基于空間仿真模型分析750kV超高壓對管道安全巡檢的影響|安全運行研究|管道保護網

基于空間仿真模型分析750kV超高壓對管道安全巡檢的影響

來源：西部管道甘肅輸油分公司作者：邢占元寇乾謝偉張平平王智斌時間：2018-4-24 閱讀：

摘要：西北電網在甘肅省河西走廊修建的750 kV超高壓輸變電線路與中國石油西部管道甘肅輸油分公司的原油、成品油管道存在10處交叉跨越。 750 kV超高壓輸變電線路的投產除了會對管道的防腐造成影響外，還會與管道的安全巡線產生沖突。主要分析了電磁感應與工頻電場對管道巡線、尤其是對陰保測試樁的影響。并通過建模仿真分析了750 kV超高壓輸變電線路對管道巡護管理的危害及日常管理中防止可能發生危險的預防措施。

關鍵詞： 750kV 管道陰保測試樁電磁感應電場強度建模仿真

1. 引言

自國家西部大開發戰略實施以來，西氣東輸、西油東輸、西電東送等國家重點標志性工程相繼建成。河西走廊已成為我國重要的能源走廊。但由于河西走廊為寬數公里至近百公里的西北至東南走向的狹長平地，形如走廊，油氣管道與高壓電網在此不可避免的出現了并行及交叉跨越。

目前， 750 kV超高壓輸變電線路與原油成品油管道存在10處交叉跨越。通過西部管道甘肅輸油分公司觀察測量， 750 kV超高壓輸變電線路的投產除了會對管道的防腐造成影響外，還會與管道的安全巡線產生沖突。

2. 電磁感應對管道巡線的影響

2.1 空間電場與磁場關系

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：磁場中沿任意閉合回路磁場強度的環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路定律。即：

法拉指出位移電流的本質：變化的電場要產生磁場。感生電場：變化的磁場在其周圍空間激發一種電場，稱之為感生電場。

2.2 輸電線路的自然功率

在規劃電網電壓等級時，通常用自然功率來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路上相當于式1-3的波阻抗負荷時線路所輸送的功率，其中Lo是輸電線路的單位長度串聯電感，Co是線路單位長度的電容。自然功率如式1-4

據此可算得不同電壓等級的輸電線路的自然功率如表2-1所示

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800 mm，地上部分2200 mm。

2.4 建模分析

結合全電流的安培環路定律，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（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生的電勢很小，因風沙影響實際測試樁只有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生的電勢單獨不足以對人造成危害。

3. 工頻電場對管道巡線的影響

3.1 計算仿真

根據工頻電場分布規律，選取高壓線上一點

的等效電荷，建立工程應用中完全可以接受的地面工頻電場強度的誤差在10％以內的簡單數學模型，其空間電勢分布仿真結果如下圖2-1，圖2-2所示。圖中標志點分別標注線高15.5 m、 19.5 m處的工頻電場強度。

從仿真結果可以看出線高15.5——19.9 m時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工頻場之下，磁場20－50μT和電場約為1.7 kV/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入電場大于2 kV/m和磁通密度大于20μT的時變場內，不會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工均不得是起搏器攜帶者。

3.2 場強造成暫態電擊

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，人在工頻電場中接觸與地絕緣的物體，因電場強度不同將產生暫態電擊。電場強度E<3 kV/m時，人感覺不到暫態電擊；電場強度處在3 kV/m<E<6kV/m區間時，人感覺暫態電擊有輕微的刺激感。試驗和統計分析表明，穩態工頻電場強度閾值15 kV/m與暫態工頻電場強度閾值5 kV/m是可以接受的。從仿真結果可以看出線高15.5——19.9 m時750 kV輸電線路下方的最大電壓3.5—6.3 kV/m，測試樁一旦成為對地絕緣體將會對人造成暫態電擊。

3.2 測試樁電火花及接觸放電

美國特高壓（UHV）計劃，在試驗線下對人進行了強電場感覺反應試驗，試驗結果為：機率為10%的人在10—15 kV/m電場強度下開始有感覺，當場強達到15—25 kV/m時，人體普遍感到頭發、身體刺激，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。當產生重復火花放電時，人有神經過敏的反應和無力繼續工作之感。當人體與帶不同電位的物體靠近時，即使沒有接觸也可能產生火花放電。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50%的人不能釋放帶電物體的閾值電流9 mA”。

通過自2010年12月25日750 kV超高壓投產以來對跨越處的管道測試樁的測量發現，部分測試樁帶電已達20多伏，部分時間甚至達到36伏。從表3-1可以看出人體電阻值在一定范圍內波動，人體電阻的通常值是1500—300000Ω間變化，計算流過人體電流的等效電路見圖3-3。

通過測試結果可以看出，在這種情況下，通過人體的電流在0.1 mA至20 mA之間變化。人體對不同大小的電流反應見表3-2，對人體健康可能造成的傷害是，人與測試樁接觸時電流持續地通過人體，這一值處于擺脫電流（女性6mA，男性9mA）之間。電流值依人和觸電時間而有所不同。一般認為，可引起感覺的臨界電流值是1mA。 9—25mA的電流可以使肌肉失去控制力。研究表明，手臂和腿之間的最大安全電流是100mA持續3秒鐘，電流再大就會可能由于心臟的心室纖維性顫動而造成死亡。