李國慶，黃金龍，杜 巍，趙靜宜

(1.遼河油田建設(shè)工程公司，遼寧 盤錦 124012；2. 中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長春 130021；3.中國能源建設(shè)集團(tuán)遼寧電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司，沈陽 110179)

目前，我國高壓、特高壓輸電線路走廊資源日趨緊張，與其同期大規(guī)模發(fā)展的地埋油氣管線的交叉及鄰近情況不斷增加，對地埋管線的影響問題愈加突出，不容忽視。高壓直流輸電線路對地埋油氣管線的電磁影響機(jī)理包括感性耦合、阻性耦合和容性耦合三個(gè)方面[1]，可能產(chǎn)生的電磁影響主要有兩個(gè)方面：一是高壓線路系統(tǒng)發(fā)生接地短路故障或受到雷擊或時(shí)在地下金屬管線上出線的瞬態(tài)電磁影響；二是長期存在的導(dǎo)線諧波電流以及持續(xù)直流電壓對地下金屬管線的穩(wěn)態(tài)電磁影響。這兩類影響可能威脅管道作業(yè)人員的人身安全，擊穿金屬管道的絕緣防腐層，反擊金屬管道的陰極保護(hù)設(shè)備，或?qū)е陆饘俟艿赖闹绷鞲g。

1 電磁影響機(jī)理

1.1 感性耦合

圖1 特高壓直流線路上電流時(shí)域波形

兩端直流輸電系統(tǒng)主要的運(yùn)行方式包括：單極大地回線、單極金屬回線和雙極大地回線3種，其中雙極大地回線接線方式是我國直流輸電系統(tǒng)通常采用的接線方式。圖 1 為直流線路上的電流時(shí)域波形[2]，在直流電流的基礎(chǔ)上，還疊加有一非正弦的周期信號，即諧波電流。無論是哪一種接線方式，極導(dǎo)線中都會(huì)存在不同頻率的諧波電流，致使線路直流極導(dǎo)線附近的空氣以及大地中產(chǎn)生了交變磁場。地下油氣管道穿過該磁場時(shí)會(huì)形成縱向電動(dòng)勢。一般來說管道金屬外壁的防腐層材料都具有一定的電導(dǎo)率，并非完全絕緣，此時(shí)大地與管道之間便自然產(chǎn)生電位差形成回路，泄漏電流和縱向電流由此產(chǎn)生，管道防腐層兩側(cè)出現(xiàn)的電位差被稱為“涂層電壓”。此種影響即稱作感性耦合影響。

直流輸電線路無論是正常運(yùn)行、短路故障還是遭受雷擊，均會(huì)對埋地管道產(chǎn)生感性耦合影響。

1.2 阻性耦合

在高壓直流線路運(yùn)行過程中，可能發(fā)生某些原因?qū)е碌臉O導(dǎo)線對地短路的故障情況，此時(shí)短路電流(Ig)會(huì)有一部分通過接地點(diǎn)附近桿塔的接地體(接地電阻Zg)向大地泄流。此時(shí)，桿塔電位可表示為Ugmax=Ig×Zg。如果地埋油氣管線經(jīng)過短路點(diǎn)附近，管線將同樣產(chǎn)生小幅電位升。圖2為鐵塔附近地表電位的衰減示意圖，實(shí)際電位分布會(huì)由于管道的存在而出現(xiàn)一定的畸變[2]。

阻性耦合影響主要出現(xiàn)在以下幾種工況：單極大地回路運(yùn)行方式(大地回流)、雙極大地運(yùn)行方式下不平衡電流、短路故障時(shí)的入地電流以及受到雷擊時(shí)的入地電流。

圖2 輸電線路鐵塔附近地表電位衰減示意圖

1.3 容性耦合

高壓直流線路極導(dǎo)線周邊伴隨著很強(qiáng)的感應(yīng)電場，管道鄰近時(shí)還將出現(xiàn)較高的對地電位。大地本身可對該型低頻感應(yīng)電場進(jìn)行有效屏蔽，可見地埋的油氣管線可忽略容性耦合影響。當(dāng)管線位于地面以上時(shí)，一般多出現(xiàn)在施工或局部維修的情況，此時(shí)根據(jù)相關(guān)規(guī)定，一般都要求將管道進(jìn)行分段接地處理，因此也不存在容性耦合影響。

