Анализ электромагнитного влияния силового кабеля на подземный трубопровод

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Бардушко В.Д., Закарюкин В.П., Крюков А.В.

УДК 621.311

АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ВЛИЯНИЯ СИЛОВОГО КАБЕЛЯ НА ПОДЗЕМНЫЙ ТРУБОПРОВОД

При проектировании и эксплуатации силовых кабельных линий иногда возникают ситуации, когда со стороны организаций, имеющих подземные коммуникации разного рода, возникают претензии по ухудшению электрокоррозионной обстановки из-за влияния силового кабеля. Хотя на переменном токе электрокоррозия практически отсутствует, нормативные документы по защите от электрокоррозии предусматривают возможности возникновения эффектов выпрямления переменного тока, приводящие к возникновению постоянных электрических потенциалов, и эта не совсем очевидная ситуация требует отдельного рассмотрения. В данной статье анализируется электромагнитное влияние силового электрического кабеля 10 кВ на подземный трубопровод.

Нормативные документы [1, 2] устанавливают требования по защите от коррозии наружной поверхности подземных металлических сооружений, в том числе трубопроводов из углеродистых и низколегированных сталей. Эти требования необходимо учитывать и при проектировании объектов, являющихся источниками блуждающих токов, как постоянных, так и переменных. В соответствии с ГОСТ 9.602-2005 опасное влияние переменного тока промышленной частоты на стальные подземные сооружения характеризуется либо смещением среднего потенциала сооружения в отрицательную сторону не менее чем на 10 мВ по отношению к стационарному потенциалу, либо наличием переменного тока плотностью более 10 А/м2 на вспомогательном электроде. Первая характеристика касается возможного выпрямления переменного тока с появлением дополнительных постоянных потенциалов на стальном сооружении. Вторая величина, которая может быть найдена расчетным путем, определяет максимально допустимую плотность переменного тока, стекающего с подземного сооружения. ГОСТ 9.602-2005 требует об-

еспечивать защиту от коррозии, вызываемой переменными токами с плотностью больше указанной величины. При этом используется метод катодной поляризации.

Высоковольтные сильноточные электрические линии переменного тока оказывают опасные электромагнитные влияния на смежные низковольтные линии и сооружения, включая подземные коммуникации. По физическому механизму различают три следующих вида влияния [3].

Во-первых, электрическое влияние, появляющееся за счет емкостной связи между влияющей линией и смежной линией. Этот вид влияния легко экранируется, а для подземных сооружений не имеет места ввиду достаточно большой проводимости грунтов.

Во-вторых, магнитное влияние, обусловленное наведением электродвижущей силы в контуре смежная линия (или коммуникация, в том числе и подземная) — земля. Ток, протекающий во влияющей линии, создает магнитное поле в окружающем пространстве, в том числе и в земле. Магнитное поле частотой 50 Гц проникает вглубь земли примерно на 1 км, поэтому в части магнитного влияния подземные коммуникации мало отличаются от надземных. Переменное магнитное поле создает электродвижущую силу в смежной линии, распределенную вдоль этой линии (рис. 1).

Влияющую и смежную линии можно рассматривать как трансформатор без сердечника, первичная обмотка которого образована влияющим проводом и землей, а вторичная обмотка — это контур смежная линия — земля.

В-третьих, гальваническое влияние, возникающее за счет токов, протекающих в земле, на объектах, имеющих заземления.

Источниками влияния переменного тока являются подземные силовые электрические кабели, которые могут стать причиной появления на подземных трубопроводах опасных с точки зрения коррозии потенциалов или боль-

Рис. 1. К оценке влияния линии электропередачи на смежные линии.

ших плотностей переменного тока, превышающих нормированные значения. В данной статье проведены расчеты верхних пределов возможных плотностей переменного тока, стекающих с трубопровода за счет влияния подземного силового кабеля.

Одним из источников влияний переменного тока являются высоковольтные линии электропередачи, способные индуцировать переменные токи на стальных подземных трубопроводах. Кабельные линии электропередачи с изолированной нейтралью оказывают существенно меньшее влияние по сравнению с воздушными линиями из-за очень близкого расположения друг к другу жил кабеля и равенства суммы токов в жилах нулю в нормальных нагрузочных режимах, в том числе и несимметричных.

