±800kV特高压直流输电线路对输油输气管线电磁影响研究

±800kV特高压直流输电线路对输油输气管线电磁影响研究

巨迪，雷小舟

（中国能源建设集团陕西省电力设计院有限公司，西安710054）

摘要：近年来，伴随着中国电力发展步伐不断加快，建设特高压电网成为我国电力工业发展的必由之路。与此同时，电力行业和油气输送行业对传输走廊的择优选择极为相近，使得直流输电线路与输油输气管道接近难以避免，甚或共用走廊，从而造成直流输电线路对管道存在一定的电磁影响，主要包括对人身安全的影响、对管道安全的影响、对管道阴极保护设备的影响以及对管道的直流干扰等问题。本文通过对锦屏~苏南±800kV特高压直流输电线路与输油输气管道交叉跨越情况的计算分析，研究直流输电线路对输油输气管道的电磁影响，判断并验证其是否满足电磁影响安全限值的要求。

关键词：电磁影响；特高压；直流；输油管道；输气管道

1 引言

随着我国电力工业朝着大电网、高电压、高自动化方向发展,高电压直流输电以其输电电压高、输送容量大、损耗小等优点日益广泛的应用于大功率、远距离输电。与此同时，由于电力行业和油气输送行业对传输走廊的择优选择极为相近，使得直流输电线路与输油输气管道接近难以避免，因此直流输电线路对输油输气管道的电磁影响问题日益突出。本文通过对锦屏~苏南±800kV特高压直流输电线路与输油输气管道交叉跨越情况的计算分析，研究直流输电线路对输油输气管道的电磁影响，判断并验证其是否满足电磁影响安全限值的要求。

2 直流输电线路对输油输气管道的电磁影响及其限值

2.1 电磁影响机理

直流输电线路对输油输气管道的电磁影响从机理上可分为感性耦合影响、阻性耦合影响和容性耦合影响三类。

（1）感性耦合：两端直流输电系统主要的运行方式包括：单极大地回线、单极金属回线和双极大地回线三种，其中双极大地回线接线方式是我国直流输电系统通常采用的接线方式。无论是哪一种接线方式，极导线中都会存在不同频率的谐波电流，这些谐波电流将在极导线周围产生交变磁场，该磁场同时存在于空气和大地中。当管道和直流输电线路接近时，交变磁场通过电磁感应，在管道上产生纵向电动势。由于管道金属外壁敷设的防腐层并非绝缘材料，而是具有一定电导率的物质，因此管道与大地之间存在漏电导，纵向电动势作用于管道与大地形成的回路，进一步产生纵向电流和泄漏电流，并在管道防腐层两侧产生电位差，即涂层电压。这种作用方式称为感性耦合影响或磁影响。

直流输电线路无论是正常运行、短路故障还是遭受雷击，均会对埋地管道产生感性耦合影响。

（2）阻性耦合：直流输电线路的铁塔一般设有接地装置。若极导线发生对地短路，一部分短路电流IG会经由铁塔的接地装置（记接地阻抗为ZG）流入大地。铁塔电位为UGmax=IG×ZG。电流在土壤中向无穷远扩散，经过输油输气管道时，管道也会产生一定的电位升，该电位升小于铁塔处的电位升。直流输电线路单极大地运行方式下的大地回流、双极大地运行方式下的不平衡入地电流、短路故障时的入地电流以及遭受雷击时的入地电流均会对埋地管道产生阻性耦合影响。

（3）容性耦合：直流输电线路极导线上施加有高压，其周围存在很强的电场。由于静电感应，管道上会出现很高的对地电位。输油输气管道一般埋于地下，由于大地对低频电场具有很好的屏蔽作用，因此可不考虑容性耦合影响。在对管道进行施工或维修时，管道可能置于地面，根据石油管道部门的行业标准，规定施工或维修时必须对管道进行分段接地，此时亦不存在容性耦合影响。