2 電磁影響涉及對象

2.1 人身安全

當(dāng)?shù)芈裼蜌夤芫€與高壓直流線路接近時(shí)，受前述感性耦合的影響金屬管道的對地電壓將升高。當(dāng)該電壓幅值較高時(shí)，將會(huì)影響施工維護(hù)等正常作業(yè)下人員的安全。

此外，當(dāng)直流線路導(dǎo)線短路接地時(shí)，由于短路電流要較正常運(yùn)行電流幅值大幅增加，會(huì)導(dǎo)致金屬管線的感性耦合電壓以及短路點(diǎn)附近大地電位大幅上升，此時(shí)，當(dāng)操作人員接觸到油氣管線的金屬部分時(shí)，在感性耦合和阻性耦合的共同作用下，很可能會(huì)對操作人員人身安全造成嚴(yán)重威脅。

2.2 管道安全

一般來說，油氣管線的金屬外表面會(huì)涂敷防腐層，以防止土壤中有害物質(zhì)腐蝕金屬管道，且該防腐層具有較高絕緣電阻。

當(dāng)高壓直流線路短路故障接地或受到雷擊時(shí)，感性耦合以及阻性耦合共同作用下產(chǎn)生的短路電流或雷電流將導(dǎo)致管道產(chǎn)生較高的對地電壓升，幅值達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)將直接擊穿防腐層。

2.3 管道陰極保護(hù)設(shè)備

高壓直流線路正常運(yùn)行工況下，導(dǎo)線諧波電流受前述感性耦合的作用會(huì)在管道上產(chǎn)生一定幅值的干擾電壓，直接影響管道上加裝的陰極保護(hù)設(shè)備正常工作，將導(dǎo)致局部防腐層損壞處金屬表面的快速腐蝕。

2.4 對管道直流干擾腐蝕

埋地鋼質(zhì)管道因直流雜散電流造成的腐蝕稱為直流干擾腐蝕。在我國較長的東北原油管道系統(tǒng)，有埋地鋼質(zhì)管道2 000余km，其中受到直流干擾的管段約5%。管道運(yùn)行20余年來，共發(fā)生腐蝕穿孔事故40起，其中80%是由于干擾腐蝕造成的。這些都足以說明干擾腐蝕的穿孔事故在腐蝕穿孔事故中占相當(dāng)大的比例。干擾腐蝕速度比自然腐蝕速度大很多倍，所以防止干擾腐蝕，在管道防腐保護(hù)中占有重要地位。

3 對管道的電磁影響限值

直流線路對油氣管道的影響本質(zhì)來源于電磁干擾，應(yīng)通過電磁量進(jìn)行限制和規(guī)范。通過大量研究發(fā)現(xiàn)，直流線路與油氣管道的安全距離需根據(jù)對人身安全、管道安全、陰極保護(hù)設(shè)備的正常工作以及管道直流干擾的要求而確定，涉及線路、管道與陰極保護(hù)設(shè)備的具體情況，不能簡單地用某個(gè)數(shù)值來限制輸電線路與輸油輸氣管道的距離，即便是根據(jù)直流線路的電壓等級來劃分安全距離限值，也不夠全面合理。

下面針對國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的限值規(guī)定，進(jìn)行總結(jié)分析，提出適用于我國的直流線路對輸油輸氣管道的電磁影響限值。

3.1 人身安全電壓限值

3.1.1 高壓直流線路正常運(yùn)行時(shí)的人身安全電壓

長時(shí)間作用下的人體安全電壓相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表1。從表1可以看出，長時(shí)間作用下的人體安全電壓分為15 V、33 V和60 V左右3級。美國NACE SP 0177標(biāo)準(zhǔn)第5.2.1.1條對15 V限值的解釋如下：“對本推薦準(zhǔn)則來說，15 V(均方根值)交流開路電壓或5 mA或多些的干擾源電流容量，將被認(rèn)為構(gòu)成一種預(yù)料中的電擊危險(xiǎn)”。需指出的是，限制15 V的安全值，并不是說超過該限值會(huì)直接導(dǎo)致安全問題，主要衡量的指標(biāo)是不使人有明顯的不適感覺。作為一種長期埋于地下、一般只會(huì)由職業(yè)人員接觸到的設(shè)施，采取此限值顯然過于嚴(yán)格。

