交流输电线路与油气管道交叉工况下电磁干扰特性分析及排流抑制方法研究

《Applied Sciences》：Effect of Transmission Lines on the Induced Potential of Oil and Gas Pipelines Under Crossing Conditions

　　

本研究针对特高压交流输电线路（AC Transmission Line）与埋地钢质油气管道（Buried Steel Pipeline）交叉敷设工况下的电磁干扰（Electromagnetic Interference, EMI）问题，研究人员采用基于矩量法（Method of Moments, MoM）的数值仿真模型（CDEGS软件），结合传输线分布参数方程求解管道感应电压及排流电流密度。通过分析交叉角（Crossing Angle, θ）及交叉段长度（Crossing Length, L2）对管道对地电位（Pipeline-to-Ground Potential, PGP）的影响，揭示感应电压随θ减小及L2增大而显著升高的规律。针对超标干扰，研究人员评估了沿管道敷设锌带（Zinc Ribbon）并通过固态去耦合器（Solid-State Decoupler, SSD）接地的排流抑制效果。结果表明：小角度交叉（θ<60°）及长平行段需采取防护措施；锌带排流可使稳态感应电压降低最高44%，但在强干扰工况下需配合多级排流或其他辅助措施以满足GB/T 50698-2011及DL/T 5033-2006限值要求。

论文解读：交流输电线路与油气管道交叉工况下电磁干扰特性分析及排流抑制方法研究

研究背景与意义

随着我国特高压（Ultra-High Voltage, UHV）电网与长距离油气管道（Oil and Gas Pipeline）网络密集交跨，高压交流输电线路对埋地钢制管道的电磁感应及阻性耦合干扰日益突出。现有研究多关注平行接近段，对多角度、多交叉（Multiple-Crossing）工况下干扰特性的量化分析不足，且传统有限元法（FEM）在处理长距离导体-大地回路时计算效率低。依据GB/T 50698-2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》及GB 6830-1986，管道交流腐蚀风险判定依据为感应电压（通常限值为4 V~10 V）及交流泄漏电流密度（>30 A/m2需防护）。本研究以张北地区1000 kV同塔双回线路与陕京天然气管道交叉工程为背景，旨在明确交叉参数对电磁干扰的影响规律并验证排流措施有效性，成果发表于《Applied Sciences》。

主要技术方法

研究人员建立基于分布参数传输线理论的管道-大地回路微分方程，引入单位长度串联阻抗Z与并联导纳Y，传播常数γ=√(ZY)，特性阻抗Z_c=√(Z/Y)。考虑两端边界条件U(L)=Z₂I(L)、U(0)=-Z₁I(0)（Z₁、Z₂为终端阻抗，取等于Z_c模拟无限延伸），求解感应电动势E（单位长度感应电动势，由相导线电流与互阻抗计算）激励下的管道电压U(x)与电流I(x)，得到系数A、B解析式含反射系数ρ₁=(Z₁-Z_c)/(Z₁+Z_c)、ρ₂=(Z₂-Z_c)/(Z₂+Z_c)。为精细刻画泄漏电流分布，研究人员采用CDEGS软件内置矩量法（Method of Moments, MoM）将导体离散为若干段，通过自/互阻抗矩阵与节点电位-电流连续方程联立求解各段泄漏电流I_k=φ_k/P_k（φ_k为标量电位，P_k为接地电阻）。土壤电阻率取张北实测浅层30 Ω·m（稳态）及深层241 Ω·m@10 m（故障）；正常双回运行电流1530 A/相，单相接地故障入地电流21400 A。交叉角θ取15°~90°，交叉长度L₂取1 km~9 km，穿越段总长L₁=10 km。排流方案为沿管道对称敷设截面积15.88 mm×22.22 mm锌带（等效半径≈6 mm，埋深0.8 m），经固态去耦合器（Solid-State Decoupler, SSD）连接管道。

研究结果

2.1 管道感应电压与电流的分布参数方程（Transmission Line Equations for Pipeline Induction）

研究人员推导了管道-大地回路的二阶微分方程d2U(x)/dx2-γ2U(x)=dE(x)/dx，结合?U/?x=-ZI、?I/?x=-Y(U-E)得齐次形式。假定E为常数，通解为U(x)=Ae^γx+Be^-γx，I(x)=E/Z-(A/e^γx-B/e^-γx)/Z_c。代入边界条件解得A、B表达式含ρ₁、ρ₂及e^γL项，构成完整解析解。

