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(guó)家西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施以來(lái)，西氣東輸、西油東輸、西電東送等國(guó)家重點(diǎn)標(biāo)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(xiàn)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)間的觀察測(cè)量， 750KV超高壓輸變電線路的投產(chǎn)除了會(huì)對(duì)管道的防腐造成影響外，還會(huì)與管道的安全巡線產(chǎn)生沖突。

2 電磁感應(yīng)對(duì)管道的影響

2.1 空間電場(chǎng)與磁場(chǎng)關(guān)系

國(guó)家《電磁輻射管理辦法》規(guī)定100千伏以上為電磁強(qiáng)輻射工程。麥克斯韋認(rèn)為：磁場(chǎng)中沿任意閉合回路磁場(chǎng)強(qiáng)度的環(huán)流應(yīng)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)在其周圍空間激發(fā)一種電場(chǎng)，稱之為感生電場(chǎng)。

    2.2 輸電線路的自然功率

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

據(jù)此可算得不同電壓等級(jí)的輸電線路的自然功率如表2-1所示

表2-1 電壓等級(jí)與輸電線路的自然功率

2.3 陰極保護(hù)測(cè)試樁

西部管道甘肅段的陰極保護(hù)測(cè)試樁的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)是：樁高3000 mm,直徑140 mm,樁基礎(chǔ)埋深800mm,地上部分2200 mm。

2.4 建模分析

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

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

3 工頻電場(chǎng)對(duì)管道的影響

3.1 計(jì)算仿真

根據(jù)工頻電場(chǎng)分布規(guī)律，選取高壓線上一點(diǎn)的等效電荷，建立工程應(yīng)用中完全可以接受的計(jì)算地面工頻電場(chǎng)強(qiáng)度的誤差在10％以內(nèi)的簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型，其空間電勢(shì)分布仿真結(jié)果如下圖2-1，圖2-2所示。圖中標(biāo)志點(diǎn)分別標(biāo)注線高15.5 m（米）19.5 m處的工頻電場(chǎng)強(qiáng)度。

圖3-1 線高15.5 m處的工頻電場(chǎng)強(qiáng)度

圖3-2 線高19.5 m處的工頻電場(chǎng)強(qiáng)度

從仿真結(jié)果可以看出線高15.5——19.9 m時(shí)750 KV輸電線路下方的最大電壓3.5—6.3 kV／m，考慮到可能出現(xiàn)的測(cè)試樁和行人（路邊）的不利情況， NRPB導(dǎo)則提出 ：“在50 Hz工頻場(chǎng)之下，已經(jīng)報(bào)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(shù)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(nèi)，不會(huì)對(duì)起搏器正常工作干擾”。所以在有750 KV穿跨越的地區(qū)所有巡線工均不得是起搏器攜帶者。

3.2 場(chǎng)強(qiáng)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(qū)，地面干燥，測(cè)試樁容易成為對(duì)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(qiáng)度不同將產(chǎn)生暫態(tài)電擊。電場(chǎng)強(qiáng)度E<3 kV／m時(shí)，人感覺(jué)不到暫態(tài)電擊；電場(chǎng)強(qiáng)度處在3 kV／m<E< 6kV／m區(qū)間時(shí)，人感覺(jué)暫態(tài)電擊有輕微的刺激感。試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析表明，穩(wěn)態(tài)工頻電場(chǎng)強(qiáng)度閾值15 kV／m與暫態(tài)工頻電場(chǎng)強(qiáng)度閾值5kV／m是可以接受的。從仿真結(jié)果可以看出線高15.5——19.9 m時(shí)750 KV輸電線路下方的最大電壓3.5—6.3 kV／m，測(cè)試樁一旦成為對(duì)地絕緣體將會(huì)對(duì)人造成暫態(tài)電擊。

3.3 測(cè)試樁電火花及接觸放電

美國(guó)特高壓（UHV）計(jì)劃，在試驗(yàn)線下對(duì)人進(jìn)行了強(qiáng)電場(chǎng)感覺(jué)反應(yīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為：機(jī)率為10%的人在10—15 KV/m電場(chǎng)強(qiáng)度下開(kāi)始有感覺(jué)，當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)達(dá)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(shù)人感到不能接受。……當(dāng)產(chǎn)生重復(fù)火花放電時(shí)，人有神經(jīng)過(guò)敏的反應(yīng)和無(wú)力繼續(xù)工作之感。當(dāng)人體與帶不同電位的物體相當(dāng)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(duì)跨越處的管道測(cè)試樁的測(cè)量發(fā)現(xiàn)部分測(cè)試樁在經(jīng)過(guò)尖端放電后的測(cè)試電位已達(dá)24至36伏。從表3-1可以看出人體電阻值在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，人體電阻的通常值是1500—300000歐姆間變化，計(jì)算流過(guò)人體電流的等效電路見(jiàn)圖3-3。