表1 長時(shí)間作用下的人體安全電壓相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

GB 3805—2008中規(guī)定的33 V限值，考慮的是干燥環(huán)境下人體長時(shí)間能夠承受的安全電壓，并且該標(biāo)準(zhǔn)指出此限值沒有人群針對性。GB 6830—1986中規(guī)定“強(qiáng)電線路在正常運(yùn)行狀態(tài)下，通信導(dǎo)線上的縱電動(dòng)勢容許值為60 V”。該標(biāo)準(zhǔn)主要是指當(dāng)電信工作人員接觸通信線時(shí)，人體上被加載的安全電壓限值。人體長時(shí)間安全電壓值取33 V與60 V兩個(gè)數(shù)值都是合理的，33 V限制值主要適用于普通大眾人群，60 V限制主要適用于職業(yè)工作人員。

特高壓直流輸電線路正常運(yùn)行時(shí)極導(dǎo)線諧波電流的主要頻率為100 Hz。GB/T 3805—2008中規(guī)定“頻率為15～100 Hz的人體穩(wěn)態(tài)安全電壓限值相同，同時(shí)考慮到該安全限值的職業(yè)針對性，取60 V”。

3.1.2 高壓直流線路短路故障時(shí)的人身安全電壓

短時(shí)間作用下的人體瞬間安全電壓有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表2?？梢钥闯?，按照GB/T 50065—2011與IEEE標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算所得人體瞬間安全電壓允許值與“CCITT”(ITU-T前期稱謂)推薦值較為一致。GB 6830—1986采用了“CCITT”的推薦值。但根據(jù)世界各國現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為“CCITT”的推薦值偏于保守。據(jù)此，我國在DL/T 5033—2006《輸電線路對電信線路危險(xiǎn)和干擾影響防護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)程》中采用了這一建議。

表2 短時(shí)間作用下人體瞬間安全電壓標(biāo)準(zhǔn)

注：1.t為輸電線路接地短路故障切除時(shí)間；2.ρ為大地電阻率。

目前我國新建輸電線路均為高可靠性輸電線路，發(fā)生故障的概率很小，在線路發(fā)生故障時(shí)恰好有相關(guān)工作人員碰觸到管道的裸露金屬部分的概率更小，如果仍采用GB/T 50065—2011的計(jì)算值作為輸電線路短路故障時(shí)人身安全電壓的評判標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)太過嚴(yán)苛且不合理，因此，建議采用DL/T 5033—2006及DL/T 5340—2006中規(guī)定的限值作為人體瞬間安全電壓限值。

特高壓直流輸電線路故障持續(xù)時(shí)間為0.01～0.04 s，對應(yīng)頻率20～40 Hz，故建議人體短時(shí)間安全電壓限值取2 000 V(有效值)或3 000 V(峰值)。

3.2 管道安全電壓限值

我國目前存在的管道，其防腐層大致分為3類：石油瀝青、塑料及環(huán)氧粉末、3層聚乙烯(PE)覆蓋層(目前新建的大型管道均采用3層PE覆蓋層，如西氣東輸管道、西油東輸管道、川氣東輸管道)，其絕緣性能依次增強(qiáng)。目前尚沒有詳細(xì)、公認(rèn)的新型防腐層的耐壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)武漢大學(xué)高壓實(shí)驗(yàn)室2007 年的研究項(xiàng)目《輸電線路接地系統(tǒng)對地下金屬管道的影響研究》中的相關(guān)成果：FBE (熔結(jié)環(huán)氧)層金屬管道在工頻情況下其耐壓為14～15 kV(對應(yīng)的峰值約20 kV)，雷電沖擊耐壓為28 kV；PE 層金屬管道的工頻耐壓為57 kV(對應(yīng)的峰值約80 kV)，雷電沖擊耐壓為109 kV。

