李 峰， 陸 飛， 盧 武， 沈亞超， 魏建華

(1. 上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院， 上海 200090； 2.中航油石化管道有限公司上海分公司， 上海 201615)

1 引言

我國(guó)已建成多條高壓和特高壓直流輸電工程，成為世界上直流輸電工程最多的國(guó)家。同時(shí)，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)對(duì)石油石化能源的需求，輸油輸氣管道系統(tǒng)也得到突破式發(fā)展。為了減少占用空間和土地資源，近年來(lái)常出現(xiàn)輸油輸氣管道與高壓輸電系統(tǒng)距離較近甚至共建于同一共用走廊的情況[1,2]。

輸電線路和高壓直流接地極是高壓直流輸電工程中重要的組成部分，為了保證直流輸電線路和直流接地極多種運(yùn)行模式下臨近管道系統(tǒng)的安全性，我國(guó)已經(jīng)制定了相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)以便設(shè)計(jì)者和施工者遵守和執(zhí)行[3-5]。由于大城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中，不可避免出現(xiàn)城市輸電系統(tǒng)與輸油輸氣管道共通道的情況，兩者距離過(guò)近，出現(xiàn)線路建設(shè)密集區(qū)，與建設(shè)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求上出現(xiàn)矛盾，這種問(wèn)題很難調(diào)和[6-9]。

為解決已經(jīng)出現(xiàn)的城市輸電系統(tǒng)與輸油輸氣管道共通道現(xiàn)象所產(chǎn)生安全隱患的問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)上海某地±800 kV直流輸電系統(tǒng)和輸油管道的安全凈距不滿足相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)例進(jìn)行研究分析，步驟如下：

(1)搭建精確仿真模型。在搭建模型過(guò)程中，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)不同季節(jié)、不同工況下的實(shí)測(cè)，保證實(shí)測(cè)值的準(zhǔn)確性；將實(shí)測(cè)值與模型仿真值不斷迭代，優(yōu)化仿真模型，保證模型的準(zhǔn)確性。

(2)分析輸電系統(tǒng)多種工況。線路正常運(yùn)行、直流接地極單極運(yùn)行，保證計(jì)算的全面性。

(3)提供工程解決方法。在無(wú)法改變輸電系統(tǒng)與管道距離的情況下，模擬可行的工程措施，使輸電系統(tǒng)與管道都能正常運(yùn)行。

相比于其他研究者工作，本文通過(guò)分析實(shí)際案例，提出一種針對(duì)城市輸電系統(tǒng)與輸油輸氣管道共通道現(xiàn)象的解決方案，即多次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，實(shí)測(cè)和仿真模型相結(jié)合，確定可靠正確的模型；分析輸電系統(tǒng)多種工況下的管道安全性；在無(wú)法改變輸電系統(tǒng)和輸油輸氣管道安全凈距的情況下，采取鋪設(shè)鋅帶的方案進(jìn)行防護(hù)。為共用走廊的建設(shè)提出新思路新方法。

2 仿真模型

為了分析輸電系統(tǒng)和輸油管道的安全凈距較小而帶來(lái)的問(wèn)題，根據(jù)上海某地多次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與模型優(yōu)化后建立土壤模型、±800 kV直流輸電線路模型、輸油管道模型、高壓直流接地極模型等，建立輸電系統(tǒng)和輸油管道的總體模型如圖1所示。圖1中，輸油管道模型長(zhǎng)度為27 km；輸電線路總長(zhǎng)為9 km；直流接地極距離管道直線最短距離L1為15 km；輸電線路和輸油管道平行有效距離L2為9 km。

圖1 整體仿真模型Fig.1 Overall simulation model

2.1 土壤模型

土壤電阻率測(cè)量是構(gòu)成干擾(尤其是傳導(dǎo)干擾)研究的最重要基礎(chǔ)之一。針對(duì)輸電線路和輸油管道安全凈距較小的±800 kV某直流輸電線路所在位置(某A接地桿塔和某B接地桿塔)，采用WENNER四極法測(cè)量輸電線路和輸油管道周邊的土壤電阻率。測(cè)量具體位置為管道兩側(cè)，每處測(cè)三個(gè)深度的土壤電阻率，淺深0.8 m、同深1.6 m、較深5 m，測(cè)量間距選擇0.8 m、1.6 m、5 m，多次測(cè)量的土壤電阻率見(jiàn)表1和表2。