Ток в оболочке кабеля в сетях с изолированной нейтралью протекает только в аварийных режимах. При коротких замыканиях время протекания этого тока составляет доли секунды; такие кратковременные токи не вызывают электрокоррозии. Однофазные замыкания на землю могут быть длительными, однако токи однофазного замыкания в сетях 10 кВ не могут превышать 20 А [4]. Такие токи, стекающие с оболочки кабеля в землю, не приведут к заметным плотностям токов, втекающим в трубопровод. Действительно, если предположить самые худшие условия втекания в трубопровод диаметром 100 мм всего тока 20 А на

весьма малой эффективной длине 10 м, то плотность тока не превысит величину 7 А/м2, что меньше допустимых 10 А/м2. В реальных условиях через трубопровод будет протекать небольшая доля тока оболочки кабеля при более значительных эффективных длинах трубопровода, так что гальваническое влияние кабельной линии не приведет к появлению заметной плотности тока.

Таким образом, единственным видом влияния кабельной линии на трубопроводы является магнитное влияние, для которого расчетным путем определяется максимально возможная плотность тока на трубопроводе.

Задача решается со следующими исходными данными:

• кабели марок ААБл 3х185 и ААБл 3х240, нагрузка кабеля соответствует максимально допустимому длительному току кабеля (290 и 330 А соответственно для двух марок кабеля);

• глубина прокладки кабеля в земле 0.7 м;

• длина кабельной линии — от 100 м до 5 км;

• грунт — суглинок с удельной проводимостью 100 Ом-м;

• минимальное расстояние между кабелем и трубопроводом 1 м;

• пересечение кабельной линии и трубопровода под углом 60°;

• отсутствие изоляционного покрытия трубопровода.

Расчеты наводимых напряжений и плотностей переменного тока проведены с использованием программного комплекса Flow3 расчетов электрических систем в фазных координатах [5]. Программный комплекс обеспечивает совместное моделирование любых однофазных и трехфазных электрических систем переменного тока с решением следующих задач:

• моделирование решетчатыми схемами замещения воздушных и кабельных линий, однофазных и трехфазных трансформаторов;

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Рис. 2. Схема параллельного расположения кабеля и трубопровода.

• графическое построение расчетной схемы на экране монитора;

• расчет симметричных и несимметричных установившихся режимов электрических систем с определением наводимых напряжений и токов электрического и магнитного влияний.

Расчет при параллельном расположении кабеля и трубы даст максимально возможные наводимые токи магнитного влияния из-за наибольшей длины зоны влияния. При расположении кабеля перпендикулярно трубе наводимые напряжения и токи магнитного влияния будут отсутствовать.

Наведенное напряжение увеличивается с ростом сечения. Причина этого эффекта заключается в возрастании поперечной несимметрии жил и величины допустимого тока. Увеличение удельной проводимости земли приводит к пропорциональному возрастанию переходного сопротивления труба-земля с соответствующим снижением тока, а увеличение диаметра трубы, мало снижая переходное

сопротивление, приводит к росту площади контакта со снижением плотности тока. Параллельное расположение кабеля ААБл 3х240 и трубопровода с диаметром трубы 100 мм при удельной проводимости грунта 100 Омм дает наибольшие наводимые плотности тока с поверхности трубы, поэтому этот вариант принят в качестве расчетного для оценки верхнего значения плотности тока.

Расчеты плотности стекающего с трубопровода переменного тока выполнялись в следующей последовательности:

1. Для параллельного расположения кабеля и трубопровода (рис. 2) определяются положения центров тока жил кабеля (табл. 1).

2. Для трубопровода рассчитывается продольное электрическое сопротивление металла трубы на единицу ее длины Япрод через удельное сопротивление металла трубы рм (для трубной стали 0,25 Ом-мм2/м), ее диаметр D (м) и толщину стенки 5 (мм) по формуле [2]:

Р м

Я,

, Ом/м.