3.3 管道陰極保護(hù)設(shè)備干擾電壓限值

管道陰極保護(hù)設(shè)備抗干擾的電壓限值情況需結(jié)合具體陰極保護(hù)設(shè)備的抗交流干擾能力進(jìn)行明確。如：KKG-3型強(qiáng)制電流陰極保護(hù)電位儀的抗交流干擾能力為12 V；KKG-3BG型恒電位儀的抗交流干擾能力為30 V；鎂陽極(犧牲陽極陰極保護(hù))的抗交流干擾能力為不低于10 V。

3.4 管道直流干擾限值

對直流干擾標(biāo)準(zhǔn)的確定，歷來就存在分歧。目前各國的具體規(guī)定也不相同，英國的腐蝕界認(rèn)為當(dāng)管道對地電位的正向偏移為20 mV時(shí)，就可能產(chǎn)生不允許的干擾腐蝕，所以以20 mV的管地電位正向偏移作為標(biāo)準(zhǔn)。日本雖然不反對管地電位正向偏移達(dá)20 mV時(shí)，就存在腐蝕危險(xiǎn)的結(jié)論，但考慮日本地域狹小，各種埋地金屬管道和直流電氣化鐵路以及直流輸電線路分布十分密集，干擾特別嚴(yán)重，并且很難徹底防止，而以管地電位正向偏移50 mV作為標(biāo)準(zhǔn)。

我國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0017—2006《埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：“當(dāng)管道任意點(diǎn)上的管地電位較自然電位偏移20 mV或管道附近土壤電位梯度大于0.5 mV/m時(shí)，確認(rèn)為直流干擾。當(dāng)管道任意點(diǎn)上的管地電位較自然電位正向偏移100 mV或者管道附近土壤電位梯度大于2.5 mV/m時(shí)，管道應(yīng)及時(shí)采取直流排流保護(hù)或其他防護(hù)措施”。

一般在工程應(yīng)用中對于管道交流腐蝕的評估推薦按GB/T 50698—2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中給出的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

油氣管線上的交流干擾電壓(有效平均值)小于 4 V 時(shí)，可不采取交流干擾防護(hù)措施。

交流干擾電壓(有效平均值)高于 4 V 時(shí)采用交流電流密度J進(jìn)行評估：交流電流密度J≥100 A/m2時(shí)判定為“強(qiáng)”，需采取交流干擾防護(hù)措施；100 A/m2>J>30 A/m2時(shí)判定為“中”，宜采取交流干擾防護(hù)措施；J≤30 A/m2時(shí)判定為“弱”，可不采取交流干擾防護(hù)措施[4]。

4 結(jié)論

通過前述分析，總結(jié)出適用于高壓直流線路工程對輸油輸氣管道電磁影響的限值。

人身安全電壓限值，在正常情況下參照GB 6830—1986規(guī)定取60 V，故障情況下參照DL/T 5340—2006規(guī)定取人身瞬時(shí)安全電壓3 000 V(峰值)。管道安全電壓限值參考《輸電線路接地系統(tǒng)對地下金屬管道的影響研究》(武漢大學(xué)2007年工程專題報(bào)告)，故障情況下3 層PE取80 kV，F(xiàn)BE取20 kV；雷擊情況下，3 層PE取109 kV，F(xiàn)BE取28 kV。管道交流腐蝕參照GB 50698—2011標(biāo)準(zhǔn)，正常情況下管地電位不超過4V 或者管地電位高于4 V 時(shí)，交流泄漏電流密度小于30 A/m2。

參考文獻(xiàn)：

[1] 高攸綱，杜麗冰．強(qiáng)電線對地下金屬管線的電磁耦合影響及防護(hù)技術(shù)[J]．鐵道學(xué)報(bào)，1989(S2)：46-55．

[2] 中國電科院．準(zhǔn)東—華東±1100kV特高壓直流線路對輸油輸氣管道的電磁影響及防護(hù)措施研究[R]. 北京：中國電力科學(xué)研究院， 2016.

[3] 關(guān)于在三相高壓電力系統(tǒng)和單線鐵道牽引系統(tǒng)附近的管道設(shè)備和運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn):德國Afk第3號,1982[S].

[4] 白鋒,郭劍,尹浩柳. 特高壓直流輸電線路對油氣管道的電磁影響仿真計(jì)算[C].中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)電磁干擾專業(yè)委員會(huì)第十二屆學(xué)術(shù)會(huì)議.武漢：出版者不詳，2012:177-183.