邢占元 張平平 謝偉 王智斌

中石油西部管道公司甘肅輸油氣分公司

1 引言

自國家西部大開(kāi)發(fā)戰略實(shí)施以來(lái)，西氣東輸、西油東輸、西電東送等國家重點(diǎn)標志性工程相繼建成通過(guò)河西走廊，油氣管道與高壓電網(wǎng)在此就不可避免的出現了并行及交叉跨越。

目前西北電網(wǎng)在甘肅省河西走廊修建的750KV超高壓輸變電線(xiàn)路與西部管道甘肅輸油氣分公司的原油成品油管道存在10處交叉跨越。通過(guò)西部管道甘肅分公司近段時(shí)間的觀(guān)察測量， 750KV超高壓輸變電線(xiàn)路的投產(chǎn)除了會(huì )對管道的防腐造成影響外，還會(huì )與管道的安全巡線(xiàn)產(chǎn)生沖突。

2 電磁感應對管道的影響

2.1 空間電場(chǎng)與磁場(chǎng)關(guān)系

國家《電磁輻射管理辦法》規定100千伏以上為電磁強輻射工程。麥克斯韋認為：磁場(chǎng)中沿任意閉合回路磁場(chǎng)強度的環(huán)流應等于此閉合回路所圍住的全電流。這就是全電流的安培環(huán)路定律。即：

    法拉指出位移電流的本質(zhì)：變化的電場(chǎng)要產(chǎn)生磁場(chǎng)。感生電場(chǎng):變化的磁場(chǎng)在其周?chē)�空間激發(fā)一種電場(chǎng)，稱(chēng)之為感生電場(chǎng)。

    2.2 輸電線(xiàn)路的自然功率

在規劃電網(wǎng)電壓等級時(shí)，通常用自然功率來(lái) 粗略的比較不同電壓等級的輸電能力。自然功率是在輸電線(xiàn)路上相當于式1-3的波阻抗負荷時(shí)線(xiàn)路所輸送的功率，其中Lo是輸電線(xiàn)路的單位長(cháng)度串聯(lián)電感， Co是線(xiàn)路單位長(cháng)度的電容。自然功率如式1-4

據此可算得不同電壓等級的輸電線(xiàn)路的自然功率如表2-1所示

表2-1 電壓等級與輸電線(xiàn)路的自然功率

2.3 陰極保護測試樁

西部管道甘肅段的陰極保護測試樁的標準設計是：樁高3000 mm,直徑140 mm,樁基礎埋深800mm,地上部分2200 mm。

2.4 建模分析

結合全電流的安培環(huán)路定律，法拉第電磁感應定律，不考慮測試樁與大地相連，建立三維空間中測試樁感應電勢隨輸電周期變化模型（為便于建模將測試樁放大十倍），結果如下圖所示。

從圖中標志點(diǎn)（坐標z縮小十倍）可以看出穿跨越附近的測試樁因電磁感應產(chǎn)生的電勢很小，因風(fēng)沙影響實(shí)際測試樁只有2/3左右露出地面，而且測試樁本身是接地的，所以由于電磁感應產(chǎn)生的電勢單獨不足以對人造成危害。

3 工頻電場(chǎng)對管道的影響

3.1 計算仿真

根據工頻電場(chǎng)分布規律，選取高壓線(xiàn)上一點(diǎn)的等效電荷，建立工程應用中完全可以接受的計算地面工頻電場(chǎng)強度的誤差在10％以?xún)鹊暮?jiǎn)單數學(xué)模型，其空間電勢分布仿真結果如下圖2-1，圖2-2所示。圖中標志點(diǎn)分別標注線(xiàn)高15.5 m（米）19.5 m處的工頻電場(chǎng)強度。

圖3-1 線(xiàn)高15.5 m處的工頻電場(chǎng)強度

圖3-2 線(xiàn)高19.5 m處的工頻電場(chǎng)強度

從仿真結果可以看出線(xiàn)高15.5——19.9 m時(shí)750 KV輸電線(xiàn)路下方的最大電壓3.5—6.3 kV／m，考慮到可能出現的測試樁和行人（路邊）的不利情況， NRPB導則提出 ：“在50 Hz工頻場(chǎng)之下，已經(jīng)報告說(shuō)，磁場(chǎng)20－50 μT和電場(chǎng)約為1.7kV∕m，能改變絕大多數靈敏心臟起搏器行為的閾值” ,“如果起搏器攜帶者不進(jìn)入電場(chǎng)大于2 kV/m和磁通密度大于20 μT的時(shí)變場(chǎng)內，不會(huì )對起搏器正常工作干擾”。所以在有750 KV穿跨越的地區所有巡線(xiàn)工均不得是起搏器攜帶者。