2.2 电磁影响涉及对象

直流输电线路对管道的电磁影响主要涉及对人身安全的影响、对管道安全的影响、对管道阴极保护设备的影响以及对管道的直流干扰等问题。

（1）对人身安全的影响

当管道不受外界电磁场影响时，管道电位为零。与直流输电线路接近且输电线路正常运行时，极导线谐波电流会通过磁耦合长时间在管道上产生纵向感应电动势，使得金属管道的对地电压升高。若该电压较高，可能影响施工、维修或测量人员的正常工作。

当直流极导线发生短路接地故障时，故障极中短路电流远大于极导线正常运行电流，管道上产生的感性耦合电压大大增加。同时，入地短路电流使得土壤电位升高，并通过阻性耦合进一步影响金属管道的对地电压。此时，如果有操作人员正好接触管道的金属部分，在感性耦合和阻性耦合的综合影响下，其遭受的接触电压可能很高，严重时有可能危及人身安全。

（2）对管道安全的影响

输油输气管道的金属表面会涂敷防腐层，以防止土壤中有害物质腐蚀金属管道，且该防腐层具有较高绝缘电阻。

当直流输电线路发生短路故障或遭受雷击时，短路电流或雷电流通过感性耦合和阻性耦合的综合影响在管道上产生较高的对地电压，可能击穿管道防腐层。

（3）对管道阴极保护设备的影响

在管道上安装阴极保护设备是为了避免在防腐层漏敷及破损处的金属表面发生腐蚀。直流输电线路正常运行时，极导线谐波电流会通过感性耦合在管道上产生干扰电压，可能干扰强制电流阴极保护的恒电位仪和牺牲阳极阴极保护的牺牲阳极的正常工作。

（4）对管道的直流干扰

埋地钢质管道因直流杂散电流造成的腐蚀称为直流干扰腐蚀。干扰腐蚀的穿孔事故在腐蚀穿孔事故中占相当大的比例，干扰腐蚀速度比自然腐蚀速度大很多倍，所以防止干扰腐蚀，在管道防腐保护中占重要的地位。

3 直流输电线路对输油输气管道电磁影响计算模型

3.1直流输电线路工程交叉跨越情况

锦屏~苏南±800kV特高压直流输电线路距离锦屏换流站约400km处，直流输电线路与南干线、付纳线天然气管道共出现三次交叉跨越，输电线路与管线相对位置如图1所示。

图1  直流输电线路与天然气管道相对位置示意图

交叉点1：输电线路与南干线天然气管道交叉跨越，交叉跨越角度40°，交叉点两侧塔脚至管道垂直距离约为54 m和114m，此处土壤电阻率为241Ωm。

交叉点2：输电线路与付纳线天然气管道交叉跨越，交叉跨越角度60°，交叉点附近塔脚至管道垂直距离约为158 m和303m，此处土壤电阻率为297Ωm。

交叉点3：输电线路与南干线天然气管道交叉跨越，交叉跨越角度54°，交叉点附近塔脚至管道垂直距离约为61m和106m，塔位处土壤电阻率为165Ωm。

根据工程经验，该标段内交叉点1和3处有必要考虑输电线路对天然气管道的电磁影响，由于交叉点2处交叉跨越角度较大，且管道交叉跨越输电线路后向远处延伸，因此输电线路对天然气管道的电磁影响可以忽略。

3.2 计算参数

川气东输管道埋深0.8m~1m，管道防腐层为三层PE，防腐层厚度为3mm，钢质管道电阻率为1.66×10-7Ωm，相对磁导率为300，管道防腐层电阻率为105Ωm2。石油管道埋深0.8m~1.5m，管道内径为753.3mm，外径为762mm，管道防腐层为环氧粉末，厚度为0.4mm，管道防腐层电阻率为3×104Ωm2。