表1 某A桿塔附近土壤電阻率的測(cè)量——測(cè)線#1Tab.1 Measurement of soil resistivity in vicinity of A-pole tower-measuring line #1

根據(jù)表1和表2的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在CDEGS軟件中反演計(jì)算[10,11]可知該地區(qū)的平均土壤電阻率約為11 Ω·m左右。根據(jù)GB/T 21447—2018《鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范》4.3節(jié)規(guī)定，土壤電阻率小于20 Ω·m，屬于腐蝕性較強(qiáng)土壤，可判斷輸電線路與輸油輸氣管道沿線土壤腐蝕性等級(jí)為強(qiáng)。

表2 某B桿塔附近土壤電阻率的測(cè)量——測(cè)線#2Tab.2 Measurement of soil resistivity in vicinity of B-pole tower-measuring line #2

2.2 ±800 kV直流輸電線路模型

本次實(shí)例中±800 kV直流輸電線路采用ZP35102和JP35103兩種塔型結(jié)構(gòu)，仿真模型中設(shè)定的具體參數(shù)如下：

(1)極導(dǎo)線型號(hào)：ACSR-720/50；地線型號(hào)：LBGJ-180-20AC和OPGW-24(36)B1-175；

(2)電壓等級(jí)800 kV，穩(wěn)態(tài)電流4 000 A；

(3)桿塔接地型號(hào)TA32，接地導(dǎo)體邊長(zhǎng)18 m；接地導(dǎo)體直徑12 mm，材料為鋼，相對(duì)電阻率12，相對(duì)磁導(dǎo)率250。該模型如圖2所示。

圖2 輸電線路模型Fig.2 Transmission line model

2.3 輸油管道模型

在CDEGS仿真軟件中，建模時(shí)設(shè)定埋地管道鋼金屬的相對(duì)電阻率為12；相對(duì)磁導(dǎo)率為250。管道的相應(yīng)信息如下：

(1)管道埋深：管道中心埋深1.731 4 m；

(2)管道長(zhǎng)度，內(nèi)、外徑及壁厚：總共模擬了約27 km的管道長(zhǎng)度。管道外徑為457 mm，內(nèi)徑為220.6 mm，壁厚為7.9 mm；

(3)管道涂層厚度：2.9 mm；

(4)管道涂層電阻：管道采用三層PE外防腐層防腐，涂層電阻為100 000 Ω·m2；

(5)所模擬的輸油管道段，兩端為絕緣法蘭，段內(nèi)不存在絕緣法蘭、無(wú)閥室和分輸站接地系統(tǒng)。

基于以上數(shù)據(jù)及輸油管道的走向，建立的部分輸油管道模型如圖3所示。

圖3 輸油管道模型圖Fig.3 Pipeline model drawing

2.4 HVDC直流接地極模型

本文采用接地極屬于陸地型接地極，接地極均采用圓環(huán)電極，半徑為250 m，接地導(dǎo)體為直徑70 mm的圓鋼。電導(dǎo)率σ=1×106S/m，磁導(dǎo)率μr=200 H/m。根據(jù)表3描述的HVDC直流極的參數(shù)，在CDEGS仿真軟件中搭建如圖4所示的接地極模型。

表3 HVDC直流極參數(shù)Tab.3 HVDC pole parameter

圖4 接地極模型圖Fig.4 Grounding pole model diagram

2.5 模型校驗(yàn)與優(yōu)化

通過(guò)實(shí)測(cè)與所搭模型計(jì)算值進(jìn)行結(jié)合比較，優(yōu)化模型。實(shí)際測(cè)量時(shí)，以輸電線路桿塔與管道間地表電位作為實(shí)測(cè)值。為了減少季節(jié)因素、測(cè)點(diǎn)周圍建筑物與農(nóng)作物、樣本數(shù)等的影響，分別于同年9月和12月對(duì)輸電線路與管道最近的桿塔進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，保證實(shí)測(cè)值的可信度。

