五、交流干擾的危害與防護
(一)交流干擾的危害
交流電引起的腐蝕要比直流電于擾的強度小得多,大約為直流電的1%或更小。但是,當高壓輸電線與管道平行架設時,由于靜電場和交變磁場的影響,在鋼管上感應出交流電壓和電流,對管道的危害則是不可忽視的。尤其是在交、直流疊加情況下,交流電的存在可引起電極表面的去極化作用,造成腐蝕的加劇,形成穿孔。同時。交流干擾還可加速絕緣層的老化,特別是在防腐絕緣層的破損處,易引起防腐層的剝離。交流干擾還會使陰極保護無法在控制電位的范圍內正常進行,使犧牲陽極發(fā)生極性逆轉,電流效率降低。故障情況下,對管道會造成危險,甚至危及操作人員的安全。交流干擾腐蝕的危害已日益被人們所重視。
交流干擾作用于埋地金屬管道。按其干擾電壓作用的時間可分為:
1.瞬間干擾 強電線故障時產生的干擾電壓可達幾千伏以上,由于干擾電壓作用的持續(xù)時間在1s以下,故稱瞬間危險干擾電壓。此電壓對人身安全和設備均可構成威脅。高壓電還會引起管道防腐層擊穿;在管道與電力系統(tǒng)接地極距離不當時,還會產生電弧通道,引起管壁燒穿事故。
2.間歇干擾 在電氣化鐵路附近的管道上,所感應產生的幾伏、幾十伏,直至幾百伏的干擾電壓。作用時間時斷時續(xù)、隨電氣鐵道饋電網(wǎng)內負載變化。
3.持續(xù)干擾 高壓輸電線路運行時,在管道上感應產生的交流電壓,可由幾伏、幾十伏到幾百伏。其作用時間長,只要高壓輸電線路上有電流,管道上就有感應電壓,埋地管道則會在此干擾電壓下產生交流腐蝕。
(二)交流干擾狀態(tài)
對管造成危險影響的高壓輸電線路,有以下三種狀態(tài):
1.三相對稱中點直接接地的高壓輸電線(110kv以上)及交流電氣化鐵路供電線處在相導線接地短路時的故障狀態(tài)。中性點直接接地的輸電線發(fā)生單相短路接地故障時,對附近管道產生的電磁感應電壓極高。特別是系統(tǒng)電容量大、電壓級別高的電力系統(tǒng)中,短路電流可達10~60kA,交流干擾電壓可達千伏以上。
如果短路瞬間,在故障附近的地面上有管道的附屬設施(如閥門、泵等設備),而操作人員恰巧去觸及閥門時,就會威脅操作人員與設備的安全。
2.三相對稱中性點對地絕緣或不直接接地的高壓輸電線(多指60kV以下),當兩相導線同時在不同地點接地時的故障狀態(tài)。
3.不對稱高壓線路、直供式交流電氣鐵路在正常運行狀態(tài)或在相導線接地時的強行運行狀態(tài)。
當埋地管道與電廠、變電站和高壓桿塔的接地裝鼉接近時,或與交流電氣化鐵路交叉時,應考慮由于電流流過接地裝置(或軌道)而產生的地電位升高所造成的危險影響。
(三)干擾途徑
強電線路對埋地管道的干擾影響主要有三種方式:容性耦合、磁感應耦合和阻性耦合。其對管道的影響見表10-72。
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靜電場感應(容性耦合) | 對于埋地管道沒有影響,施工時應注意 |
電磁場感應(磁感應耦合) | 感應交流電流引起交流腐蝕 感應電壓對陰極保護設備有不良影響 當輸電線路短路、故障時,在管道上可能感應出高壓電,擊穿覆蓋層 |
阻性耦合 | 故障時地電位升高威脅覆蓋層和人身安全 |
1.靜電感應(容性耦合) 這一方式主要出現(xiàn)在施工期間的地面管道或架設在絕緣墊(如木塊)上時,通過高壓線和管道之間、管道和大
地之間的分布電容耦合作用。由于大地的屏蔽作用,當管道埋地后,這一作用就小到可以忽略不計了。原理如圖10-68所示。
2.電磁感應 當管道與高壓線平行時,由于相電流的交變形成電磁場作用在埋地管道上,使管道不斷切割磁力線而產生感應電流。這一耦合原理如同變壓器,高壓線一側如同變壓器的一次側,管道一側如同變壓器的二次側。當三相之中的各相電流相等(平衡時)、相導線到管道距離相等時,其電磁場的綜合影響為零。但實際中相電流很少處于平衡狀態(tài),三相導線距管道也不可能相等,尤其是平行間距較小時幾何不對稱更為突出。故障條件下(嚴重不平衡)將產生危險影響,其感應原理見圖10-69。
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3.阻性耦合 當管道與電氣化鐵路交叉、與強電線路的接地極(體)、發(fā)電廠、變電站接地小距離接近時,接地體上的電流流入地下,通過管道和接地體之間的電阻進行耦合作用,把交流電流直接傳遞到管道上,這就是阻性耦合。由于地電場衰減很快,所以一般情況下阻性耦合作用范圍很小。
(四)交流干擾的計算
1.靜壓感應電壓的計算
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式中 Vp——管道感應交流電壓(V);
h1——單相導線地上高度(m);
h2——埋設管道等效地面高度(m);
r——輸電線等效半徑(m);
x——輸電線和管道的水平距離(m);
V1——相導線對地電壓(V)。
2.電磁感應計算
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式中 f——交流電頻(Hz);
L——平行段長度(km);
M——輸電線和管道間互感系數(shù)(H/km);
i——相電流(A)。
3.阻性耦合計算
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式中 Vo——接地體對遠方大地電壓(V);
Io——接地體上流入大地電流(A);
ρ——土壤電阻率(Ω·m);
R——接地體接地電阻(Ω);
a——接地體等效球面半徑(m);
Vx——距接地體x處的大地電位和管道電位差(V)。
4.管道參數(shù)的計算
(1)管道阻抗的計算
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式中 Z——道阻抗(Ω/km);
Zi——管道內阻抗(Ω/km);
Ze——管道外阻抗(Ω/km)。
其中,管道內阻抗Zi的計算是一個復雜的零階貝塞爾函數(shù),計算較困難,通常可采用近似公式計算,即:
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管道外阻抗Ze計算公式為:
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(2)管道傳播常數(shù)
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式中 ro——管道外半徑(m);
σ——大地導電率。
(3)管道特性阻抗
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式中 Z——管道阻抗(Ω/km);
Zi——管道內阻抗(Ω/km);
Ze——管道外阻抗(Ω/km);
ro——鋼管外半徑(m);
σ——大地電導率(S/m);
Ro——管道直流電阻,
δm——鋼材電導率(S/m);
f——頻率(Hz);
D——回流當量深度,
Zo——管道特性電阻(Ω)。
(五)交流干擾的保護
1.對交流干擾點測試對交流干擾的防護,首先取決于對干擾現(xiàn)場的調查與測試的正確與否。電力線路對管道交流電干擾的測試方法,可遵照行業(yè)標準《電力線路對埋地鋼質管道交流電干擾測試方法》SYJ32-1988執(zhí)行。
管道交流干擾的測試,主要是測試干擾電壓和管道交流參數(shù)現(xiàn)場的測量。
測試儀表和測量導線應執(zhí)行行業(yè)標準《埋地鋼質管道陰極保護參數(shù)測試方法》SYJ23-1986的有關規(guī)定。
交流干擾電壓一般較高,所以不用硫酸銅參比電極進行測試,使用鋼棒電極。