向上线每极正常运行电流为4kA，输电能力为6200～6400MW。锦苏线每极正常运行电流为4.5kA，输电能力为7200MW。由锦屏~苏南直流输电系统单极大地回路、单极金属回线以及双极大地回线运行方式下极导线不同频率的谐波电流，可以看出，三种运行方式下的主要谐波频率均为100Hz。向家坝~上海直流输电系统与锦屏~苏南直流输电系统的极导线谐波电流水平大致相同。计算时，雷电流幅值取100kA，波头时间为2.6μs，半波时间为50μs。

3.3CDEGS模型

该计算模型位于锦屏~苏南±800kV特高压直流输电线路距离锦屏换流站约400km处，直流输电线路与川气东输管线出现三次交叉跨越，主要对交叉点1和交叉点3处进行建模计算，搭建CDEGS计算模型如图2所示。选取典型点A、B、C、D和E作为极导线发生接地短路的故障位置。

图2CDEGS计算模型图

4直流输电线路对输油输气管道电磁影响计算结果

4.1线路正常运行时管道干扰电压

通过计算，表1列出了单极大地回路、单极金属回线以及双极大地回线运行方式下计算模型的管道最大干扰电压，计算时极导线谐波电流频率为100Hz。由表可以看出，直流输电系统无论采用上述运行方式中的哪一种，极导线谐波电流在埋地管道上产生的干扰电压最大不超过12.4V，远低于60V的限值要求。

表1 100Hz谐波电流在模型管道上产生的最大干扰电压（V）

4.2线路短路故障时管道干扰电压

通过计算，表2给出了直流输电线路发生接地短路故障时模型不同故障点的管道干扰电压的最大值。可以看出，直流输电线路极导线发生短路故障时在埋地管道上产生的最大干扰电压约为1541V，低于2000V的限值要求。

表2  线路发生接地短路故障时模型管道干扰电压最大值（V）

4.3线路遭受雷击时管道干扰电压

输电线路遭受雷击时会对附近的输油输气管道产生电磁影响。一方面，高幅值的雷电流会沿着架空输电线路向远处传播，并在周围空间产生很强的空间电磁场，从而对输油输气管道产生感性电磁耦合；另一方面，雷电流会通过雷击点两侧的杆塔逐级泄放入地，入地雷电流引起地电位的升高，从而对输油输气管道产生阻性耦合。输电线路遭受雷击时对输油输气管道的电磁影响应包括上述两个方面。目前，在输电线路遭受雷击时对输油输气管道的电磁影响方面，国内外还没有明确的限值要求，特别是在人身安全方面没有相关标准可查。根据石油管道部门提供的数据，三层PE防腐层管道的雷电冲击耐压为109kV，FBE防腐层管道的雷电冲击耐压为28kV。

5 结论与建议

通过对锦屏~苏南±800kV特高压直流输电线路交叉跨越输油输气管道电磁影响的仿真计算，计算结果表明：

（1）直流输电系统采用单极大地回路、单极金属回线和双极大地回线接线方式运行时，

100Hz的极导线谐波电流在埋地管道上产生的最大干扰电压均远低于60V的人体长时间安全电压限值要求；当直流输电系统极导线发生短路故障时在埋地管道上产生的最大干扰电压也低于2000V的人体瞬时安全电压限值要求。

（2）当直流输电系统极导线发生短路故障时在埋地管道上产生的最大干扰电压低于2000V的管道安全电压限值要求；当线路遭受雷击时，杆塔接地结构与埋地管道的实际距离也均满足避让距离要求。

（3）对管道的直流干扰亦满足要求。

参  考  文  献

[1]GB/T 50698-2011 埋地钢质管道交流干扰防护技术标准.

[2]李其生等 1000kV特高压输电线路对地下油气管线的影响[J],电力建设,2011年2月,第32卷 第2期:10-12.

巨迪，1991年8月生，硕士研究生，中国能源建设集团陕西省电力设计院有限公司从事输电线路设计工作。

雷小舟，1987年5月生，硕士研究生，中国能源建设集团陕西省电力设计院有限公司从事输电线路设计工作。