CN102435877A - 高压交流架空送电线路对埋地金属油气管道的干扰确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压交流架空送电线路对埋地金属管道干扰计算方法，所采用的方法是：通过对送电线路与管道理想以及非理想平行时的感性耦合进行简化计算推导，将以往计算模型需求解的复杂微分方程模型简化为多元一次方程组模型。本发明优势在于使得复杂微分方程简化为多元一次方程组，编程简单，且大大提高了计算速度及对计算内存资源的占用，利用Matlab、Mathematica等数学计算软件很容易求解该方程组，通过求解简单的多元一次方程组可以得到管道上的对地电压、电流分布。普通技术人员均可使用该项发明，具有较好的实用性。需要补充的是，使用该简化方法时，由于采用的是等效方法，因此管道细分段越多，越接近平行段情况，计算越准确。

Description

高压交流架空送电线路对埋地金属油气管道的干扰确定方法

技术领域

本发明专利属于属于交流输变电工程电磁环境领域，具体地讲是一种高压交流架空送电线路对埋地金属油气管道的干扰确定方法。

背景技术

为了满足我国经济社会可持续发展的用电需求，建设以特高压电网为核心的坚强电网已成为国家电力建设的战略目标，与此同时由于能源需求的飞速增长，输油输气管道建设也以前所未有的速度在全国各地展开。由于我国土地资源有限，高压送电线路和输油输气管道经常面临同走廊并行架设和交叉跨越的状况。高压送电线路与埋地金属管道如果长距离接近，可能产生交流电磁影响主要是长期存在着的线路运行电流通过空间磁场耦合，在邻近的金属管道上感应出纵向电动势，可能影响管道维护人员的安全作业，并在管道防腐层引起泄漏电流从而加速管道表面腐蚀。因此，如何准确快速评估高压送电线路与沿线邻近的埋地输油输气管道间电磁干扰的是迫切需要解决的问题。

中国专利“200810197006.7”采用电磁场理论计算并构造特高压交流送电线路和埋地金属管道所组成的多导体传输线系统等效电路模型，通过广义双侧消去法或矩量法计算送电线路通过感性耦合对管道的干扰影响，分析线路通过感性耦合及阻性耦合对管道的干扰影响，最后综合上述技术提出有效的防护措施。该专利重点在于对干扰的提供了一种评估方法，而其中对于感性耦合的计算技术，采用的广义双侧消去法或矩量法，程序编制复杂，对非专业人员而言，存在较大的难度，可操作性不够。

发明内容

本发明的目的是通过对送电线路与管道理想以及非理想平行时的感性耦合进行简化计算推导，将以往计算模型需求解的复杂微分方程模型简化为多元一次方程组模型，而提供一种高压交流架空送电线路对埋地金属油气管道的干扰确定方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种高压交流架空送电线路对埋地金属油气管道的干扰确定方法，其方法是：通过对送电线路与管道理想以及非理想平行时的感性耦合进行简化计算推导，将以往计算模型需求解的复杂微分方程模型简化为多元一次方程组模型，具体步骤为：

第一步骤：获得高压交流架空送电线路导线参数、运行电压及电流参数、埋地金属管道特性参数；

第二步骤：获得高压交流架空送电线路、埋地金属管道三维坐标，包括两者的走向、两者相对位置关系；

第三步骤：利用计算技术计算高压交流架空送电线路、对埋地金属管道干扰程度。

本发明优势在于使得复杂微分方程简化为多元一次方程组，编程简单，且大大提高了计算速度及对计算内存资源的占用，利用Matlab、Mathematica等数学计算软件很容易求解该方程组，通过求解简单的多元一次方程组可以得到管道上的对地电压、电流分布。普通技术人员均可使用该项发明，具有较好的实用性。需要补充的是，使用该简化方法时，由于采用的是等效方法，因此管道细分段越多，越接近平行段情况，计算越准确。

附图说明

图1为本发明送电线路与管道理想平行时的感性耦合等效电路图。

图2为本发明受干扰的“管道——土壤”回路基本微元段图。

图3为本发明实际的送电线路与管道并行接近情况图。

图4为本发明管道与送电线路斜接近图。

图5为本发明实施例管道与送电线路相对位置关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明包括送电线路与管道理想平行时感性耦合干扰的确定方法以及送电线路与管道非理想平行时感性耦合干扰的确定方法。

1、送电线路与管道理想平行时感性耦合的确定方法：

当送电线路正常运行时，对管道的干扰主要是相线交变电流产生的磁场在两者互感M的作用下于金属管道上产生纵向电动势E。对于管道而言，在进行干扰研究时可用如下的电路等效(图1)，其中R’为管道分布电阻，L’为分布电感，G’为分布电导，C’为分布电容。这些参数的获得可参照我国石油行业标准SY/T0032-2000的条文说明A.3.3计算得到。

