特高压交流线路对石油天然气管道影响的确定及防护方法

摘要

本发明涉及一种特高压交流线路对石油天然气管道影响的确定及防护方法，其方法是：首先构造特高压交流输电线路和埋地金属管道所组成的多导体传输线系统等效电路模型；计算正常状态和短路故障时输电线路通过感性耦合对管道的干扰影响并进行叠加，得出总的干扰影响；再计算分析在输电线路不同情况下影响输电线路对埋地金属管道电磁干扰程度的一些因素，以及交流电流对金属管道的腐蚀影响，同时，对感性耦合和阻性耦合分别进行模拟试验，最后综合对上述影响因素的分析，提出有效的防护措施。通过试验所获得的试验数据对比证明，本发明具有较高准确性，可应用于高压输电线路与埋地金属管道间电磁防护间距、并行长度和交叉角度的精确计算，以及埋地金属管道的腐蚀和防护研究。

说明书

技术领域

本发明属于高压输变电工程电磁兼容领域，具体地讲是一种1000kV特高压交流线路对石油天然气管道影响的确定及防护方法。

背景技术

为了满足我国经济社会可持续发展的用电需求，建设以特高压电网为核心的加强电网已成为国家电力建设的战略目标。在采用长距离、大容量输电时，特高压输电能够有效地节省线路走廊、有助于改善网络结构、减少输电瓶颈和实现大范围的资源优化配置，经济和社会效益十分明显。但特高压输电线路和石油天然气管道对于传输走廊的择优原则极为相近，从而使得后建工程不得不与已建工程相邻(平行或相交)，而且在局部地段需要公用走廊。这样，特高压输电线路对石油天然气管道的影响及防护措施问题显得特别重要。SY0007-1999《钢质管道及储罐腐蚀控制工程设计规范》对220kV及以下电压等级交流电力系统的各种接地装置与埋地管道间的水平距离提出了明确的防护要求，对于1000kV特高压线路，还没有防护要求的标准。而且，对于特高压输电线路对邻近石油天然气管道的电磁影响问题研究，国内尚属空白。这不但给工程的路径选择和工程造价增加很多不确定的因素和不必要的困难，而且也可能影响邻近石油天然气管道的正常工作和附近工作人员的人身安全，因此研究1000kV特高压输电线路对石油天然气管道的影响，确定防护距离和提出防护措施显得非常必要。

高压架空输电线路与石油天然气管道相邻，将会对其产生交流电磁影响，主要有两个方面：一是长期存在着的交流电压和电流对邻近石油天然气管道的电磁影响；二是输电线路遭受雷击或系统短路故障时，电流通过感性耦合在邻近石油天然气管道上产生的瞬态感应电压，同时入地电流在大地土壤中产生地电位升，并在金属管道的防腐层上产生电压，两者合成后的总干扰电压可能击穿金属管道的绝缘层，或反击管道阴极保护设备，或威胁管道操作人员的人身安全。

对于输电线路长期正常运行或出现短路故障时对邻近石油天然气管道的综合影响，目前国内在西北330kV张嘉线路曾针对于西气东送天然气管道的平行架设问题做过研究，但对管道腐蚀问题和防护措施还未开展系统的规律性研究，没有提出输电线路与金属管道之间的防护距离和接近距离、平行长度以及安全交叉角度的推荐值，同时尚未考虑输电线路遭受雷击时对邻近管道的综合影响，缺乏相应的计算模型。