測(cè)量過(guò)程中直流輸電線路正常運(yùn)行，選取輸電線路與管道最近的多個(gè)接地桿塔進(jìn)行地表電位實(shí)測(cè)。以9月份進(jìn)行測(cè)量時(shí)的1號(hào)桿塔為例，此輸電線路的桿塔塔腳與輸油管道中心線之間的直線距離為16 m?！?00 kV直流輸電線路正常運(yùn)行時(shí)，輸電線路的桿塔塔腳垂直于輸油管道中心線方向在10～20 m的范圍內(nèi)測(cè)量地表電位。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)二維示意圖如圖5所示。同時(shí)，利用CDEGS軟件在所搭整體模型上仿真計(jì)算的地表電位與實(shí)測(cè)的地表電位進(jìn)行比較分析，確保仿真模型的準(zhǔn)確性，如圖6所示。

圖5 1號(hào)桿塔附近地表電位測(cè)試圖Fig.5 Ground potential test map near tower No.1

圖6 地表電位測(cè)量值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖Fig.6 Comparison between measured and actual values of surface potential

圖6中，可知當(dāng)距桿塔塔腳的距離在10～20 m時(shí)，測(cè)量值近似等于計(jì)算值。實(shí)際桿塔的塔腳到輸油管道的距離為16 m，計(jì)算值與測(cè)量值在桿塔南側(cè)塔腳的距離為16 m時(shí)近似相等。即輸油管上方的地電位梯度的計(jì)算值約0.191 mV/m，實(shí)測(cè)值約0.139 mV/m。

通過(guò)仿真與實(shí)測(cè)的優(yōu)化迭代分析后，得出圖6的典型對(duì)比圖，在靠近管道側(cè)附近地表電位的測(cè)量值與計(jì)算值匹配較好，本文后續(xù)分析所采用的輸電系統(tǒng)與管道共通道的模型準(zhǔn)確可靠。

3 仿真與計(jì)算分析

3.1 輸電線路正常運(yùn)行

高壓直流輸電線路與輸油輸氣管道共通道下，線路與管道之間的電磁感應(yīng)將會(huì)對(duì)管道的安全性產(chǎn)生影響。這種電磁干擾按類型分為容性耦合、感性耦合、阻性耦合三類。容性耦合在管道埋地鋪設(shè)時(shí)，由于大地良好的屏蔽作用以及管道的分段接地措施，容性耦合影響可忽略不計(jì)；阻性耦合是指出現(xiàn)輸電線路短路故障或雷擊桿塔時(shí)，部分電流通過(guò)接地裝置流入大地，造成管地電位的升高，產(chǎn)生安全隱患[12,13]；感性耦合在直流輸電線路中主要體現(xiàn)為線路上的諧波電流會(huì)在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，這種交變磁場(chǎng)通過(guò)電磁感應(yīng)，使得管道上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，造成干擾腐蝕。

本文所討論的上海某±800 kV直流輸電線路正常運(yùn)行時(shí)，共通道下管道所受的輸電線路電磁干擾(主要為感性耦合電磁干擾)的影響，可在仿真中通過(guò)下列參數(shù)進(jìn)行研究：

(1)管道涂層電流密度：DL/T 5224—2018《高壓直流輸電大地返回運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》規(guī)定：泄漏電流密度大于1 μA/cm2或者累積腐蝕量(厚度)影響到其安全運(yùn)行情況時(shí)為不安全[14]。

(2)管地電位：GB/T 21447—2008《鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范》規(guī)定：處于直流電氣化鐵路、陰極保護(hù)系統(tǒng)及其他直流干擾源附近的管道，其任意點(diǎn)上的管地電位較該點(diǎn)自然電位正向偏移20 mV或管道鄰近土壤中直流地電位梯度大于0.5 mV/m時(shí)，可確認(rèn)管道存在直流干擾。當(dāng)管道任意點(diǎn)上管地電位較該點(diǎn)自然電位正向偏移100 mV時(shí)，管道應(yīng)采取防護(hù)措施[15]。

上海某±800 kV直流輸電線路正常運(yùn)行時(shí)，管道的涂層電流密度、管地電位如圖7和圖8所示。

圖7 直流輸電線路正常運(yùn)行情況下的管道涂層電流密度Fig.7 Current density of pipeline coating undernormal operation of DC transmission lines

