邹绍维 何显荣

国家管网集团华南公司广东输油一部

 

摘要：探讨了高压电网对油气管道的复杂干扰机制，并针对由此产生的电磁干扰、温升等问题设计了一系列防护措施。研究采用实地测量和仿真模拟相结合的方法，系统评估了油气管道在高压电网环境中的表征。通过在湛江500 kV输变电工程周围的油气管道上安装电磁屏蔽、涂覆耐高温防腐涂层以及进行结构强化，有效减少了电磁干扰和温升，提高了管道的结构稳定性。应用效果表明，上述措施有效提升了管道的运行安全和环境适应能力。

关键词：高压电网；油气管道防护；电磁干扰控制；结构稳定性

 

油气管道与高压电网同为能源输送的关键基础设施，管道在运行过程中，可能会受到邻近高压电网运行引起的复杂电磁环境的影响。为深入研究电磁影响机理，有效保护油气管道本体安全，本文以湛江新建500 kV输变电工程交叉多处油气管道为研究对象，通过前期调研测量、模拟评估和设计施工全流程，深入探讨高压电网对油气管道运行的影响及如何实施有效防护。

1  前期调研

1.1  高压输电线路与油气管道交叉情况

湛江新建500 kV输变电工程路由同时交叉多条输油、输气管道。新建高压线路接地网设计时已充分避免接地网射线接近管道。其中，跨越成品油A段管道交叉点9处，跨越成品油B段管道交叉点2处，跨越成品油C段管道交叉点5处，跨越天然气D段管道交叉点4处，跨越原油E段管道交叉点3处。

1.2  交流干扰测量

对油气管道开展干扰电压和交流腐蚀电流密度测量（表 1），结果表明，新建500 kV输变电工程投运前，A、B、C、D、E段管道干扰电压与交流腐蚀电流密度均小于限值，交流腐蚀风险受控，管道均处于有效阴极保护状态。

表 1 管道投运前交流干扰测量

1.3  系统及土壤参数

500 kV线路正常工况长期运行单回最大电流通常为510 A，考虑较严酷的情况，取不平衡为1%，计算时取A相电流为1.01倍最大输送电流，B相电流为最大输送电流，C相电流为0.99倍最大输送电流。表层土壤电阻率取交叉跨越点土壤电阻率2 m极距测试值的平均值（表 2）。

表 2 土壤模型参数

2  模拟评估

2.1  模型建立

根据前期收集到的数据及信息，利用仿真软件的阴极保护专用模块完成管道间干扰模型，包括管道模型、阴极保护系统模型及土壤结构模型。利用数值模拟预测多物理场耦合下新建500 kV输变电工程对油气管道A、B、C、D、E段的杂散电流干扰水平（图 1）。

图 1 模拟评估技术路线

2.2  物理场模拟

（1）电场对管道的影响。电场引起的电磁感应效应对油气管道的多方面影响在高压电网运行期间显著[1]。电场强度导致管道表面电荷的积聚，进而引发管道表面局部电势的显著升高。为全面理解这一现象，采用有限元分析（FEA）进行电场模拟，为管道的安全设计提供科学可靠的定量依据[2]。

通过对电场的数值模拟，评估不仅关注电势的空间分布，还深入研究了电场引起的局部电势升高的时间动态变化。这对于理解电场在不同运行阶段对管道表面电势的影响至关重要[3]。根据输电线路及油气管道参数建立仿真模型，模型包括输电线路19条，管道5条。

（2）磁场对管道的影响。高压电网运行引起的磁场对油气管道可能导致多种效应。磁场感应效应使得管道内产生感应电流，从而引起局部加热。通过详细的数值模拟，深入研究磁场对管道感应电流的影响，准确量化感应电流对管道温升的贡献。此外，对磁场对管道金属结构的力学影响进行应力分析，揭示磁场对管道材料强度的潜在影响，为管道设计提供可靠的理论基础，确保其在电磁环境中的可靠性与稳定性[4]。高压电网不同工况对管道的干扰有以下几种：①输电线路正常运行时，电感性耦合起主导作用。②输电线路发生短路故障时，管道同时承受暂态电感性耦合干扰与传导性耦合干扰影响。③雷击输电线路杆塔时，雷电流由输电线路杆塔注入大地，与短路故障工况类似，管道系统同时承受暂态电感性耦合干扰与传导性耦合干扰影响。因此，雷电流、负载电流、短路电流与天然气管道的具有耦合关系（图 2）。

图 2 输电线路与管道电磁耦合关系示意图

利用所建立的模型，模拟湛江500 kV输变电工程投运前邻近管道所受交流干扰水平，并与实测数据对比（表 3），校核计算方法的有效性。

表 3 模拟仿真数据与实测数据对比表

（3）研究磁场引起的感应电流后，为准确量化感应电流对管道温升的影响，将涉及对感应电流能量损耗的定量计算，以及这些损耗如何影响管道的温度分布。通过对温升进行深入分析，能够量化磁场引起的热效应对管道的潜在危害，为管道的热防护策略提供科学可行的指导[5]。