计算方法基于传输线理论。计算时考虑交流送电线路(单相)与管道并行，L为并行长度，管道所经过区域土壤电阻率保持不变，其本身特性参数也不变。考察管道基本微元段，如附图2：

据传输线理论列写电压、电流回路方程如下：

Edx＝-U+IZ′dx+(U+dU)＝IZ′dx+dU  (1)

$\mathrm{dI}\left(\frac{1}{Y^{\′}\mathrm{dx}}\right)=-U---\left(2\right)$

其中，E为交流送电线路在管道基本微元段感性耦合产生的纵向电动势，I为管道基本微元段感性耦合产生的电流，Z’、Y’为管道特性参数，由L’、G’、C’决定。

对于(1)式中的E，可按照

E＝-jωMI_phase                                    (3)

式中，负号表示方向，与送电线路电流方向相反；

M——送电线路与管道间的互感系数，在理想并行段可看作常数；

I_phase——送电线路运行电流；

ω——角频率；

其中关键参数为M，计算比较复杂。国际电话电报咨询委员会CCITT在防护导则中给出架空影响线和地下被影响线之间互感系数基本表达式如下：

$M=-j\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{\mathrm{\π}}\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}(\sqrt{{\mathrm{\λ}}^2+j}-\mathrm{\λ})e^{-\mathrm{\λ\αb}}{e}^{-\sqrt{{\mathrm{\λ}}^2+\mathrm{j\α}}\left|c\right|}\cos \left(\mathrm{\λ\αa}\right)\mathrm{d\λ}---\left(4\right)$

式中：a为架空影响线和地下被影响线之间的距离；b为架空影响线的架设高度；c为地下被影响线的埋深；μ₀为空气导磁率；

σ为大地电导率。

由于上述无穷积分的数值计算比较困难，做如下简化：

$M\≈\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}[2\ln \frac{2}{\mathrm{k\α}\sqrt{a^2+b^2}}+\frac{2\sqrt{2}}{3}\mathrm{\α}(b-|c\left|\right)+j\frac{2\sqrt{2}}{3}\mathrm{\α}(b+2|c\left|\right)]---\left(5\right)$

式中k＝1.7811，通过求解上述方程(1)-(5)即可获得送电线路与管道理想平行时感性耦合干扰。

2、送电线路与管道非理想平行时感性耦合简化计算方法：

实际上管道与送电线路不可能理想平行的，在有些区域发生斜接近，有些区域甚至交叉，如图3。对于斜接近段P1P2的管道(如附图4)，不同位置的感应纵电动势E与送电线路和管道间的互感有关，因此不同位置的E不同，即

此时求解上述传输线方程是非常复杂的。

图中a1、a2为P1、P2点与送电线路的最短间距。简化计算时，可以使用平均间距

代替进行互感系数的求解。此时将斜接近段等效为平行段，根据E＝-jωMI_phase，得到E近似为常数，进而

因此在斜接近段P1-P2管道上的电压、电流分布有如下形式解，如下

Up_1-2＝-Z[A₁exp(γx)-B₁exp(-γx)]                   (6)

${\mathrm{Ip}}_{1-2}=A_1\exp \left(\mathrm{\γx}\right)+B_1\exp (-\mathrm{\γx})+\frac{E}{Z^{\′}}---\left(7\right)$

Up_1-2——P₁P₂段电压分布，x为从P₁到待求点的距离。

Ip_1-2——P₁P₂段电流分布。A₁、B₁——P₁P₂段待定系数。

将附图3的连续曲折的管道细分，利用等效方法将斜接近段、交叉段转化为平行段，结合土壤电阻率及平行间距查找诺模互感系数图、采用简化计算公式得到互感系数，进而求得曲折段的近似等效单位感应纵电动势，接着利用单回传输线方程的近似解，得到每个细分段的电压、电流表达式。对于同一端点而言，其即为前一细分段的末端点，也为后一细分段的起始点，因此再根据同一点电压电流值唯一得到一个规则关于待定系数A_i、B_i的多元一次方程组，联合管道首末端边界条件，求解该多元一次方程组，可以求出各细分段管道对地电压、电流分布，从而获得送电线路与管道非理想平行时感性耦合干扰。

实施例：

假设对如下情况进行分析：管道与送电线路相对位置关系如附图5，管道为三层PE防腐层，单回送电线路电流I＝1000A，送电线路高20m，管道埋深2m，土壤电阻率50Ω·m。管道参数如表1。

表1管道参数

运用本发明的技术方法，计算获得的管道不同点的干扰电压与国外知名软件CDEGS计算结果对比如下表2，对比显示两者误差较小，本发明有较好的准确性。

表2本发明计算方法与国外知名软件计算结果对比

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种高压交流架空送电线路对埋地金属油气管道的干扰确定方法，所采用的方法是：通过对送电线路与管道理想以及非理想平行时的感性耦合进行简化计算推导，将以往计算模型需求解的复杂微分方程模型简化为多元一次方程组模型，其特征在于：该方法的步骤是：

