高压交流电缆线路对邻近金属管道的磁感应影响评估

2012 年第 3 期 No 32012 电 线 电 缆 Electric Wire Cable 2012 年 6 月 Jun ， 2012 高压交流电缆线路对邻近金属管道的磁感应影响评估 刘英 1， 刘 明 1， 曹晓珑1， 赵 瑞 2， 韩晓鹏2， 张晓颖2 ( 1 西安交通大学， 西安 710049; 2 北京电力经济技术研究院， 北京 100055) 摘要: 利用二维有限元磁场分析方法， 计算了邻近高压交流电缆线路敷设的金属管道上的磁感应纵电压， 讨论 并比较了感应电压的不同影响因素。研究发现， 电缆隧道壁的钢筋结构可以有效屏蔽电缆线路对金属管道的 磁感应影响， 管道相对电缆线路的距离和管道材料的磁性是影响感应电压的关键因素， 同时， 管道尺寸对感应 电压也有一定影响。磁感应电压和管道材料的电阻率无关。另外， 在电缆线路和金属管道之间采取恰当的屏 蔽措施可以有效降低工频磁场对管道的磁感应影响。 关键词: 高压交流电缆; 金属管道; 磁感应电压; 影响因素; 屏蔽措施 中图分类号: TM247文献标识码: A 文章编号: 1672- 6901( 2012) 03- 0035- 04 Evaluation of the Magnetic Induction on Metal Pipes by HV AC Cable Circuits LIU Ying1，LIU Ming1，CAO Xiao- long1，ZHAO Rui2，HAN Xiao- peng2，ZHANG Xiao- ying2 ( 1 Xian Jiaotong University，Xian 710049，China; 2 Beijing Electric Power Economic and Technological Institute，Beijing 100055，China) Abstract:Magnetic induction voltages on the metal pipes close to and parallel with the HV AC power cables were calculated，using 2- D harmonic magnetic finite element analysis The influence factors of the induction voltages were studied and their impacts were compared It was found that cable tunnel could screen the magnetic induction of cables inside on metal pipes outside effectively Distance and pipe permeability are key factors to determine the pipe induc- tion voltages，while the influence of pipe size should also be considered Induction voltage is independent of the pipe resistivity In addition，reduction measures were provided to reduce the magnetic induction effectively Key words:HV AC power cables;metal pipes;magnetic voltage;influence factors;reduction measures 收稿日期: 2012- 01- 06 作者简介: 刘英( 1976 ) ， 女， 博士， 讲师 作者地址: 陕西西安市咸宁西路 28 号 710049 0引言 近年来， 电力线路的电压等级和传输容量不断 提高， 所产生的电磁场对周围环境及生物的影响日 益引起广泛关注。其中， 架空线路的电磁场问题首 先被提出并获得大量研究， 而关于地下电缆线路的 电磁场影响还较少被涉及1- 5 。 随着我国经济发展、 能源需求增加以及城市化 进程加快， 电力电缆线路和输油输气管道的建设都 在飞速发展。由于我国人口密度大、 土地资源紧张， 电缆线路和油气管道在路径规划中往往距离较近， 甚至共用走廊。这种情况下， 电缆线路与油气管道 平行接近或者交叉跨越将不可避免， 这使得电缆线 路对油气金属管道的电磁影响日益突出。为了保障 运行维护人员的人身安全， 降低管道的交流腐蚀， 确 保管道绝缘层和阴极保护设备的可靠寿命， 在工程 设计时必须将这种影响控制在允许范围以内6- 7 。 交流电缆线路对邻近金属管道的磁感应影响， 主要表现为管道上的磁感应纵向电动势， 即感应电 压， 较大的感应电压会危及管道和人员的安全。因 此， 必须对邻近交流电缆线路敷设的金属管道上的 磁感应电压大小进行评估。 本文以 ANSYS 有限元仿真软件为工具， 对与交 流电缆线路平行敷设的金属管道上的磁感应电压进 行数值求解。论文建立了金属管道上磁感应电压的 数值计算模型， 详细讨论了不同敷设条件及参数对 感应电压的影响， 并比较了两种屏蔽结构的作用效 果。 