发明内容

本发明的目的是从分析交流输电线路对石油天然气管道电磁干扰的产生机理出发，建立采用电磁场理论和多导体传输线理论计算输电线路与金属管道整个复杂导体系统的感性和阻性电压和电流分布模型，从而提供一种1000kV特高压交流线路对石油天然气管道影响的确定及防护方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的方法是：首先采用电磁场理论计算并构造特高压交流输电线路和埋地金属管道所组成的多导体传输线系统等效电路模型，通过广义双侧消去法或矩量法计算输电线路通过感性耦合对管道的干扰影响，进而计算在输电线路发生接地短路故障时输电线路通过阻性耦合对管道的干扰影响，与线路通过感性耦合对管道的干扰影响进行叠加，得出特高压交流线路对埋地金属管道总的干扰影响；再对所建立的输电线路和管道模型，计算分析在输电线路不同情况下影响输电线路对埋地金属管道电磁干扰程度的一些因素，以及交流电流对金属管道的腐蚀影响，同时，对感性耦合和阻性耦合分别进行模拟试验，验证建模计算分析的正确性和准确度，最后综合对上述影响因素的分析，提出有效的防护措施。

其具体步骤是：

第一步骤：通过电磁场理论计算所有接地网的接地电阻，包括输电线路系统杆塔的接地网和金属管道的接地系统，确定所有长导体(包括架空相线、架空地线、埋地金属管道等)的自阻抗和互阻抗，建立多导体传输线系统等效电路模型；

第二步骤：采用广义双侧消去法或矩量法求解等效的电路模型，分别得出输电线路和埋地金属管道上的电压、电流，此管道上的电压为输电线路通过感性耦合在管道上产生的干扰电压，在输电线路正常运行时通过阻性耦合在管道上产生的干扰电压忽略不计；

第三步骤：在输电线路遭受雷击或发生接地短路故障时，考虑地线的回流，计算出短路点处真实的入地电流，再用电磁场理论计算短路点附近的地电位升和入地电流在邻近长导体上产生的电压、电流，此电压即为输电线路通过阻性耦合对管道的干扰电压；

第四步骤：进而将输电线路通过感性耦合和阻性耦合对管道引起的干扰部分进行叠加，求出特高压交流线路对埋地金属管道总的干扰影响，确定特高压输电线路与金属管道的允许接近距离、并行长度及交叉角度的推荐值；

第五步骤：计算分析在输电线路正常运行、遭受雷击或发生接地短路故障的情况下影响输电线路对埋地金属管道电磁干扰程度的一些因素，包括土壤电阻率、输电线路电流、输电线路塔型及导线布置、杆塔接地结构及电阻、管道结构型式、管道泄漏电阻、短路点位置、入地短路电流、雷击位置及方式、雷电流幅值及波形、输电线路与管道的接近距离、并行长度、交叉角度等，以及交流电流对金属管道的腐蚀影响；

第六步骤：针对感性耦合和阻性耦合分别进行微缩比例模拟试验和冲击对地放电试验，验证建模计算分析的正确性和准确度；

第七步骤：综合对上述影响因素的分析，提出有效的防护措施。

上述第二步骤中采用广义双侧消去法或矩量法求解等效的电路模型，分别得出输电线路和埋地金属管道上的电压、电流。

上述第二步骤中多分裂导线等效为单根导线。

上述第六步骤中微缩比例模拟试验将实际输电线路成比例进行缩小，并依据模型制作材料等参数，对其施加一定强度的电源，保持其产生的磁场作用不变。冲击对地放电试验利用冲击电压发生器对地进行放电，模拟输电线路遭受雷击或发生接地短路故障时的瞬态，考察测量金属管道上的感应电压。

上述第七步骤中电位梯度控制线不仅能抑制感性耦合干扰，也能抑制阻性耦合干扰，而且还能提供阴极保护。

通过试验所获得的试验数据对比证明，本发明具有较高准确性，可应用于今后高压输电线路与埋地金属管道间电磁防护间距、并行长度和交叉角度的精确计算，以及埋地金属管道的腐蚀和防护研究。