第一步骤：获得高压交流架空送电线路导线参数、运行电压及电流参数、埋地金属管道特性参数；

第二步骤：获得高压交流架空送电线路、埋地金属管道三维坐标，包括两者的走向、两者相对位置关系；

第三步骤：利用计算公式计算高压交流架空送电线路对埋地金属管道干扰程度。

2.如权利要求1所述的高压交流架空送电线路对埋地金属油气管道的干扰确定方法，其特征在于：第三步骤中送电线路与管道理想以及非理想平行时的感性耦合进行简化计算推导，将以往计算模型需求解的复杂微分方程模型简化为多元一次方程组模型，从而获得高压交流架空送电线路对埋地金属管道干扰程度。

3.如权利要求1所述的高压交流架空送电线路对埋地金属油气管道的干扰确定方法，其特征在于：该方法包括

1)、送电线路与管道理想平行时感性耦合的确定方法：

当送电线路正常运行时，对管道的干扰主要是相线交变电流产生的磁场在两者互感M的作用下于金属管道上产生纵向电动势E，计算时考虑交流送电线路与管道并行，L为并行长度，管道所经过区域土壤电阻率保持不变，其本身特性参数也不变，考察管道基本微元段，依据传输线理论列写电压、电流回路方程如下：

Edx＝-U+IZ′dx+(U+dU)＝IZ′dx+dU                    (1)

$\mathrm{dI}\left(\frac{1}{Y^{\′}\mathrm{dx}}\right)=-U---\left(2\right)$

其中，E为交流送电线路在管道基本微元段感性耦合产生的纵向电动势，I为管道基本微元段感性耦合产生的电流，其余参数为管道特性参数，

对于(1)式中的E，按照

E＝-jωMI_phase                                      (3)

式中，负号表示方向，与送电线路电流方向相反；

M——送电线路与管道间的互感系数，在理想并行段可看作常数；

I_phase——送电线路运行电流；

其中

$M=-j\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{\mathrm{\π}}\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}(\sqrt{{\mathrm{\λ}}^2+j}-\mathrm{\λ})e^{-\mathrm{\λ\αb}}{e}^{-\sqrt{{\mathrm{\λ}}^2+\mathrm{j\α}}\left|c\right|}\cos \left(\mathrm{\λ\αa}\right)\mathrm{d\λ}---\left(4\right)$

式中：a为架空影响线和地下被影响线之间的距离；b为架空影响线的架设高度；c为地下被影响线的埋深；为空气导磁率；

σ为大地电导率，

将式(4)做如下简化：

$M\≈\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}[2\ln \frac{2}{\mathrm{k\α}\sqrt{a^2+b^2}}+\frac{2\sqrt{2}}{3}\mathrm{\α}(b-|c\left|\right)+j\frac{2\sqrt{2}}{3}\mathrm{\α}(b+2|c\left|\right)]---\left(5\right)$

通过求解上述方程(1)-(5)即可获得送电线路与管道理想平行时感性耦合干扰；

2)、送电线路与管道非理想平行时感性耦合简化计算方法：

对于斜接近段P1-P2的管道，不同位置的感应纵电动势E与送电线路和管道间的互感有关，因此不同位置的E不同，即使用平均间距代替进行互感系数的求解，其中a1、a2为P1、P2点与送电线路的最短间距，此时将斜接近段等效为平行段，根据式(3)，得到E近似为常数，进而

因此在斜接近段P1-P2管道上的电压、电流分布有如下形式解，

Up_1-2＝-Z[A₁exp(γx)-B₁exp(-γx)]                    (6)

${\mathrm{Ip}}_{1-2}=A_1\exp \left(\mathrm{\γx}\right)+B_1\exp (-\mathrm{\γx})+\frac{E}{Z^{\′}}---\left(7\right)$

Up_1-2——P₁P₂段电压分布，x为从P₁到待求点的距离；

Ip_1-2——P₁P₂段电流分布。A₁、B₁——P₁P₂段待定系数；

将连续曲折的管道细分，利用等效方法将斜接近段、交叉段转化为平行段，结合土壤电阻率及平行间距查找诺模互感系数图、采用简化计算公式得到互感系数，进而求得曲折段的近似等效单位感应纵电动势，接着利用单回传输线方程的近似解，得到每个细分段的电压、电流表达式；对于同一端点而言，其即为前一细分段的末端点，也为后一细分段的起始点，因此再根据同一点电压电流值唯一得到一个规则关于待定系数A_i、B_i的多元一次方程组，联合管道首末端边界条件，求解该多元一次方程组，求出各细分段管道对地电压、电流分布，从而获得送电线路与管道非理想平行时感性耦合干扰。

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