2.2 基于矩量法的泄漏电流计算（Leakage Current Calculation Using the Moment Method）

研究人员将管道分段，建立每段端点电流I_k⁺、I_k^-与自阻抗Z_kp、互阻抗关系，通过镜像法计算大地返回路径影响（a_i、c_i为镜像源强，b_i、d_i为镜像位置）。标量电位φ_k由泄漏电流产生，由φ_k=ΣP_kpI_p得线性方程组，求解全管段I_k分布。此法较FEM更适用于长距离多交叉复杂工况。

2.3 交叉条件与仿真设置（Crossing Conditions and Simulation）

研究人员设定三维模型：L₁为线路总长，L₂为交叉段长，L₃为两端延伸段（垂直走向）；交叉点取坐标原点，x轴沿管道走向，y轴为线路横向偏移。基于张北段陕京管道与1000 kV双回同塔鼓形塔（档距500 m，相导线布置见图4），考虑三处实际交叉角81°、88°、75°及对应L₂=1.2 km、0.8 km、1.5 km，最小塔基-管道距分别为167.4 m、147.4 m、35.5 m。

3. 数值分析（Numerical Analysis of Pipeline-to-Ground Potential Under Crossing Conditions）

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  3.1 单交叉工况（Single-Crossing Conditions）： 双回正常运行时管道1最大对地电压9.2 V，最大交流泄漏电流密度68.9 A/m2（超30 A/m2限值），峰值位于交叉区，需采取AC干扰防护。
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  3.2 多交叉工况（Multiple-Crossing Conditions）： 采用均方根（Root-Sum-Square, RSS）叠加法综合多条110 kV及以上邻近线路影响，管道1合成最大对地电压9.9 V，最大泄漏电流密度75 A/m2，严重干扰区集中于交叉区3。

4. 交叉参数影响（Effect of Crossing Parameters on Electromagnetic Interference Characteristics）

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  4.1 交叉角影响（Effect of Crossing Angle）：
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    4.1.1 稳态分析：θ从15°增至90°，感应电压由17 V降至3.8 V；θ越小等效平行长度越大，感性耦合越强，干扰越显著。
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    4.1.2 单相接地短路：趋势同稳态，电压由4050 V降至630 V，峰值均在交叉点。
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  4.2 交叉长度影响（Effect of Crossing Length）：
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    4.2.1 稳态分析：L₂由1 km增至9 km，最大电位由3.9 V升至17 V，呈正相关——延长交叉段增强感性与阻性耦合累积效应。
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    4.2.2 单相接地短路：L₂增加使感应电压由2200 V升至4200 V。

5. 排流抑制方法（Methods for Suppressing Induced Potential in Oil and Gas Pipelines）

依据限值（稳态AC腐蚀≤4 V~10 V按GB 6830，故障人身安全≤1500 V按DL/T 5033，3层PE防腐层耐受≤10 kV按GB/T 23257），研究人员评估锌带排流：

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  5.1 稳态：θ=15°时峰值由17 V降至9.5 V（降幅44%），未达4 V但仍有效；θ=45°时由4.7 V降至3.1 V（降幅34%），满足标准。说明小角度强耦合下单级排流难完全消除风险。
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  5.2 暂态故障：θ=15°峰值由4085 V降至3430 V（降15%）；θ=45°由2050 V降至1820 V（降11%）。均未达1500 V限值，建议联合其他措施。
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  5.3 验证范围与现场测量计划：指出现阶段为数值计算，待开展同步录波、管地电压、试片电流密度及分层电阻率测试验证。

讨论与结论总结

研究人员建立了适用于多交叉工况的电磁耦合模型，通过CDEGS矩量法细分及动态土壤参数校正提高了复杂场景适应性。交叉点处管道对地电位最大；干扰随交叉角减小、交叉长度增加而增强——本研究中L₂=5 km时θ<60°需防护，θ=15°时任意L₂均需防护。对称敷设并经SSD连接的锌带可显著降低PGP但强干扰下单级不足以达标，建议小角度或长平行段采用多级排流或辅以其他 mitigation。研究成果为特高压线路与长输管道交跨区的电磁兼容设计及防护优化提供了量化依据。