超高压交流输电线路对埋地金属管道的感性耦合计算模型研究.pdf

第 45 卷第 4 期2023 年 7 月 湖北大学学报(自然科学版)Journal of Hubei University(Natural Science)Vol.45No.4July 2023文章编号:10002375(2023)04063409收稿日期:20220812基金项目:国网公司科技项目(SGXJDK00LCJS2100035)资助作者简介:秦澔澔(1989),男,工程师,E-mail:396084208 超高压交流输电线路对埋地金属管道的感性耦合计算模型研究秦澔澔1,万星辰1,翟羽翔2,冯满1,邓慰1,王城闻笛2(1.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司,湖北 武汉 430074;2.国网湖北省电力公司襄阳供电公司,湖北 襄阳 441000)摘要:超高压交流输电线路在运行时会对埋地金属管道产生感性耦合影响.本文中基于传输线理论,首先推导出金属管道和输电线路理想平行时的感性耦合计算模型,进一步推导出输电线路和金属管道斜接近、交叉时的互感系数求解公式,据此通过等效思想将以往对地干扰电压计算的复杂微分方程简化为多元一次微分方程组,大幅度减少计算量,进而运用该简化模型研究典型影响参数对感性耦合的影响规律,并与现有软件仿真模拟结果做对比.结果表明:该简化计算模型可与 Matlab、Mathmatic 等数学模拟软件相结合,方便快速地获得干扰段的感性耦合电压值,可用于设计单位便捷计算管道各点的对地电压及纵向电流,快速评估管道受故障电流感性耦合影响,该方法具有有效性和可行性.关键词:感性耦合;简化计算模型;超高压输电线路;埋地金属管道中图分类号:TM723文献标志码:ADOI:10.3969/j.issn.1000-2375.2023.00.032著录信息:秦澔澔,万星辰,翟羽翔,等.超高压交流输电线路对埋地金属管道的感性耦合计算模型研究J.湖北大学学报(自然科学版),2023,45(4):634-642.DOI:10.3969/j.issn.1000-2375.2023.00.032.QIN H H,WAN X C,ZHAI Y X,et al.The model of inductive coupling calculation between ultra-high voltage AC transmission lines and buried metal pipelinesJ.Journal of Hubei University(Natural Science),2023,45(4):634-642.DOI:10.3969/j.issn.1000-2375.2023.00.032.The model of inductive coupling calculation between ultra-high voltage AC transmission lines and buried metal pipelinesQIN Haohao1,WAN Xingchen1,ZHAI Yuxiang2,FENG Man1,DENG Wei1,WANG Chengwendi2(1.Wuhan NARI Limited Liability Company,State Grid Electric Power Research Institute,Wuhan 430074,China;2.State Grid Hubei Electric Power Co.,Ltd.,Xiangyang Power Supply Company,Xiangyang 441000,China)Abstract:The operation of ultra-high voltage AC transmission lines have an inductive coupling effect on buried metal pipelines.Based on transmission line theory,firstly,an inductive coupling model was derived for the ideal parallel of metal pipeline and transmission line,and further deduced the transmission lines and metal pipes of mutual inductance coefficient of oblique approaching and cross formulas.Based on this,the complex differential equation for calculating the ground disturbance voltage was simplified to a set of multiple primary differential equations by the equivalent method,which greatly reduced the computation.And then we used the simplified model of typical influence parameters on the influence law of inductive coupling,and compared with the existing software simulation results.The results show that the simplified calculation model can be combined with mathematical simulation software such as Matlab,Mathmatic,quickly and