3.2 場(chǎng)強造成暫態(tài)電擊

考慮到西部管道甘肅輸油段管道多處于戈壁沙漠地區，地面干燥，測試樁容易成為對地絕緣體，人在工頻電場(chǎng)中接觸與地絕緣的物體，因電場(chǎng)強度不同將產(chǎn)生暫態(tài)電擊。電場(chǎng)強度E<3 kV／m時(shí)，人感覺(jué)不到暫態(tài)電擊；電場(chǎng)強度處在3 kV／m<E< 6kV／m區間時(shí)，人感覺(jué)暫態(tài)電擊有輕微的刺激感。試驗和統計分析表明，穩態(tài)工頻電場(chǎng)強度閾值15 kV／m與暫態(tài)工頻電場(chǎng)強度閾值5kV／m是可以接受的。從仿真結果可以看出線(xiàn)高15.5——19.9 m時(shí)750 KV輸電線(xiàn)路下方的最大電壓3.5—6.3 kV／m，測試樁一旦成為對地絕緣體將會(huì )對人造成暫態(tài)電擊。

3.3 測試樁電火花及接觸放電

美國特高壓（UHV）計劃，在試驗線(xiàn)下對人進(jìn)行了強電場(chǎng)感覺(jué)反應試驗，試驗結果為：機率為10%的人在10—15 KV/m電場(chǎng)強度下開(kāi)始有感覺(jué)，當場(chǎng)強達到15—25 KV/m時(shí)，人體普遍感到頭發(fā)刺激，身體，尤其是手臂，和衣服之間感到刺痛，而且這種刺痛有少數人感到不能接受�！�…當產(chǎn)生重復火花放電時(shí)，人有神經(jīng)過(guò)敏的反應和無(wú)力繼續工作之感。當人體與帶不同電位的物體相當靠近時(shí)，即使沒(méi)有接觸也可能發(fā)生火花放電。有一組與地絕緣的志愿者，每人舉起手指尖靠近接地物體，“10%的人感覺(jué)到有火花放電的閾值是0.6—1.5 kV/m。引起煩惱的閾值大約會(huì )是2.0-3.5 kV/m。大的接觸電流可能引起肌肉收縮。在男性志愿者中，在50/60 Hz時(shí)50%的人不能釋放帶電物體的閾值電流9 mA”。

表3-1人體電阻值

通過(guò)自2010年12月25日750 KV超高壓投產(chǎn)以來(lái)對跨越處的管道測試樁的測量發(fā)現部分測試樁在經(jīng)過(guò)尖端放電后的測試電位已達24至36伏。從表3-1可以看出人體電阻值在一定范圍內波動(dòng)，人體電阻的通常值是1500—300000歐姆間變化，計算流過(guò)人體電流的等效電路見(jiàn)圖3-3。

圖3-3　計算流過(guò)人體電流的等效電路

結果可以看出，在這種情況下，通過(guò)人體的電流在0.1 mA至20 mA之間變化。人體對不同大小的電流反應見(jiàn)表3-2，對人體健康可能造成的傷害是,當人與測試樁接觸時(shí)電流持續地通過(guò)人體，這一值處于擺脫電流（女性6 mA，男性9 mA）之間。

表3-2 人體對電流的反應

考慮到河西走廊管段管道多處于戈壁沙漠地區，地面干燥，測試樁容易成為對地絕緣體，在累加電磁感應的電勢，人在接觸測試樁時(shí)存在發(fā)生電擊的危險。故此該段管道巡護及陰保日常維護工作將無(wú)法進(jìn)行。

