张雪东 吴广春 王修云 赵芸黎

安科工程技术研究院（北京）有限公司

 

摘要：利用数值模拟计算软件结合现场测试数据，建立了埋地油气管道受新建光伏发电系统杂散电流干扰的模型，计算研究了交流电缆对管道稳态交流干扰、箱变站单相故障下的暂态交流干扰和光伏发电组件对管道直流干扰，依据相关标准要求，对管道杂散电流干扰风险进行了评价。计算结果表明，本文案例中管道受新建光伏发电项目的交直流杂散电流干扰风险低，无须采取缓解措施。

关键词：光伏发电系统；埋地油气管道；杂散电流；干扰

 

光伏发电是指利用太阳能电池的P-N结光生伏打效应原理有效地吸收太阳光辐射能，通过转换装置使之转变成电能。由于路由有限，光伏发电项目与埋地油气管道并行的现象陆续出现，给管道带来了潜在的杂散电流干扰风险。目前国内外公开的文献资料中针对光伏发电项目对临近埋地油气管道杂散电流干扰的研究鲜有报道，给管道运营管理人员带来了一定的困扰和疑惑。以国内某新建光伏发电项目及穿越其厂区的油气管道为例，采用数值模拟计算方法（SES CDEGS计算软件），计算分析了管道受到杂散电流干扰的风险，可为相关从业者提供一定的参考借鉴。

1  案例介绍

某新建光伏发电项目装机总容量为40 MW，共布置10个光伏子阵，每个子阵中26块组件（540 Wp单晶组件）串联为1个光伏组串，每24路组串接入一台250 kW组串逆变器，每12台组串逆变器接入1台3000 kVA升压变压器，将逆变器输出的800 V交流电升压至35 kV。项目主接地网采用50 mm×5 mm镀铜扁钢材料水平接地体为主，水平接地网深0.8 m，设计接地电阻为4 Ω；光伏组件最大功率540 Pmax/Wp、开路电压47.6 Voc/V、短路电流14.8 Isc/A、最佳工作电压39.2 Vmpp/V、最佳工作电流13.78 Impp/A，项目相关电气参数见表 1、表 2。

表 1 电缆参数

 

表 2 集输电路箱变站电流参数 

目标管道外径426 mm，壁厚8 mm，防腐层类型为3PE，采用外加电流方式进行防护。管道5#～7#测试桩约900 m（其中约400 m与光伏组件、35 kV电缆近似平行）位于光伏发电场址内，35 kV集电线路与管道存在1处交叉。项目接地系统与管道最小间距约9 m（图 1）。通过对5#～7#测试桩长时间电位监测，采用1.0 cm²试片，监测数据涵盖试片交流干扰电压、直流通/断电电位，显示当前干扰环境状况下管道交流干扰小、干扰电压最大约为0.20 V，管道交流干扰轻微，试片极化稳定后断电电位为﹣0.86 VCSE～﹣0.92 VCSE，管道阴极保护状况良好（表 3）。

图 1 新建光伏发电项目与管道相对位置关系示意 

表 3 管道测试桩阴极保护和交流干扰参数测试数据

2  评价指标确定

本项目涉及的潜在管道杂散电流干扰风险包含两类：0.8 kV交流电缆（逆变器—箱变站）+35 kV集电线路交流电缆稳态交流干扰、箱变站单相故障下的暂态交流干扰；光伏发电组件对管道直流干扰影响。依据相关的杂散电流干扰评价标准确定本项目的评价指标如下。

（1）交流电缆稳态交流干扰参考国标GB/T 40377―2021《金属和合金的腐蚀 交流腐蚀的测定 防护准则》：交流干扰电压小于15 V，交流电流密度小于30 A/m²。

（2）箱变站单相故障下的暂态交流干扰。涂层耐受电压参考武汉大学高压实验室2007年的研究项目《输电线路接地系统对地下金属管道的影响研究》中的相关研究成果，PE防腐层金属管道的工频耐压取57 kV（对应的峰值电压约80 kV）；人身安全参考GB/T 50065―2011《交流电气装置的接地设计规范》，接触电压（UT）和跨步电压（US）按式（1）、式（2）计算（故障持续时间ts取0.2 s，ρs 为土壤电阻率）：

（3）光伏发电组件对管道的直流干扰参考GB 50991―2014《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》：有阴极保护管道，应满足管道最小保护电位要求，即保护电位位于﹣0.85 VCSE～﹣1.20 VCSE。

3  干扰预测评估

3.1  交流电缆对管道稳态交流干扰

交流输电线路正常运行时，由于电压波动导致三相电流不平衡，GB/T 15543―2008《电能质量三相电压不平衡》规定“电网正常运行时，长时电压不平衡度不超过2%，短时不得超过4%”。关于不平衡度的计算有两种方法：①不平衡度＝（最大电流－最小电流）/最大电流；②不平衡度＝（最大相电流－三相平均电流）/三相平均电流。不平衡度的大小将直接决定管道受到的电磁感应干扰程度，因此为了保证评估结果的保守性、全面性、准确性，采用第一种方法进行计算。