1计算模型的建立 1. 1基本假设 假设交流电缆线路为无限长的平行直线， 磁场 计算的目标场远离电缆终端。金属管道与电缆线路 邻近、 平行敷设。因此， 本文所讨论的电磁感应计算 可以看作是二维的平行平面场问题， 计算平面垂直 于电缆轴心。三相交流电缆线路中的电流相互平 衡， 频率为 50 Hz。 1. 2计算方法 感应电压的计算基于电磁感应基本定律， 如下 所示: u = d dtS B d S ( 1) 式中， u 为磁感应电动势; B 为磁感应强度; S 为闭合 回路所界定的面积。 引入磁矢位矢量 A ， 并利用经典的 Kelvin- Stokes 定理将式( 1) 变形为: u = d dtS A dS = l dA dt dl ( 2) 式中， A 为磁矢位; l 闭合回路的边界。 感应电动势在工频磁场中是一个随时间变化的 量， 研究时以感应电动势的最大值作为电缆线路对 金属管道磁感应影响的评价依据。 在简化的二维磁场分析计算中， 磁矢位的积分 路径如图 1 所示。单位长度( 1 m) 金属管道上的磁 感应电压用式( 3) 计算: U = | u | max = | A 2z A 1z| = 2f Re( A2z A1z) 2 + Im( A2z A1z) 槡 2 ( 3) 式中， 为角频率; Re代表磁矢位的实部; Im代表磁 矢位的虚部。 图 1磁矢位积分路径示意图 1. 3电缆及管道的位置 电缆隧道横断面为 2. 6 m 2. 9 m， 其中敷设的 电缆包括: 顶部 110 kV- XLPE- 1 800 mm2， 载流量 500 A; 中部 220 kV- XLPE- 1 1 000 mm2， 载流量 600 A; 底部 220 kV- XLPE- 1 2 500 mm2， 载流量 1 000 A。 隧道壁为钢筋混凝土， 采用双层磁性钢筋 结构。金属管道敷设在靠近电缆隧道底部的左侧土 壤中， 与隧道内壁的距离为 d。电缆与管道的分布 状况如图 2 所示。 图 2电缆和管道位置示意图 2感应电压的影响因素 邻近交流电缆线路敷设的金属管道上磁感应电 压的影响因素较多， 包括: 电缆和管道的距离及相对 位置; 电缆的回路数、 敷设方式和载流量; 管道的材 料属性和尺寸大小; 其他。 各因素的影响程度不同， 不能依靠解析公式进 行讨论， 但可利用数值算法给出合理的工程数值解。 下面就将分析不同因素对金属管道上磁感应电压的 影响。 2. 1电缆和管道的距离 图 3 给出了电缆线路敷设在隧道中及直埋于土 壤中时在邻近的磁性金属管道上产生的感应电压 U 随两者之间距离 d 的变化规律。两种敷设情况下电 缆的数量、 型式、 排列方式、 负载电流等完全相同， 以 考察电缆隧道对磁场的屏蔽作用。 如图 3 所示， 磁性金属管道上的感应电压随距 离的增大而减小。距离较小时， 电压下降快， 从 1. 5 m 到 2. 5 m， 电压约降低了 50%; 随距离增大， 电压 的下降速度逐渐减慢。此外， 图 3 还显示隧道壁的 钢筋结构对隧道内电缆线路产生的磁场有一定的屏 蔽作用， 从而使外部管道上的感应电压减小。 图 3距离对感应电压的影响 2. 2管道的磁性 金属管道位于电缆线路所产生的交变电磁场当 中， 当管道材料的磁性不同时， 其上的感应电压将会 有很大差别， 分两种典型情况进行讨论， 即磁性和非 63 2012 年第 3 期 No 32012 电 线 电 缆 Electric Wire Cable 2012 年 6 月 Jun ， 2012 磁性管道。对磁性管道， 其相对磁导率取值为 r= 700; 而对非磁性管道， 相对磁导率 r=1. 003。电缆 线路敷设于隧道中。随距离 d 不同时， 磁性和非磁 性管道上的感应电压 U 如图 4 所示。 图 4管道的磁性对感应电压的影响 由图 4 可见， 相同条件下磁性管道上的感应电 压显著大于非磁性管道。 另外， 当磁性和非磁性管道在其各自的磁导率 范围内变化时， 感应电压的相对变化率如表 1 所示， 其中， 磁性管道以 r=700 为基准， 而非磁性管道以 r=1. 003 为基准。 表 1管道感应电压与相对磁导率的关系 磁性管道 r5007009001 1001 300 U/%0. 90. 00. 50. 91. 2 非磁性管道 r1. 0031. 021. 051. 081. 11 U/%0. 00. 10. 20. 40. 5 由表 1 可见， 感应电压随磁导率的增加而增大。 对磁性管道， 当磁导率由 500 增加到1 300， 其上的 感应电压增大了 2. 1%; 而对非磁性管道， 磁导率由 1. 003 增加到 1. 11， 感应电压增大 0. 5%。 2. 3管道的电阻率 研究发现， 管道材料的电阻率对感应电压没有 影响。 2. 4管道的半径 当电缆线路分别为隧道中敷设和土壤中直埋 时， 在确定的相对距离 d 下， 磁性金属管道上的感应 电压 U 随管道半径 r 的变化如图 5 所示。 由图 5 可见， 感应电压随磁性管道半径的增大 而线性增加。研究表明， 对于非磁性管道， 此规律同 样适用。 2. 5管壁的厚度 电缆线路隧道敷设， 磁性金属管道， 改变管壁厚 度 t 时， 感应电压的相对变化率如表 2 所示。 