附图说明

图1为本发明多导体传输线系统示意图。

图2为本发明广义双侧消去法电路模型示意图。

图3为本发明多分裂导线的简化过程示意图。

图4为本发明输电线路正常运行、遭受雷击或发生接地短路故障时在管道上产生感应电压的示意图。

图5为本发明感性耦合模拟试验布置图。

图6为本发明阻性耦合模拟试验布置图。

图7为本发明牺牲阳极接地排流措施示意图。

图8为本发明电位梯度控制线的典型安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

本发明主要考虑输电线路三种运行状态。在输电线路正常运行状态下，对金属管道的干扰主要来自感性耦合和容性耦合；在输电线路遭受雷击或接地短路故障状态下，对金属管道的干扰主要来自于感性耦合和阻性耦合。

对于容性耦合，可在施工中采用临时接地措施来抑制，一般不予以考虑。输电线路导线上的交变电流在其周围空间形成交变的磁场，在邻近的金属管道上感应出纵向电动势，由于三相线路的不完全对称和三相电流的不完全平衡，感性耦合不可避免。在输电线路遭受雷击或接地短路故障状态下，除了短路电流外，大入地短路电流引起短路点附近地电位升高，即阻性干扰，而金属管道则由于其覆盖层的高阻抗，保持在一个较低的电位，这样就产生管道相对相邻区域地电位的电位差。

为了有效分析输电线路对金属管道的综合影响，把输电线路和金属管道看成整个多导体传输线系统，整个多导体传输线系统如图1所示。要得到输电线路和金属管道上的电压、电流分布，必须求解多导体传输线系统的等效电路模型。

根据广义双侧消去法，其电路模型如图2所示，按地线接地的档距分段，共分n段，第1段为短路点侧，第n段为电源侧。第k段每相导、地线中的电流[I_k]可以由边界电流[I₀]表示如下：

[I_k]＝(E-[α_k][η_k-₁])^-1[λ_k]+(E-[α_k][η_k-1])^-1[α_k][δ_k-1][I₀](1)

即[I_k]＝[U_k]+[V_k][I₀](2)

式中：

[I_k]为第k段每相导、地线中的电流；

[I₀]为短路点电流，$\left[I_0\right]={(E-\left[V_1^l\right]-\left[V_1^r\right])}^{-1}(\left[U_1^l\right]+\left[U_1^r\right]),$其中l和r分别表示左边和右边网络；

[α_k]、[η_k-1]、[λ_k]、[δ_k-1]、[U_k]、[V_k]为由导、地线的自阻抗、互阻抗和接地阻抗等组成的矩阵，其中[λ_k]反映了边界值即电源[E]的影响，[U_k]反映了电源对[I_k]的影响，[δ_k-1]反映了边界值即短路电流[I₀]的影响，[V_k][I₀]反映了边界电流[I₀]对[I_k]的影响。

计算得到各段的电流[I_k]，从而也就可计算得到整个电路模型中各个节点的电压。

矩量法思想主要是将几何目标剖分离散，在其上定义合适的基函数，然后建立积分方程，用权函数检验从而产生一个矩阵方程，求解该矩阵方程，即可得到几何目标上的电流分布，从而其它近远场信息可从该电流分布求得。

对于建立的计算模型，将其所描述的连续方程离散化为代数方程组，用线性矢量空间和算子表示如下：

L(f)＝g      (3)

式中：

L为算子，可以是微分算子或积分算子等；

g为源或激励；

f为场或响应。

假设空间为线性的，在算子L的定义域选择一组函数{f_n}，考虑基函数(展开权函数)I_n，将待求函数f展开为它们的组合。在L域内选择一组加权函数(检验基函数){W_m}，并以每个加权函数W_m取内积，得到如下矩阵形式：

[l_mn][I_n]＝[g_m]             (4)

式中：

[l_mn]为系数矩阵，$\left[l_{\mathrm{mn}}\right]=\left(\begin{array}{ccc}<W_1,{\mathrm{Lf}}_1>& <W_1,{\mathrm{Lf}}_2>& ···\\ <W_2,{\mathrm{Lf}}_1>& <W_2,{\mathrm{Lf}}_2>& ···\\ ···& ···& ···\end{array}\right),$W_m为加权函数，f_n为组合函数，m＝1，2，...，n；