conveniently to obtain the interference period of inductive coupling voltage value,can be used for rapid assessment unit pipeline design affected by fault current inductive coupling,and it is convenient to calculate pipeline to ground voltage and the 第 4 期秦澔澔,等:超高压交流输电线路对埋地金属管道的感性耦合计算模型研究635 longitudinal current at every point,has the validity and feasibility.Key words:inductive coupling;simplified calculation model;ultra-high voltage AC transmission line;buried metal pipeline 0引言我国能源由于空间分布不均匀,大部分能源需要远距离输送,现阶段超高压架空输电线路和埋地油气金属管道分别成为电能和石油天然气的主要输送方式,而二者在选址时均遵循“路权择优”的原则,公共走廊出现的地方越来越多,超高压交流输电线路对埋地油气金属管道产生的电磁干扰已经成为一个亟待解决的问题.超高压交流输电线路正常运行时,对埋地管道的感性耦合是主要的影响方式1,它会加速管道的交流腐蚀,严重时会损坏阴极保护设备2,甚至造成运维人员的触电事故,因此,有必要对感性耦合的影响规律进行研究.有关超高压交流输电线路与埋地金属管道间电磁影响的计算方法,目前已有的成熟模型,主要是针对 Maxwell 电磁场方程组3-6通过在频域上求解空间电磁场,获得地面上空及埋地导体的电流分布,基于导体电流分布结果开展地上和地下相关区域的电磁场及电位的计算.国际上著名的专业电磁干扰仿真计算软件有 CDEGS 等7,但须经过专门培训才能熟练掌握计算技巧,而当前我国电网建设和输油输气管道建设均在全国范围内大面积展开,两者间的电磁影响防护工作越来越繁重,当一般电力和管道设计部门不具备以上条件时,无法快速预估评价感性耦合干扰电压对管道的影响.本文中基于传输线理论,首先推导出感性耦合影响下干扰电压和电流的计算模型,并对该模型进行简化,将冗长的微分方程模型简化为简单明了的多元一次方程组,极大简化计算难度和对计算工具的要求.然后利用该简化模型进行实例计算,将得到的结果与电磁感应计算软件仿真模拟结果对比,验证模型的有效性,证明该简化计算模型可用于设计单位快速评估管道正常状态下受输电线路电流感性耦合时的感应电压影响.最后利用该简化模型,分析典型的参数对感性耦合规律的影响.1基于传输线理论的简化感性耦合计算模型1.1输电线路与埋地金属管道理想平行时的感应对地电压计算计算方法基于传输线理论8-9,考察管道基本微元段,假设条件为输电线路与埋地金属管道并行段内输电线路参数、管道参数和并行接近参数保持不变,其基本微元段如图 1 所示.图 1受干扰的“管道 土壤”回路基本微元段根据图 1 可得出感性耦合产生的电动势和干扰电流方程如式(1)和式(2):Edx=-U+IZdx+(U+dU)=IZdx+dU(1)DI(1Ydx)=-U(2)联立式(1)和式(2)可得:dU2dx2-ZYU-dEdx=0(3)式中,Z 为管道的纵向阻抗,Y 为金属管道的导纳,E 为管道的纵向电动势,U 为管道的干扰电压,I 为636 湖北大学学报(自然科学版)第 45 卷管道的干扰电流,因为在输电线路稳态运行时,E 可以看作一个稳定的常数值,因此dEdx=0,解此方程可得:U=-ZAexp(x)-Bexp(-x)(4)I=Aexp(x)+Bexp(-x)+EZ(5)式中,=ZY 为管道传输系数,A、B 为相关系数,可通过管道并行段的终端边界条件获得.E=-jMIphase(6)式中,M 为互感系数,j 是虚数单位,Iphase为输电线路运行电流.至此,M 的求解将是计算干扰电压和电流的关键.根据相量运算参考文献10中给出的近似解,得到简化计算公式:M=-j04-2(1-j)243(b-|c|)-jlnj(k)2(b-ja)(b+ja)4-2 2|c|(7)式中,a 为输电线路和管道中心的距离,b 为输电线路的对地距离,c 为管道的地埋深度,0为空气导磁率,=0,为大地电导率,设为常数,根据现场实测获得.式(7)中,k=1.781 1,令 r2=a2+b2,进行变换,得到:M 042ln2ka2+b2+2 23(b-|c|)+j2 23(b+2|c|)(8)由此,通过计算式(4)(6)、(8),即可求解输电线路与埋地金属管道理想并行时的干扰电压及电流.1.2简化计算方法推导现实情况下基本不存在输电线路与埋地金属管道完全平行的情况,常见的情况主要包括斜接近、交叉,而非完全平行,计算方法非常复杂,为了便于工程应用,有必要推导输电线路与埋地金属管道非完全平行情况下感性耦合的简化计算方法.1.2.1交叉跨越时互感系数的计算当金属管道和输电线路发生交叉时,根据上一节的推论,推导出互感系数 M 的简化求解方法仍是计算干扰电压和电流的重要一步,根据 m=sBdS,可以将管道与大地的回路面积投影至输电线路和大地的回路上,求解出互感系数 M.如图 2 所示,对其中的管道进行微分,管道上某点 A 坐标为 x,沿管道取微元 AE=dx,假设垂直输电线路方向的微元 BE=dxsin 对管道互感的产生无贡献,而微元 AB=dxcos 平行输电线路,可按照式(8)求解.图 2斜接近段对互感系数的求解此时,在式(8)中 a=AC=xsin,为架空线和地下管道间的距离,代入得到:M=M(xsin)(9)第 4 期秦澔澔,等:超高压交流输电线路对埋地金属管道的感性耦合计算模型研究637 则在 AE 段上的互感系数为 M(x)=Mcos,代入式(6)可得:E=-jM