由表 2 可见， 对于磁性管道， 在给定的厚度变化 图 5管道半径对感应电压的影响 范围内， 感应电压随厚度的增大而增大。但是， 研究 发现， 对于非磁性管道， 在相同的管壁厚度取值范围 内， 感应电压并无明显变化。 表 2金属管道的感应电压与管壁厚度的关系 t/m0. 0160. 0200. 0240. 0280. 032 U/%0. 00. 50. 91. 01. 2 2. 6电缆的载流量 电缆线路的载流量会直接影响周围的电磁感应 强度， 从而改变管道上的磁感应电压。下面对此展 开研究。 电缆线路敷设于隧道中， 首先改变与管道距离 较近的 220 kV 大截面电缆的载流量 I1。在不同的 相对距离 d 下， 获得磁性金属管道上感应电压 U 随 载流量 I1的变化规律， 如图 6 所示。 图 6感应电压随 220 kV 大截面 电缆载流量及距离的变化 由图 6 可见， 磁性管道上的感应电压和 220 kV 大截面电缆的载流量成正比， 并且随着相对距离增 大， 电缆载流量对感应电压的影响逐渐减弱。当距 离 d =1. 5 m 时， 载流量 I1每增大 100 A， 感应电压 增大约 10%。 220 kV 小截面电缆以及 110 kV 电缆的载流量 I2和 I3对管道感应电压的影响规律同 I1基本相同， 只是由于载流量依次减小， 而与管道之间的距离依 73 2012 年第 3 期 No 32012 电 线 电 缆 Electric Wire Cable 2012 年 6 月 Jun ， 2012 次增大， 三者对管道上感应电压的影响逐次减弱。 距离 d =1. 5 m 时， I2和 I3每增大 100 A， 感应电压 分别增大约 2. 3%和 0. 5%。 3屏蔽措施 要减小管道上的感应电压， 必须引入恰当的屏 蔽措施。在电缆线路和金属管道之间放入一块磁性 的金属板， 讨论平板形状和位置对其屏敲效果的影 响 。“” 型板为一块薄平板 ， “” 型板为两块薄平 板组合而成， 为便于区分， 按照其形状分别命名为 “” 型板和 “” 型板。 3. 1“” 型板的位置对感应电压的影响 电缆线路土壤中直埋敷设， 与金属管道之间的 距离为 d =1. 5 m， 在两者之间竖直放置一块 “” 型 磁性金属板。当平板位于电缆和管道之间的不同位 置时， 管道上的感应电压在表 3 中列出， 其中 x 为平 板到管道中心的距离。可以看出， 在不同位置的金 属平板对电缆线路的磁场屏蔽作用不同， 当“” 型 平板放置在管道附近或靠近电缆线路时， 屏蔽效果 较好。 表 3 “” 型板的位置对感应电压的影响 x/m1. 40. 90. 4 U/(10 4V/m) 4. 575. 084. 01 3. 2“” 型和 “” 型板的屏蔽效果比较 两种板除结构上的差异外其余完全相同。研究 发现， 两者的加入都可以有效屏蔽电缆线路产生的 磁场， 从而大大降低金属管道上的感应电压。引入 “” 型板后， 感应电压比之前降低了 42%; 而“” 型板使电压降低了 46%。相同位置和材料属性下， “” 型板的屏蔽效果优于 “” 型。 4结论 本文通过理论建模和数值计算， 评估高压交流 电缆线路对邻近金属管道的磁感应影响， 并采用参 数化研究来比较各因素的作用， 得到结论如下: ( 1) 与电缆线路之间的距离减小， 电缆载流量 增大， 管道的半径、 壁厚、 磁导率增加， 都将导致金属 管道上的感应电压增大; 管道材料的电阻率对感应 电压没有影响。各因素中， 距离和材料磁性对电磁 感应电压的影响最大。 ( 2) 电缆隧道壁中的钢筋结构对电缆线路的工 频磁场有一定的屏蔽作用。 ( 3) 金属板对磁场的屏蔽作用与其厚度、 结构、 位置有关， 靠近管道放置“” 型板具有较好的屏蔽 效果。 参考文献: 1赵刚， 杨光俊， 李晓琴 输变电工程电磁影响及其环境影响 评价问题的探讨 J 电力环境保护， 2007， 23( 4) : 16- 19 2IEEE X95. 62002Standard for safety levels with respect to hu- man exposure to electromagnetic fields， 0 3 kHzS 3王景江， 梅良英， 黄健， 等 500 kV 输变电线廊电磁场强度 和危害调查分析 J 公共卫生与预防科学， 2009， 20( 2) : 20 4蒋宏济， 万力， 王继纯 110 kV 电缆电磁辐射对环境的影响 J 高电压技术， 2005， 31( 1) : 87- 88 5Verite J C，Bjorlow- Larse K Magnetic field in HV cable systems 1:Systems without ferromagnetic component R CIGRE， 1996 6TB/T 28321997交流电气化铁道对油( 气) 管道( 含油库) 的影响容许值及防护措施 S 7郭剑， 曹玉杰， 胡士信， 等 交流输电线路对输油输气管道电 磁影响的限值 J 电网技术， 2008， 32( 2) : 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