[I_n]为基函数，$\left[I_n\right]=\left(\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\\ ···\end{array}\right);$

[g_m]为加权函数W_m与源或激励g的内积，$\left[g_m\right]=\left(\begin{array}{c}<W_1,g>\\ <W_2,g>\\ ···\end{array}\right).$

对于地电位的计算，当钢网或者接地网面积很大的时候，尤其是注入电流的频率比较高时，接地导体的内阻不可忽略，接地网上的电位处处不等，这时接地网计算模型的建立比较复杂。对此，使用导体表面上电位的连续性来建立方程组，即用各导体段上的漏电流来表示位于导体段外表面上导体段两端的电位差，而导体段内表面上导体段两端的电位差由导体段本身的阻抗和导体段上的轴向电流的乘积来表示，且这个电位差应当相等。

为简化计算量，对于导体间相互连接的复杂接地网，根据导体之间的连接点将接地网分为若干直线段导体，并作如下设定：

①在导体段中，轴向电流在每个端点和中点之间为常数，并且集中于导体的轴线上；

②在导体段表面，漏电流由导体段的中点集中流出。

对每一导体段，都可以建立其上漏电流与接地网注入电流的关系等式。最终可建立以各导体段上的漏电流为未知数的方程组如下：

式中：

N为接地网的导体段数；

a_ij为系数，i＝1，2，...，N，j＝1，2，...，N；

I_n，k为第k段导体上的漏电流，k＝1，2，...，N；

I_i，k为从第k段导体的一端注入接地网的电流，k＝1，2，...，N。

由求解上式得到的漏电流分布，可以求得地表电位分布。

本发明在计算过程中对高压架空线路计算模型的进行简化，从简化输电线路中分裂导线的计算模型入手(图3)。对于多分裂导线，采用CISPR[2]推荐的等效半径计算法，将多分裂导线等效为单根导线，其半径为：

$r_{\mathrm{eq}}=\frac{b}{2}\sqrt[n]{\frac{\mathrm{nd}}{b}}---\left(4\right)$

式中：

b为多分裂导线形成的圆的直径；

n为分裂导线数；

d为子导线直径。

雷电波是非正弦波，需要对雷电波进行分解，将其变为标准的正弦波。标准傅立叶级数展开要求函数为周期函数，而雷电波i(t)为非周期的脉冲波形。为了满足展开条件，就必须对它的波形进行周期延拓。假定函数i(t)定义在区间[0，t₁]上，并在此区间上满足狄里赫利条件，则可以将它展开为正弦级数，各项展开系数为：

$\left(\begin{array}{cc}{a}_0=0,b_0=\underset{0}{\overset{t_1}{\int }}i\left(t\right)\sin \frac{\mathrm{n\pi t}}{t_1}\mathrm{dt}& (n=\mathrm{1,2,3},...)\end{array}\right)---\left(5\right)$

基波的角频率ω₁＝2π/(100×10^-6)rad/s，谐波角频率为nω₁，式中n为各谐波的次数。展开进行到谐波幅值为雷电波幅值的1％后停止。傅立叶展开后的电流表达式为：

$i\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{I}_i\sin i{\omega }_{i}t=I_1\sin {\omega }_{1}t+I_2\sin 2{\omega }_{1}t+3I_3\sin 3{\omega }_{1}t+···---\left(6\right)$

然后在频域内使用矩量法进行求解，得到频域后，最后快速傅立叶反变换求得时域解。

埋地金属管道的腐蚀是金属管道在所处的环境中受化学和电化学作用下引起的一种损坏。埋地金属管道的化学腐蚀是全面性的腐蚀，在化学腐蚀的作用下，管壁厚度的减薄是均匀的，从管道穿孔破坏的角度看，化学腐蚀的危害性较小，通常以电化学腐蚀为主。