圖8 直流輸電線路正常運(yùn)行情況下的管地電位Fig.8 Tube ground potential under normal operation of DC transmission lines

根據(jù)圖7和圖8的仿真計(jì)算結(jié)果可知：

(1)最大管道涂層泄漏電流密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1 μA/cm2標(biāo)準(zhǔn)要求，為2.049×10-6μA/cm2；

(2)最大管地電位(對(duì)自然電位正向偏移)為7.322 mV，小于安全運(yùn)行要求100 mV正向偏移。

在直流輸電線路正常運(yùn)行情況下，管道無(wú)緩解措施，無(wú)陰保系統(tǒng)的條件下，此時(shí)輸電線路不會(huì)影響管道的正常運(yùn)行，無(wú)需采取保護(hù)措施。

3.2 高壓直流接地極單極運(yùn)行

直流接地極在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一定的不平衡入地電流，尤其是在單極運(yùn)行時(shí)，額定的入地電流高達(dá)幾千安，該入地電流在通過(guò)土壤擴(kuò)散，會(huì)對(duì)附近的埋地管道產(chǎn)生直流電磁干擾，過(guò)高管地電位(即管道涂層電壓)會(huì)使管道涂層性能劣化甚至擊穿，引起一定的危害[16]。

同3.1節(jié)一致，主要分析管道涂層電流密度與管地電位這兩個(gè)參數(shù)，高壓直流接地極單極運(yùn)行時(shí)，管道的管道涂層電流密度、管地電位如圖9和圖10所示。

圖9 直流接地極單極運(yùn)行情況下的管道涂層電流密度Fig.9 Current density of pipeline coating under single-poleoperation of DC grounding electrode

圖10 直流接地極單極運(yùn)行情況下的管地電位Fig.10 Tube ground potential under single-poleoperation of DC grounding electrode

根據(jù)圖9和圖10的仿真計(jì)算結(jié)果可知：

(1)最大管道涂層泄漏電流密度為3.026 2×10-3μA/cm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1 μA/cm2標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)最大管地電位(對(duì)自然電位正向偏移)為5.067 V，大于安全運(yùn)行要求100 mV正向偏移。

輸油管線為金屬管道，管道具有涂層電阻率和管體金屬電阻率，由于管道電流主要沿管體軸向流動(dòng)，其管道徑向電流密度較小，對(duì)管地電位的影響較小，因此不考慮管道與土壤之間的非線性電極極化。埋地金屬管道可用等值電路[17,18]表示，如圖11所示。圖中，V(x)為第k節(jié)導(dǎo)體位置的電位值，V；Z為單位長(zhǎng)度電阻值，Ω；G為單位長(zhǎng)度的對(duì)地電導(dǎo)值，S；I為第k節(jié)導(dǎo)體處的軸向電流，A。

圖11 金屬管道簡(jiǎn)化電路模型Fig.11 Simplified circuit model of metal pipe

由圖11可得：

(1)

令第k段導(dǎo)體處的管地電位為φ(x)，則：

Δφ(x)=-ZΔxI(x)

(2)

聯(lián)立求解后得出管地電位計(jì)算公式：

(3)

其中

(4)

式中，V(μ)為激勵(lì)源大小，V。

由式(3)可知，管地電位不僅與管道本身的參數(shù)(單位長(zhǎng)度電阻值和單位長(zhǎng)度的對(duì)地電導(dǎo)值)有關(guān)，還與地表電位大小有關(guān)。進(jìn)一步仿真分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)直流接地極單極運(yùn)行時(shí)，接地極附近的地表電位呈現(xiàn)一種波動(dòng)變化，直流接地極近區(qū)地表電位的變化如圖12所示。

圖12 接地極附近地表電位Fig.12 Ground potential near ground electrode

由圖12可知，地表電位的變化與離接地極距離有關(guān)，越靠近接地極地表電位越大，波動(dòng)越大，結(jié)合式(4)，地表電位的變大使埋地管道的管地電位變大，超過(guò)安全運(yùn)行要求，需要采取排流措施[19,20]。

