750KV超高压对管道安全影响的消除方法
来源：《管道保护》杂志 作者：邢占元 张平平 谢伟 王智斌 时间：2018-7-21 阅读：
邢占元 张平平 谢伟 王智斌
中石油西部管道公司甘肃输油气分公司
1 引言
自国家西部大开发战略实施以来，西气东输、西油东输、西电东送等国家重点标志性工程相继建成通过河西走廊，油气管道与高压电网在此就不可避免的出现了并行及交叉跨越。
目前西北电网在甘肃省河西走廊修建的750KV超高压输变电线路与西部管道甘肃输油气分公司的原油成品油管道存在10处交叉跨越。通过西部管道甘肃分公司近段时间的观察测量， 750KV超高压输变电线路的投产除了会对管道的防腐造成影响外，还会与管道的安全巡线产生冲突。
2 电磁感应对管道的影响
2.1 空间电场与磁场关系
国家《电磁辐射管理办法》规定100千伏以上为电磁强辐射工程。麦克斯韦认为：磁场中沿任意闭合回路磁场强度的环流应等于此闭合回路所围住的全电流。这就是全电流的安培环路定律。即：
在规划电网电压等级时，通常用自然功率来 粗略的比较不同电压等级的输电能力。自然功率是在输电线路上相当于式1-3的波阻抗负荷时线路所输送的功率，其中Lo是输电线路的单位长度串联电感， Co是线路单位长度的电容。自然功率如式1-4
据此可算得不同电压等级的输电线路的自然功率如表2-1所示
表2-1 电压等级与输电线路的自然功率
2.3 阴极保护测试桩
西部管道甘肃段的阴极保护测试桩的标准设计是：桩高3000 mm,直径140 mm,桩基础埋深800mm,地上部分2200 mm。
2.4 建模分析
结合全电流的安培环路定律，法拉第电磁感应定律，不考虑测试桩与大地相连，建立三维空间中测试桩感应电势随输电周期变化模型（为便于建模将测试桩放大十倍），结果如下图所示。
从图中标志点（坐标z缩小十倍）可以看出穿跨越附近的测试桩因电磁感应产生的电势很小，因风沙影响实际测试桩只有2/3左右露出地面，而且测试桩本身是接地的，所以由于电磁感应产生的电势单独不足以对人造成危害。
3 工频电场对管道的影响
3.1 计算仿真
根据工频电场分布规律，选取高压线上一点的等效电荷，建立工程应用中完全可以接受的计算地面工频电场强度的误差在10％以内的简单数学模型，其空间电势分布仿真结果如下图2-1，图2-2所示。图中标志点分别标注线高15.5 m（米）19.5 m处的工频电场强度。
图3-1 线高15.5 m处的工频电场强度
图3-2 线高19.5 m处的工频电场强度
从仿真结果可以看出线高15.5——19.9 m时750 KV输电线路下方的最大电压3.5—6.3 kV／m，考虑到可能出现的测试桩和行人（路边）的不利情况， NRPB导则提出 ：“在50 Hz工频场之下，已经报告说，磁场20－50 μT和电场约为1.7kV∕m，能改变绝大多数灵敏心脏起搏器行为的阈值” ,“如果起搏器携带者不进入电场大于2 kV/m和磁通密度大于20 μT的时变场内，不会对起搏器正常工作干扰”。所以在有750 KV穿跨越的地区所有巡线工均不得是起搏器携带者。
3.2 场强造成暂态电击
考虑到西部管道甘肃输油段管道多处于戈壁沙漠地区，地面干燥，测试桩容易成为对地绝缘体，人在工频电场中接触与地绝缘的物体，因电场强度不同将产生暂态电击。电场强度E<3 kV／m时，人感觉不到暂态电击；电场强度处在3 kV／m<E< 6kV／m区间时，人感觉暂态电击有轻微的刺激感。试验和统计分析表明，稳态工频电场强度阈值15 kV／m与暂态工频电场强度阈值5kV／m是可以接受的。从仿真结果可以看出线高15.5——19.9 m时750 KV输电线路下方的最大电压3.5—6.3 kV／m，测试桩一旦成为对地绝缘体将会对人造成暂态电击。
3.3 测试桩电火花及接触放电
美国特高压（UHV）计划，在试验线下对人进行了强电场感觉反应试验，试验结果为：机率为10%的人在10—15 KV/m电场强度下开始有感觉，当场强达到15—25 KV/m时，人体普遍感到头发刺激，身体，尤其是手臂，和衣服之间感到刺痛，而且这种刺痛有少数人感到不能接受。……当产生重复火花放电时，人有神经过敏的反应和无力继续工作之感。当人体与带不同电位的物体相当靠近时，即使没有接触也可能发生火花放电。有一组与地绝缘的志愿者，每人举起手指尖靠近接地物体，“10%的人感觉到有火花放电的阈值是0.6—1.5 kV/m。引起烦恼的阈值大约会是2.0-3.5 kV/m。大的接触电流可能引起肌肉收缩。在男性志愿者中，在50/60 Hz时50%的人不能释放带电物体的阈值电流9 mA”。
表3-1人体电阻值
通过自2010年12月25日750 KV超高压投产以来对跨越处的管道测试桩的测量发现部分测试桩在经过尖端放电后的测试电位已达24至36伏。从表3-1可以看出人体电阻值在一定范围内波动，人体电阻的通常值是1500—300000欧姆间变化，计算流过人体电流的等效电路见图3-3。