阴极保护通常有强制电流阴极保护和牺牲阳极阴极保护两种方法。强制电流阴极保护主要用于长输管道及市郊主干管道。牺牲阳极阴极保护是采用比被保护金属电极电位较负的金属材料和被保护金属相连，以防止被保护金属遭受腐蚀。通常用电极电位比铁更负的金属，如镁、铝、锌及其合金作为阳极。

本发明针对感性耦合和阻性耦合分别进行微缩比例模拟试验(图5)和冲击对地放电试验(图6)，验证建模计算分析的正确性和准确度。微缩比例模拟试验将实际输电线路成比例进行缩小，并依据模型制作材料等参数，对其施加一定强度的电源，保持其产生的磁场作用不变。冲击对地放电试验利用冲击电压发生器对地进行放电，模拟输电线路遭受雷击或发生接地短路故障时的瞬态，考察测量金属管道上的感应电压。

综合对上述影响因素的分析，提出有效的防护措施。对于感性耦合引起的干扰的防护，除在设计阶段保持适当距离外，还应从管道本身采取防护措施，主要有接地排流，其中以牺牲阳极接地排流为最佳(图7)。接地排流形式主要有：嵌位式排流器，电容排流器和二极管的极性排流器。对于阻性耦合引起的干扰的防护，主要是加大电力线路接地体和管道的距离，按石油行业标准SYJ36-1989，应至少3m，并应采取保护措施防止雷电和故障电流对管道的有害影响，如在绝缘法兰上串接避雷器和二极管保护器。电位梯度控制线(图8)是将一条或多条锌导线，并行埋在管道附近，将其规则地和管道相连。它不仅能抑制感性耦合干扰，也能抑制阻性耦合干扰，而且还能提供阴极保护。

实施例：

在埋地金属管道中，石油天然气管道是最重要且受干扰影响后果最为严重的管道之一。通过计算分析不同情况下金属管道上产生的感应电压等参数，可确定1000kV特高压交流输电线路对石油天然气管道的主要影响因素，包括土壤电阻率、输电线路电流、杆塔接地电阻、管道泄漏电阻、输电线路与管道的接近距离、并行长度等。

输电线路无论是通过感性耦合在管道上产生的感应电压，还是通过阻性耦合在管道附近产生的地电位升，都随着输电线路和管道接近距离的增大而减小。实际中应尽量增大输电线路和管道之间的距离以降低输电线路对管道电磁干扰的程度。在相同的接近距离下，输电线路通过感性耦合在管道上产生的感应电压和通过阻性耦合在管道附近产生的地电位升都随着土壤电阻率的升高而增大。在不考虑管道泄漏电阻的情况下，输电线路通过感性耦合在管道上产生的感应电压随着并行长度的增大而增大；但若考虑管道的泄漏电阻时，当并行长度增加到一定数值时，管道上的感应电压将达到一个定值，不再随着并行长度的增大而变化。输电线路通过感性耦合在管道上产生的感应电压随着管道泄漏电阻的增大而增大，但减小管道泄漏电阻不能对阻性干扰起抑制作用。无论输电线路处于何种状态，输电线路通过感性耦合在管道上产生的感应电压均随着输电线路负荷电流或入地电流的增大而增大，并且成正比的关系。

为了验证计算的正确性，针对输电线路和与其并行的金属管道进行现场实测，并建立相应模型计算对比，考察参数为金属管道上的感应电压。某输油管道(石油沥青涂层)与两条单回500kV输电线路并行16km。

现场实测交流干扰电压值为5.29V。采用本发明建模方法对整个系统进行简化后仿真计算，假设两条单回500kV输电线路输送电流均为500A，且两条单回线路从左至右依次为ABC、ABC排列，土壤电阻率为30Ω·m，在此点的计算值为5.9V，与实测数据比较吻合。考虑到实际测量不可避免的受周围环境等多种因素影响，可验证简化模型和计算方法是可行的。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。