4 消除措施

4.1 國內現狀

2010年西北電網(wǎng)甘肅分公司針對750kv輸電線(xiàn)路提出“交流輸電線(xiàn)路對輸油輸氣管道電磁影響研究”被列為國家電網(wǎng)公司基建新技術(shù)研究課題，雖研究成果豐碩，其新研制的預絞絲型防震錘獲得國家實(shí)用新型專(zhuān)利，但是沒(méi)能解決輸油氣管道測試樁帶電問(wèn)題，測試樁依然帶電，影響管道保護電位，甚至出現尖端放電現象。目前國內外對于電磁干擾一般做法是加裝屏蔽措施，但對于管道測試樁加裝屏蔽措施，雖可以解決測試樁帶電問(wèn)題，但是屏蔽后存在測試樁電位無(wú)法 采集，以及屏蔽金屬線(xiàn)易丟失，且造價(jià)高昂等問(wèn)題；或者在管道測試樁下陰保接線(xiàn)點(diǎn)管道兩側加裝去耦合器，使用跨接電纜連接兩端管段，防止干擾電流影響管道陰保系統，該方法不僅造價(jià)高昂，無(wú)法檢測陰保電位，且無(wú)法保護去耦合器之間的管道免受腐蝕。如何解決750kv輸電線(xiàn)路線(xiàn)下長(cháng)輸管道測試樁因電磁干擾嚴重帶電問(wèn)題，消除測試樁帶電對管道管理的危害已成為一項技術(shù)難題。

4.2 需解決的技術(shù)問(wèn)題

要解決750kv輸電線(xiàn)路線(xiàn)下長(cháng)輸管道測試樁因電磁干擾嚴重帶電問(wèn)題需要克服電磁屏蔽法及去耦合器法存在的弊��；消除測試樁因750KV輸電線(xiàn)路干擾所帶的電荷；在消除測試樁所帶電荷的同時(shí)不會(huì )對管道陰保系統產(chǎn)生二次干擾；新設計的設備必須能夠有效防止測試樁及管道腐蝕。

4.3 電路設計

管道測試樁因750kv輸電線(xiàn)路電磁干擾產(chǎn)生聚集于測試樁表面的電荷（電流的集膚效應），所以利用電流的集膚效應在測試樁外表面處的引接兩根大于15m、并與管道垂直的銅導線(xiàn)，根據磁場(chǎng)中的高斯定律制作兩根同軸互相反向纏繞銅導線(xiàn)實(shí)現電磁場(chǎng)互相抵消，達到消減電流，消除二次感應，防止二次干擾的目的,在銅線(xiàn)遠離測試樁的一側在將每根導線(xiàn)分成兩路，一路串聯(lián)電容、二極管，在電容和二極管間引接一與測試樁通過(guò)磁通量相同的銅線(xiàn)圈（或金屬線(xiàn)圈，保護二極管），用以排除交流干擾；一路將電感、二極管與壓敏電阻（防雷用壓敏電阻用以保護二極管）并聯(lián)后整體串聯(lián)。因存在瞬間電磁干擾產(chǎn)生過(guò)高電流損壞二極管所以在電容連接的兩路導線(xiàn)連接磁通量相同的銅線(xiàn)圈，在電感連接的兩路二極管并聯(lián)壓敏電阻用于保護二極管。另一根導線(xiàn)的兩路連接方式與第一根導線(xiàn)一致。對于測試樁產(chǎn)生的直流和交流電再分別經(jīng)四路電感、電容導入大地。具體設計電路如下圖所示:

附圖說(shuō)明

1.摻入1:02的木炭和鹽的混合物

2.電容

3.低頻電感器

4.防雷用壓敏電阻

5.與管道測試樁磁通量相同銅線(xiàn)圈（或金屬線(xiàn)圈）

6.二極管（實(shí)現電流單項導通保護測試樁免受腐蝕）

7.接地體有效截面積大于48mm2，長(cháng)度1至3m的金屬棒

4.4 現場(chǎng)驗證

以烏蘭管道1427#測試樁為例，在該設計沒(méi)有實(shí)施前管道測試樁電位高達30多伏，該發(fā)明2012年9月2日在烏蘭管道1427#測試樁應用后，當天每10分鐘測量一次，經(jīng)過(guò)6小時(shí)不間斷測量以及9月3日每小時(shí)測量一次，現場(chǎng)經(jīng)過(guò)8小時(shí)測量，萬(wàn)用表顯示電壓均在0.001-0.008V之間，證明測試樁嚴重帶電現象已消除，至本月經(jīng)過(guò)7個(gè)月對該測試樁電位每月復測，依然正常。且測試樁管道保護電位維持在-1.023至-1.048V之間，管道陰保電位恢復正常。證明本設計成功消除了750kv輸電線(xiàn)路線(xiàn)下長(cháng)輸管道測試樁因電磁干擾嚴重帶電問(wèn)題，消除測試樁帶電對管道保護電位的影響。使管道保護電位處于正常水平。 ◢

參考文獻

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2014年第1期（總第14期）