基于交流电缆交流干扰模型与输电线路运行参数，采用SES CDEGS数值模拟软件计算评估了交流电缆于A相不同平衡度下管道交流干扰状况，结果如图 2和表 4所示。可知：管道交流干扰电压和电流密度随不平衡度增加而增大，交流干扰电压和电流密度随管道里程的变化趋势一致，在管道与集电电缆交叉点附近出现干扰峰值，交流干扰电压最大值为1.57 V，交流电流密度最大值为6.22 A/m²，随着管道与集电电缆相互间距的增加，沿线交流干扰程度降低，管道整体交流干扰风险弱，无须采取交流排流措施。

图 2 稳态交流干扰计算结果

表 4 交流电缆对管道稳态干扰

 

3.2  箱变站单相故障下的暂态交流干扰

新建光伏发电项目共有箱变站10座，3#箱变站距管道11 m。因此本部分重点考虑3#箱变站发生单相故障情况下管道受交流干扰风险的评估，按照设计参数，箱变站发生接地短路和短路时的故障电流分别为960 A和6400 A，故障持续时间均为0.2 s。采用SES CDEGS数值模拟软件计算评估3#箱变站发生单相故障时管道受干扰状况。管道涂层耐受电压、接触电压和跨步电压计算结果如图 3所示。可知3#箱变站发生接地短路和短路故障时，涂层耐受电压最大值分别为163.8 V、24.6 V，远小于涂层耐受电压安全限值，涂层损伤风险小；影响区域内管道接触电压最大值分别为159.7 V、23.9 V，远小于安全限值504 V，人员接触触电风险小；管道沿线路跨步电压最大值分别为0.41 V/m、0.06 V/m，远小于安全限值862 V/m，人员跨步电压风险小。箱变站单相故障下的管道暂态交流干扰风险低。

图 3 暂态交流干扰计算结果 

3.3  光伏发电组件对管道直流干扰

GB/T 37408―2019《光伏发电并网逆变器技术要求》中关于光伏组件绝缘性能指标规定：预期阻抗按照每平方米的绝缘方阵40 MΩ计算；故障时，对于功率大于30 kVA的逆变器，允许的着火漏电流限值为10 mA/kVA有效值。本文中光伏组件面积为2.63 m²，组件对地有效绝缘电阻RISO为15.2 MΩ，26个组件组成一个组串。因此，正常运行情况下单个组串对地泄漏总电流为0.905 mA。项目中，共计2849个组串，光伏正常运行情况下组件对地泄漏总电流为2579 mA；故障时，单个组串逆变器允许的泄漏电流为2500 mA。

泄漏电流一部分直接经接地系统回流至组串逆变器，对管道无杂散电流干扰影响，另一部分经附近金属构筑物（如埋地金属管道）回流至组串逆变器，从而对埋地金属管道产生直流杂散电流干扰影响。泄漏点距管道越近管道受直流干扰风险越大，本文中距离管道最近的逆变器为3#子阵逆变器，选取03-02#逆变器作为研究对象。本小节考虑两种工况下的管道直流干扰分析：光伏发电系统正常运行时、03-02#逆变器短路故障。

采用SES CDEGS软件中的CorrCAD模块建立直流干扰计算分析模型，基于现场土壤测试的X52钢试样极化曲线（图 4）和现场管道阴极保护测试数据，计算得到两种工况下管道沿线极化电位分布（图 5）。可知：工况（1）下管道电位最大偏移量约0.2 mV，基本无偏移，管道直流干扰风险低；工况（2）下管道电位最大偏移量约5 mV，基本无偏移，管道直流干扰风险低。需要指出的是，由于光伏系统的逆变器数量较多，单个逆变器发生故障时根据上文的计算结果可知对管道的影响较小，但如果多个逆变器同时发生故障时，可能会对管道产生明显的直流干扰，应加以注意。

图 4 X52钢试样极化曲线 

图 5 直流干扰下管道沿线断电电位分布 

4  结论

（1）利用数值模拟计算软件结合现场测试数据，建立了埋地油气管道受新建光伏发电系统杂散电流干扰的模型，计算研究了交流电缆对管道稳态交流干扰、箱变站单相故障下的暂态交流干扰和光伏发电组件对管道直流干扰，依据相关标准要求，对管道杂散电流干扰风险进行了评价。

（2）计算结果表明，本文案例中管道受新建光伏发电项目的交直流杂散电流干扰风险低，无须采取缓解措施。

（3）目前针对新建光伏系统对管道的杂散电流干扰专项研究较少，其数值模拟计算方法、边界条件的选取等方面有待进一步的研究。同时，公开报道的管道受光伏发电系统现场实际的干扰监检测数据较少，对于其干扰风险的评估缺乏坚实可靠的现场数据基础，有待进一步工作和数据积累。

作者简介：张雪东，1990年生，本科，工程师，完整性管理工程师，主要研究方向为腐蚀与防护。联系方式：15353183195，1534271972@qq.com。