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          管道研究

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          直流輸電對油氣管道電磁干擾影響及防護措施

          來源:《管道保護》雜志 作者:錢玉華 孟祥華 時間:2019-7-17 閱讀:

          錢玉華 孟祥華

          中國石化天然氣榆濟管道分公司

           

          摘 要:就特高壓直流輸電線路正常運行、單極運行短路故障和雷擊時對埋地油氣管道電磁干擾的影響機理和安全限值進行了研究,提出了削減電磁干擾影響的防護措施,可為加強油氣管道安全管理工作提供參考。

          關鍵詞:直流輸電;油氣管道;影響機理;安全限值;防護措施

           

           

          直流輸電線路與埋地油氣管道相鄰時,對管道可能造成的電磁干擾有三個方面:一是輸電線路正常運行時諧波電流對管道產生的交流感應電壓影響;二是輸電線路單極大地回線運行時接地極對管道產生的直流干擾腐蝕影響;三是輸電線路發生單極接地故障時的短路電流以及桿塔遭受雷擊時的沖擊電流,對管道防腐層及人身安全的影響。如果上述影響的數值超過所允許的安全限值,則可能會對管道安全運行造成隱患[1,2]。

          對電磁干擾的影響機理、安全限值進行研究分析,提出削減電磁干擾影響的防護措施,對于保障油氣管道安全運行具有積極作用。


          1 電磁干擾影響因素

          直流輸電線路對埋地油氣管道的電磁干擾影響因素可分為容性耦合、感性耦合、阻性耦合三類。

          1.1 容性耦合

          直流輸電線路導線上有電壓,其周圍存在電場,由于靜電感應作用,管道上產生感應電壓。絕大部分油氣管道埋地敷設,大地對電場有良好的屏蔽作用,可忽略容性耦合影響。對于正在建設或者維修時管道可能裸露在地面的情況,通過對管道進行分段接地,同樣可能消除容性耦合影響。

          1.2 感性耦合

          直流輸電線路導線上存有不同頻率的諧波電流,會在周圍產生交變磁場,當直流輸電線路與管道鄰近時,交變磁場通過電磁感應,在管道上產生感應電壓。直流輸電線路正常運行或單極運行時,都會對埋地管道產生感性耦合影響。管道交流干擾電壓的大小,跟管道與輸電線路位置關系,輸電線路電流大小及頻率,管道防腐層電阻率、土壤電阻率等有關。

          管道的防腐層不可能是絕對絕緣的,此感應電壓通過管道縱向阻抗、對地阻抗及大地構成的回路產生對地泄漏電流,從而產生交流腐蝕。通常防腐層的漏點處是電流進出的主要通道,交流腐蝕也最為嚴重。另外當管道上感應電壓較高時,可能影響在管道上進行測量或維修作業的人員安全。

          1.3 阻性耦合

          直流輸電線路的桿塔設有接地裝置,當輸電線路出現短路故障或者遭受雷擊時,一部分電流 I G會從鐵 塔的接地裝置(接地阻抗為 Z G)流入大地,此時鐵塔電位為 U Gmax=I G×Z G。電流通過大地向遠處擴散,周圍地表電位會產生一定的電位升U G ,從而使經過的管道對地電位升高。圖 1為鐵塔附近地表電位的衰減示意圖,由此可見,當桿塔接地距離管道較近時,短路故障或者遭受雷擊時管道電位大幅上升,可能擊穿管道防腐層或者對在管道上進行測量或維修作業的人員造成不利影響。

          直流輸電線路會定期切換成單極大地運行模式進行線路檢修。此時電流通過接地極向土壤無窮遠擴散,從而形成回路,接地極處入地電流會達到幾千安培。當經過油氣管道時,電流可能從管道防腐層或者場站閥室接地進出管道,從而使管道發生直流雜散電流干擾腐蝕,管道電位變化嚴重時甚至會影響恒電位設備運行,造成絕緣接頭或法蘭故障。


          2 電磁干擾影響安全限值

          為確保管道作業人員人身安全、防止管道防腐層擊穿、減小管道腐蝕,在線路路由選擇和建設運行中,必須將各種影響控制在安全限值內。所以在輸電線路工程設計時通過計算或者在輸電線路建成投用后需要通過測試相關干擾數值,與安全限值進行比較。

          2.1 人身安全電壓限值

          輸電線路正常運行時,主要考慮諧波電流在管道上的感應電壓。一般情況下,只有管道工作人員在測試電位或者維修時才有可能觸碰到與管道金屬部分有連接的裸露金屬部件,參照GB 6830―1986《電信線路遭受強電線路危險影響的允許值》,選取針對職業人員的 60 V 作為人體長時間安全電壓限值。在輸電工程設計時通過加拿大模擬軟件計算感應電壓值或在輸電線路建成后直接使用萬用表測試,得出的數值可與60 V相比較。

