的感应电压和电流，电压呈现对称折线分布特点，沿管道长度方向先减小后增大，正中间为电压最低点。而管道产生的纵向电流则与电压特点相反，沿管道长度方向先增大后减小，具有开口向下的抛物线的几何特点，最大值出现在管道的正中心位置。我国国家相关标准规定管道电压应控制在4 V以内，否则需采取对应的防护措施，图2 中输电线路电流为1 200 A 的管道电压明显与国家标准要求不符，威胁输电及管道的安全性，需要加以重视。

图2 不同载流量下管道产生的感应电压和电流分布情况

2.2 管道与架空线路水平间距的影响

以线路电压为132 kV，电流为1 200 A 为例，当埋地金属管道与线路并列运行的长度为1 000 m 时，改变两者的中心距离，得出在不同水平间距情况下，计算所得管道上所产生的感应电压与纵向电流的最大值如表2 所示。

根据表2 可以画出并行间距与管道上最大电压和电流的关系曲线，如图3 所示。当管道与线路并行长度为1 000 m 时，随着管道与架空线路水平中心距离的逐渐增大，管道上最大感应电压沿管道伸长方向先增大再逐渐减小，最终趋于稳定，电流与电压趋势基本一致。当管道距离线路中心水平距离大约为30 m 时，感应电压和电流均达到最大值，随着间距的再次延长，管道的最大电压和电流均同步迅速降低，但随着平行间距的增大管道最大电压与最大电流的减小速度逐渐减慢。当管道与输电线路的间距达到一定值时，管道上的感应值趋于恒定，再增大管道与输电线路的距离来减小感应电压的效果显著程度明显较低。

表2 线路与管道间距的影响

图3 并行间距与管道上最大电压和电流的关系

2.3 管道与架空线路并行长度的影响

当管道与架空线路中心水平距离为10 m 时，改变管道与线路的平行长度值，得出在该值改变的情况下，管道上所产生的感应电压与电流最大值，数据如表3所示。

表3 线路与管道并行长度的影响

根据表3 可以画出管道电压和电流与并行长度之间的关系曲线，如图4 所示。

图4 并行长度与管道上最大电压和电流的关系

由表3 和图4 可知，随着线路与金属管道平行运行长度的增加，管道上产生的电磁感应电压在2 000 m以内随之骤增，然后有微弱减小，最终趋于稳定。即使并行长度再进一步增大，管道感应电压也几乎不变。当并行长度为2 000 m 左右时，管道上的感应电压达到最大值。管道上感应电流的变化趋势与电压变化特点基本保持一致。因此，即使架空线路与邻近的金属管道并行长度很长，并不意味着对管道造成的干扰也越严重。