模拟注入雷电流波形为 2.6/50 μs，幅值为 50 kA，管道与线路间距为100 m。雷击点对应相应杆塔。模拟显示越靠近杆塔雷击点的杆塔入地电流越高。电流峰值到达时间也随着距离的增加而推迟，而临近雷击点处的管道防腐层感应电压明显高于远处管道。

（4）此外，磁场对管道金属结构的力学影响和电流通过引起的管道振动分析也在模拟中分析，磁场感应效应可能引起管道金属材料的局部变形和应力集中，高压电流通过管道时可能引起的振动是一个重要但常常被忽视的问题。通过深入的模拟分析，有助于评估多物理场耦合下的电磁环境对管道材料的其他潜在影响，并为管道防护设计提供依据。

针对以上物理场的仿真模拟分析结果，为减缓高压电网对交叉管道的影响，对管道采取了相应的防护设计。

3  管道防护设计与施工

3.1  防护材料与涂层设计

电磁屏蔽材料的选择与设计。电磁屏蔽材料在管道设计中起着关键作用，能有效减小电磁场对管道的影响。通过数值模拟，选取ZR-1锌带作为电磁屏蔽材料，与管道并行敷设，埋深2 m。

耐高温涂层的设计与优化。管道在高压电网运行中会面临高温环境，由于跨越段管道原防腐层为环氧粉末材料，耐热性较差，因此需要设计具有良好耐高温性能的防腐材料。本项目对邻近影响段管道100 m范围内的防腐层进行开挖，采用粘弹体+聚丙烯冷缠带置换，管道要求打磨至金属色后涂刷环氧富锌底漆，再采用粘弹体防腐带缠绕，最后用聚丙烯冷缠带包覆，以提高其在高温条件下的保护效果。

3.2  管道电气连接设计

接地设计。管道良好的接地是确保电气安全的重要措施。该项目采用锌带沿管道两侧平行敷设方式，同组锌带选用同一批号或开路电位相近的锌带。本工程锌带组采用ZR-1型，选择水平式埋设，其锌带埋设位置一般距管道外壁2 m，最小不宜小于0.5 m。

电气连接材料选择。在电气连接方面，选择合适的电气连接材料对于确保管道的电气连通性至关重要。排流器安装在防爆箱内，电缆通过铜接线端子用螺栓压接，连接牢固，保证完全电气连通。防爆接线盒由镀锌钢管支撑，电缆（1×16 mm²）穿过镀锌钢管进出防爆接线盒。排流器安装后及雷雨后应做定期检测，以保证其安全可靠。

3.3  防护施工方案

排流施工要求。采用浅埋锌带地床+固态去耦合器进行排流。每处地床均沿管道两侧平行布置。地床埋深2 m，配合使用降阻剂进一步保证地床的接地良好。两侧地床通过电缆接入测试桩，再通过固态去耦合器与管道相接（图 3）。

图3 管道防护排流地床布置

电气连接施工流程。因关系到管道的电气性能，选择合适的接地电极并按照设计要求进行安装和布置十分重要。电气连接接头的制作需要专业技术，确保接头的电气连接性能优良。采用有效的连接方法，如焊接或螺栓连接，保证接头的稳固性和导电性。

投运后测试。通过安装电磁屏蔽、耐高温防腐涂层以及进行结构强化后，在湛江500 kV输变电工程送电后对管道防护措施效果进行测试（图 4）。结果表明，管道在排流后，交流干扰基本受到充分控制，8个测试点交流干扰峰值电压均未超过标准规定的4 V。

图 4 交流干扰峰值电压测试结果

4  结语

通过对湛江新建500 kV高压电网项目运行产生的电磁场、热场等物理场的模拟评估，研究了高压电网对油气管道的干扰影响，制定了相应的防护策略。应用效果表明，通过设计安装电磁屏蔽材料、涂覆耐高温涂层、安装接地系统，做好电气连接材料的选择和电气连接接头的制作，可有效提升管道在电磁环境中的安全性和稳定性。在类似特高压电网新建项目与油气管道交叉工程越来越多的形势下，开展电流、磁场、热场等多物理场的耦合分析十分必要，通过数值模拟和现场测量验证，能够对油气管道采取针对性防护措施。后续还需进一步加强实地测试，以优化既有防护措施，并不断探索管道防护新技术，应对电磁环境变化带来的新挑战。

 

参考文献：

[1]罗楚军，吴高波，李健.特高压单回线路正常运行时对平行埋地油气管道的电磁影响[J].智能电网，2016(06)：612-617.

[2]郭磊，李元杰，姜辉，等.交流电网对管道持续干扰分析建模边界的确定方法[J].电瓷避雷器，2023(02)：62-70+77.

[3]王磊. 油气管网公平开放中政企协同的问题与对策研究[D].电子科技大学，2022.

[4]杨昌群，林样，汪涛，等.双环网冗余的PLC系统在油气管道中的应用[J].中国仪器仪表，2020(05)：30-33.

[5]苑舜，吕忠.直流线路与油气管道运行影响及综合治理措施[J].中国电力企业管理，2020(13)：50-52.

作者简介：邹绍维，1984年生，本科，工程师，现任广东输油一部副经理，从事管道保护10余年。联系方式：18218040344，zousw@pipechina.com.cn。