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

自國家西部大開發(fā)戰(zhàn)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通過河西走廊，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。通過西部管道甘肅分公司近段時間的觀察測量， 750KV超高壓輸變電線路的投產(chǎn)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(chǎn)生沖突。

2 電磁感應對管道的影響

2.1 空間電場與磁場關系

國家《電磁輻射管理辦法》規(guī)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(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)：變化的電場要產(chǎn)生磁場。感生電場:變化的磁場在其周圍空間激發(fā)一種電場，稱之為感生電場。

    2.2 輸電線路的自然功率

在規(guī)劃電網(wǎng)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(lián)電感， Co是線路單位長度的電容。自然功率如式1-4

據(jù)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

表2-1 電壓等級與輸電線路的自然功率

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（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(chǎn)生的電勢單獨不足以對人造成危害。

3 工頻電場對管道的影響

3.1 計算仿真

根據(jù)工頻電場分布規(guī)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計算地面工頻電場強度的誤差在10％以內(nèi)的簡單數(shù)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（米）19.5 m處的工頻電場強度。

圖3-1 線高15.5 m處的工頻電場強度

圖3-2 線高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(xiàn)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，已經(jīng)報告說，磁場20－50 μT和電場約為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入電場大于2 kV/m和磁通密度大于20 μT的時變場內(nèi)，不會對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(qū)，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(chǎn)生暫態(tài)電擊。電場強度E<3 kV／m時，人感覺不到暫態(tài)電擊；電場強度處在3 kV／m<E< 6kV／m區(qū)間時，人感覺暫態(tài)電擊有輕微的刺激感。試驗和統(tǒng)計分析表明，穩(wěn)態(tài)工頻電場強度閾值15 kV／m與暫態(tài)工頻電場強度閾值5kV／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(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(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�！�…當產(chǎn)生重復火花放電時，人有神經(jīng)過敏的反應和無力繼續(xù)工作之感。當人體與帶不同電位的物體相當靠近時，即使沒有接觸也可能發(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”。

表3-1人體電阻值

通過自2010年12月25日750 KV超高壓投產(chǎn)以來對跨越處的管道測試樁的測量發(fā)現(xiàn)部分測試樁在經(jīng)過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(nèi)波動，人體電阻的通常值是1500—300000歐姆間變化，計算流過人體電流的等效電路見圖3-3。

圖3-3　計算流過人體電流的等效電路

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,當人與測試樁接觸時電流持續(xù)地通過人體，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(qū)，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法進行。

4 消除措施

4.1 國內(nèi)現(xiàn)狀

2010年西北電網(wǎng)甘肅分公司針對750kv輸電線路提出“交流輸電線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用新型專利，但是沒能解決輸油氣管道測試樁帶電問題，測試樁依然帶電，影響管道保護電位，甚至出現(xiàn)尖端放電現(xiàn)象。目前國內(nèi)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題，但是屏蔽后存在測試樁電位無法 采集，以及屏蔽金屬線易丟失，且造價高昂等問題；或者在管道測試樁下陰保接線點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(tǒng)，該方法不僅造價高昂，無法檢測陰保電位，且無法保護去耦合器之間的管道免受腐蝕。如何解決750kv輸電線路線下長輸管道測試樁因電磁干擾嚴重帶電問題，消除測試樁帶電對管道管理的危害已成為一項技術難題。

4.2 需解決的技術問題

要解決750kv輸電線路線下長輸管道測試樁因電磁干擾嚴重帶電問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輸電線路干擾所帶的電荷；在消除測試樁所帶電荷的同時不會對管道陰保系統(tǒng)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，根據(jù)磁場中的高斯定律制作兩根同軸互相反向纏繞銅導線實現(xiàn)電磁場互相抵消，達到消減電流，消除二次感應，防止二次干擾的目的,在銅線遠離測試樁的一側在將每根導線分成兩路，一路串聯(lián)電容、二極管，在電容和二極管間引接一與測試樁通過磁通量相同的銅線圈（或金屬線圈，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)生過高電流損壞二極管所以在電容連接的兩路導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)壓敏電阻用于保護二極管。另一根導線的兩路連接方式與第一根導線一致。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圈（或金屬線圈）

6.二極管（實現(xiàn)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，長度1至3m的金屬棒

4.4 現(xiàn)場驗證

以烏蘭管道1427#測試樁為例，在該設計沒有實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6小時不間斷測量以及9月3日每小時測量一次，現(xiàn)場經(jīng)過8小時測量，萬用表顯示電壓均在0.001-0.008V之間，證明測試樁嚴重帶電現(xiàn)象已消除，至本月經(jīng)過7個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輸電線路線下長輸管道測試樁因電磁干擾嚴重帶電問題，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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[6] 薛定宇. 反饋控制系統(tǒng)設計與分析——MATLAB

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2014年第1期（總第14期）