图3-3 计算流过人体电流的等效电路
结果可以看出，在这种情况下，通过人体的电流在0.1 mA至20 mA之间变化。人体对不同大小的电流反应见表3-2，对人体健康可能造成的伤害是,当人与测试桩接触时电流持续地通过人体，这一值处于摆脱电流（女性6 mA，男性9 mA）之间。
表3-2 人体对电流的反应
考虑到河西走廊管段管道多处于戈壁沙漠地区，地面干燥，测试桩容易成为对地绝缘体，在累加电磁感应的电势，人在接触测试桩时存在发生电击的危险。故此该段管道巡护及阴保日常维护工作将无法进行。
4 消除措施
4.1 国内现状
2010年西北电网甘肃分公司针对750kv输电线路提出“交流输电线路对输油输气管道电磁影响研究”被列为国家电网公司基建新技术研究课题，虽研究成果丰硕，其新研制的预绞丝型防震锤获得国家实用新型专利，但是没能解决输油气管道测试桩带电问题，测试桩依然带电，影响管道保护电位，甚至出现尖端放电现象。目前国内外对于电磁干扰一般做法是加装屏蔽措施，但对于管道测试桩加装屏蔽措施，虽可以解决测试桩带电问题，但是屏蔽后存在测试桩电位无法 采集，以及屏蔽金属线易丢失，且造价高昂等问题；或者在管道测试桩下阴保接线点管道两侧加装去耦合器，使用跨接电缆连接两端管段，防止干扰电流影响管道阴保系统，该方法不仅造价高昂，无法检测阴保电位，且无法保护去耦合器之间的管道免受腐蚀。如何解决750kv输电线路线下长输管道测试桩因电磁干扰严重带电问题，消除测试桩带电对管道管理的危害已成为一项技术难题。
4.2 需解决的技术问题
要解决750kv输电线路线下长输管道测试桩因电磁干扰严重带电问题需要克服电磁屏蔽法及去耦合器法存在的弊病；消除测试桩因750KV输电线路干扰所带的电荷；在消除测试桩所带电荷的同时不会对管道阴保系统产生二次干扰；新设计的设备必须能够有效防止测试桩及管道腐蚀。
4.3 电路设计
管道测试桩因750kv输电线路电磁干扰产生聚集于测试桩表面的电荷（电流的集肤效应），所以利用电流的集肤效应在测试桩外表面处的引接两根大于15m、并与管道垂直的铜导线，根据磁场中的高斯定律制作两根同轴互相反向缠绕铜导线实现电磁场互相抵消，达到消减电流，消除二次感应，防止二次干扰的目的,在铜线远离测试桩的一侧在将每根导线分成两路，一路串联电容、二极管，在电容和二极管间引接一与测试桩通过磁通量相同的铜线圈（或金属线圈，保护二极管），用以排除交流干扰；一路将电感、二极管与压敏电阻（防雷用压敏电阻用以保护二极管）并联后整体串联。因存在瞬间电磁干扰产生过高电流损坏二极管所以在电容连接的两路导线连接磁通量相同的铜线圈，在电感连接的两路二极管并联压敏电阻用于保护二极管。另一根导线的两路连接方式与第一根导线一致。对于测试桩产生的直流和交流电再分别经四路电感、电容导入大地。具体设计电路如下图所示:
附图说明
1.掺入1:02的木炭和盐的混合物
2.电容
3.低频电感器
4.防雷用压敏电阻
5.与管道测试桩磁通量相同铜线圈（或金属线圈）
6.二极管（实现电流单项导通保护测试桩免受腐蚀）
7.接地体有效截面积大于48mm2，长度1至3m的金属棒
4.4 现场验证
以乌兰管道1427#测试桩为例，在该设计没有实施前管道测试桩电位高达30多伏，该发明2012年9月2日在乌兰管道1427#测试桩应用后，当天每10分钟测量一次，经过6小时不间断测量以及9月3日每小时测量一次，现场经过8小时测量，万用表显示电压均在0.001-0.008V之间，证明测试桩严重带电现象已消除，至本月经过7个月对该测试桩电位每月复测，依然正常。且测试桩管道保护电位维持在-1.023至-1.048V之间，管道阴保电位恢复正常。证明本设计成功消除了750kv输电线路线下长输管道测试桩因电磁干扰严重带电问题，消除测试桩带电对管道保护电位的影响。使管道保护电位处于正常水平。 ◢
参考文献
[1] 国家电网公司 .110kV～750kV架空输电线路设计技术规定.2008.3.1：15-30.
[2] 张广洲，路 遥，万保权等.750 kV同塔双回线路电磁环境控制值研究. 国网武汉高压研究院.2007.
[3] 邬雄，万保权，张广洲等．750 kV输变电工程电磁环境问题的研究[R】武汉：武汉高压研究所，2002．
[4] 曾庆禹. 特高压输电线路地面最大工频电场强度和导线最大弧垂特性. 北京市：中国电力科学研究院，2008.3:2-8
[5] 薛定宇. 控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言及应用. 清华大学大学出版社. 1996
[6] 薛定宇. 反馈控制系统设计与分析——MATLAB
语言应用. 清华大学出版社.2000
2014年第1期（总第14期）
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