4 排流措施

直流輸電線路正常運(yùn)行情況下，管道的涂層電流密度和管地電位均滿足安全標(biāo)準(zhǔn)要求，但在高壓直流接地極單極運(yùn)行情況下，計(jì)算結(jié)果表明最大管地電位(對(duì)自然電位的正向偏移)為5.067 V，大于安全運(yùn)行要求100 mV，為滿足這一安全運(yùn)行要求，進(jìn)行了多次嘗試。管道在沒(méi)有外加陰極保護(hù)系統(tǒng)的情況下，本文提供了一個(gè)保護(hù)管道安全可供參考的方案，即考慮管道沿線通過(guò)鋅帶排流的方式進(jìn)行緩解，方案描述如下：

(1)在管道靠近接地極一側(cè)，從管道起點(diǎn)位置起敷設(shè)一整條鋅帶，鋅帶長(zhǎng)度150 m，鋅帶埋深同管道埋深，管道和鋅帶間隔1.5 m。

(2)鋅帶相對(duì)電阻率3.473，相對(duì)磁導(dǎo)率1，半徑1 cm。

(3)每間隔一定距離，通過(guò)固態(tài)去耦合器裝置將鋅帶和管道相連。

鋅帶和管道相連的局部顯示視圖如圖13所示。

圖13 鋅帶和管道相連的局部顯示視圖Fig.13 Local display view of zinc strip and pipe connection

鋪設(shè)鋅帶進(jìn)行排流，原理是通過(guò)使得原本由接地極單極運(yùn)行所產(chǎn)生的入地電流I入地，在通過(guò)土壤擴(kuò)散的過(guò)程中，分為I1,I2,I3三部分，即：

I入地=I1+I2+I3

(5)

式中，I1為流入鋅帶的電流；I2為流入管道的電流；I3為通過(guò)土壤擴(kuò)散的電流。

(6)

圖14 鋅帶排流原理圖Fig.14 Zinc belt drainage schematic

管道沿線通過(guò)鋅帶排流的方式進(jìn)行緩解，計(jì)算結(jié)果如圖15所示。

圖15 直流接地極單極運(yùn)行情況下的管地電位(鋪設(shè)鋅帶)Fig.15 Tube ground potential(laying of zinc tape)under single-pole operation of DC grounding electrode

在沒(méi)有外加陰極保護(hù)系統(tǒng)的情況下，只考慮管道沿線鋪設(shè)鋅帶的方式進(jìn)行緩解。高壓直流接地極單極運(yùn)行所產(chǎn)生的大額入地電流在擴(kuò)散到管道附近時(shí)，鋅帶的對(duì)地電阻小，大量的入地電流通過(guò)鋅帶排流，減小管道上流入的電流；同時(shí)由于鋅帶與管道每間隔一定距離連接，能夠起到一定的犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)作用。根據(jù)圖10和圖15的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，管道周圍鋪設(shè)鋅帶后，最大管地電位(對(duì)自然電位正向偏移)由原來(lái)的5.067 V降為100 mV，效果顯著，小于安全運(yùn)行要求100 mV正向偏移，滿足安全運(yùn)行要求。

5 結(jié)論

本文通過(guò)上海某±800 kV直流輸電線路，高壓直流接地極與某輸油管道距離過(guò)近的實(shí)際工程案例，提出工程上分析與解決的方法：

(1)采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值與模型計(jì)算值反復(fù)迭代優(yōu)化的模式。考慮季節(jié)性影響的土壤電阻率等多種因素，多次反復(fù)測(cè)量，保證現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的精度；測(cè)量值與計(jì)算值多次對(duì)比，多測(cè)量點(diǎn)對(duì)比，保障模型的準(zhǔn)確性。

(2)分析輸電系統(tǒng)多種工況。分析輸電線路正常運(yùn)行和高壓直流接地極單極運(yùn)行時(shí)管道涂層電流密度與管地電位是否滿足安全性要求，保證計(jì)算的全面性。

(3)在管道出現(xiàn)安全隱患的情況下，提出可行的工程解決方案。如本文實(shí)際案例中高壓直流接地極單極運(yùn)行后，管道的管地電位不滿足標(biāo)準(zhǔn)(100 mV)，提出在管道靠近接地極一側(cè)，從管道起點(diǎn)位置起敷設(shè)一整條150 m長(zhǎng)的鋅帶，使管道安全運(yùn)行。