          輸電線路出現短路故障時,作用時間一般很短且發生的概率較小,有管道工作人員在測試電位或者維修作業的幾率更小,參照DL/T 5340―2006《輸電線路對電信線路危險和干擾影響防護設計規程》,選取3 000 V(峰值)作為人體瞬時安全電壓限值。在輸電工程設計時,可以通過公式U Gmax=I G×Z G計算桿塔處最大電位(短路電流I G可參考選取典型參數10 kA),進而通過鐵塔附近地表電位的衰減示意圖大概測算管道電位,測算出的數值可與3 000 V相比較。

          2.2 管道防腐層安全電壓限值

          目前,針對直流輸電線路單極接地故障及遭受雷擊時對管道防腐層電壓產生的影響,國內外尚無明確的限值要求?蓞⒖嘉錆h大學《輸電線路接地系統對地下金屬管道的影響研究》中的相關成果: FBE管道的工頻耐壓為14 kV~15 kV,雷電沖擊耐壓為28 kV; 3PE層管道的工頻耐壓為57 kV,雷電沖擊耐壓為109 kV。在輸電工程設計時,可以通過公式U Gmax=I G×Z G計算桿塔處最大電位(短路電流I G可參考選取典型參數10 kA,雷電電流I G可參考選取典型參數200 kA),進而通過鐵塔附近地表電位的衰減示意圖大概測算管道電位,測算出的數值可與相應限值相比較。

          2.3 管道交流腐蝕限值

          目前,針對直流輸電諧波電流引起的管道交流腐蝕影響,國內外尚無明確的限值要求。所以參照GB 50698―2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》中規定的識別評價參數作為腐蝕限值。當管道上的交流干擾電壓不高于4 V時,可不采取交流干擾防護措施;高于4 V時,應采用交流電流密度進行評估,交流電流密度可按下式計算:

           

          當交流電流密度>100 A/m2時,應采取交流干擾防護措施;當30 A/m2≤交流電流密度≤100 A/m2時,宜采取交流干擾防護措施;當交流電流密度<30 A/m2時可不采取交流干擾防護措施。在輸電工程設計時通過加拿大模擬軟件計算感應電壓值或在輸電線路建成后直接使用萬用表測試,得出的數值可與相應限值相比較。

          2.4 管道直流腐蝕限值

          針對直流輸電線路單極大地運行模式對管道產生的直流雜散電流干擾腐蝕,可參照GB 50991―2014《埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準》中規定的識 別評價參數作為腐蝕限值。對于沒有實施陰極保護的管道,當任意點上的管地電位相對于自然電位正向或負向偏移超過20 mV,應確認存在直流干擾;當任意點上管地電位相對于自然電位正向偏移大于或等于l00 mV時,應及時采取干擾防護措施。對于已投運陰極保護的管道,當干擾導致管道不滿足最小保護電位要求時,應及時采取干擾防護措施。在輸電工程建成后使用測試自然電位或極化電位得出的數值可與相應限值相比較。


          3 電磁干擾防護措施

          (1)在進行輸電線路桿塔建設時,應該盡量降低電力系統接地極電阻,從而減小阻性耦合對油氣管道的電磁干擾影響。

          (2)當電磁影響超過人身安全電壓限值時,可在管道測試樁等位置設置接地墊,避免接觸電壓和跨步電壓對操作人員的危害。

          (3)當電磁干擾影響超過管道防腐層安全電壓限值或交直流腐蝕限值時,應設置排流設施來削減電磁干擾危害。針對管道防腐層電壓超限,宜采取鋅帶直接接地;針對交流腐蝕超限,宜采用固態去耦合器排流防護;針對直流腐蝕超限,宜采取直接排流與強制排流結合的方法進行防護。

          (4)在與直流輸電系統相鄰處,應在管道上安裝試片,通過開挖檢測,實際確定電磁干擾對管道所造成的危害程度。排流設施投用后,要實際測量排流效果。


          4 結論

          (1)特高壓輸電線路與埋地油氣管道鄰近時,可通過容性耦合、感性耦合、阻性耦合作用對管道電位和交流電壓產生影響。

          (2)當輸電線路工程建設單位向油氣管道管理單位進行路由協商時,相關各方應確保電磁干擾影響值在安全限值內,盡量避免線路桿塔及換流站接地極距離管道過近。線路桿塔與管道的垂直距離應大于一倍的桿塔高度,換流站接地極與管道的垂直距離宜盡可能遠。

          (3)當輸電線路電磁干擾影響超過安全限值時,后建方應采取多種工程防護措施確保管道及作業人員安全。

           

          參考文獻:

          [1] 李丹丹. 高壓直流輸電線路對某埋地金屬管道的干擾規律研究[D]. 成都: 西南石油大學, 2014.

          [2] 程明, 張平. 魚龍嶺接地極入地電流對西氣東輸二線埋地鋼質管道的影響分析[J]. 天然氣與石油,2010, 28(5): 22.

           

          作者:錢玉華,男, 1989年生, 2011年畢業于中國石油大學(北京)油氣儲運工程專業,主要從事管道保護、腐蝕控制等工作。

          2019年第4期(總第47期)

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