圖3-3　計(jì)算流過(guò)人體電流的等效電路

結(jié)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(duì)不同大小的電流反應(yīng)見(jiàn)表3-2，對(duì)人體健康可能造成的傷害是,當(dāng)人與測(cè)試樁接觸時(shí)電流持續(xù)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(duì)電流的反應(yīng)

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

4 消除措施

4.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

2010年西北電網(wǎng)甘肅分公司針對(duì)750kv輸電線路提出“交流輸電線路對(duì)輸油輸氣管道電磁影響研究”被列為國(guó)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(yù)絞絲型防震錘獲得國(guó)家實(shí)用新型專利，但是沒(méi)能解決輸油氣管道測(cè)試樁帶電問(wèn)題，測(cè)試樁依然帶電，影響管道保護(hù)電位，甚至出現(xiàn)尖端放電現(xiàn)象。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于電磁干擾一般做法是加裝屏蔽措施，但對(duì)于管道測(cè)試樁加裝屏蔽措施，雖可以解決測(cè)試樁帶電問(wèn)題，但是屏蔽后存在測(cè)試樁電位無(wú)法 采集，以及屏蔽金屬線易丟失，且造價(jià)高昂等問(wèn)題；或者在管道測(cè)試樁下陰保接線點(diǎn)管道兩側(cè)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(tǒng)，該方法不僅造價(jià)高昂，無(wú)法檢測(cè)陰保電位，且無(wú)法保護(hù)去耦合器之間的管道免受腐蝕。如何解決750kv輸電線路線下長(zhǎng)輸管道測(cè)試樁因電磁干擾嚴(yán)重帶電問(wèn)題，消除測(cè)試樁帶電對(duì)管道管理的危害已成為一項(xiàng)技術(shù)難題。

4.2 需解決的技術(shù)問(wèn)題

要解決750kv輸電線路線下長(zhǎng)輸管道測(cè)試樁因電磁干擾嚴(yán)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病；消除測(cè)試樁因750KV輸電線路干擾所帶的電荷；在消除測(cè)試樁所帶電荷的同時(shí)不會(huì)對(duì)管道陰保系統(tǒng)產(chǎn)生二次干擾；新設(shè)計(jì)的設(shè)備必須能夠有效防止測(cè)試樁及管道腐蝕。

4.3 電路設(shè)計(jì)

管道測(cè)試樁因750kv輸電線路電磁干擾產(chǎn)生聚集于測(cè)試樁表面的電荷（電流的集膚效應(yīng)），所以利用電流的集膚效應(yīng)在測(cè)試樁外表面處的引接兩根大于15m、并與管道垂直的銅導(dǎo)線，根據(jù)磁場(chǎng)中的高斯定律制作兩根同軸互相反向纏繞銅導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)電磁場(chǎng)互相抵消，達(dá)到消減電流，消除二次感應(yīng)，防止二次干擾的目的,在銅線遠(yuǎn)離測(cè)試樁的一側(cè)在將每根導(dǎo)線分成兩路，一路串聯(lián)電容、二極管，在電容和二極管間引接一與測(cè)試樁通過(guò)磁通量相同的銅線圈（或金屬線圈，保護(hù)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(hù)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(dǎo)線連接磁通量相同的銅線圈，在電感連接的兩路二極管并聯(lián)壓敏電阻用于保護(hù)二極管。另一根導(dǎo)線的兩路連接方式與第一根導(dǎo)線一致。對(duì)于測(cè)試樁產(chǎn)生的直流和交流電再分別經(jīng)四路電感、電容導(dǎo)入大地。具體設(shè)計(jì)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(cè)試樁磁通量相同銅線圈（或金屬線圈）

6.二極管（實(shí)現(xiàn)電流單項(xiàng)導(dǎo)通保護(hù)測(cè)試樁免受腐蝕）

7.接地體有效截面積大于48mm2，長(zhǎng)度1至3m的金屬棒

4.4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

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

參考文獻(xiàn)

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2014年第1期（總第14期）