тс(103Б-5)5 По заданным удельному сопротивлению грунта р, Ом-м, расстоянию Ь от поверхности земли до оси трубы, м, определяется переходное сопротивление труба-земля Япер. При отсутствии изоляционного покрытия трубопровода переходное сопротивление вычисляется через сопротивление горизонтального заземлителя [2]:

21 , 1 + л/Р

— + 1п -Б

г 2п1

+ 16Ь

4Ь

Ом,

где 1 — длина трубы, м. При Ь<< 1 получается

Яг =Р Ь^, Ом,

и далее

2я1 БЬ

ЯпеР = Яг • 1, Ом-м.

Табл. 1

Положение электрических центров жил кабеля ААБл 3х240.

Сечение 2 мм Высота сектора, мм Ширина сектора, мм Периметр, мм Сумм. толщина изоляции, мм Радиус жилы, мм ХА, мм УА, мм ХВ, мм УВ, мм ХС, мм УС, мм

185 21,2 12,6 - 2,7 15,3 -6,6 3,8 6,6 3,8 0 -7,7

240 27,2 16,7 66 3,4 20,1 -8,7 5,0 8,7 5,0 0 -10,1

Табл. 2

Продольные и поперечные сопротивления и проводимости трубопровода

D (м) s, мм Rпродl Ом/м RпроД| Ом/км h, м 1, м Rr, Ом Rпер| Ом-м Gпер| См/к м RвX| Ом GвX| См

0,1 5 0,000168 0,168 1,7 1000 0,248 248 4,03 0,102 9,8

0,5 5 0,000032 0,032 1,7 1000 0,222 222 4,50 0,042 23,6

0,1 5 0,000168 0,168 1,7 5000 0,060 299 3,34 0,112 8,9

0,5 5 0,000032 0,032 1,7 5000 0,055 274 3,65 0,047 21,3

Для учета части трубопровода, находящегося вне зоны влияния, необходимо определить входное сопротивления этой части, которое вычисляется по формуле [2]: Rex = Ö^R^Rnep , ОМ.

Величины Кпрод, R^, Rsx используются при составлении расчетной схемы программного комплекса Flow3. В табл. 2 представлены значения этих параметров, а также величины проводимости утечки труба-земля G на 1 км трубы и входной проводимости G^ части труб, находящейся вне зоны влияния. Последний параметр был использован для установки шунта на расчетной схеме комплекса Flow3 для учета этой части трубы.

Из табл. 2 видно, что длина и диаметр трубы мало влияют на величину R^.

Переходная проводимость оболочки кабеля по отношению к земле при контакте оболочки с землей для кабеля с внешним диаметром 50 мм равна Рис. 3. Элемент пя- Gnep = 3.6 См'км. типроводной системы 3. В соответствии с

токоведущих частей. параметрами табл. 1 и

2 в редакторе комплекса Flow3 выполнен элемент пятипроводной системы токоведущих частей (три жилы и оболочка кабеля, труба), изображенный на рис. 3, на котором верхняя линия соответствует трубопроводу, вторая — оболочке кабеля, три нижних — жилам кабеля. Этот элемент использован для составления расчетной схемы (рис. 4), на которой для учета распределенности системы установлено 10 последовательно соединенных элементов. Подключенные резистивные элементы соответствуют переходной проводимости труба-земля соответствующей длины, на узлах их свободных концов установлены шунты большой проводимости. Шунты в концевых узлах трубопровода 26 и 81 соответствуют Gвх табл. 2.

4. По схеме, изображенной на рис. 4, выполнены расчеты режимов при разных длинах зоны влияния. Полученные величины токов по резистивным элементам I пересчитаны в плотности тока ] в соответствии с выражением . _ I

3 _пОМ'

где Д1 — длина многопроводного элемента. Для крайних элементов берется половина этой длины, поскольку крайние резистивные элементы моделируют половину утечки на землю.

Рис. 4. Расчетная схема.

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ ЙН|

Табл. 3

Токи и плотности тока, стекающего с трубы, при номинальной нагрузке.

Дли на, м Показатель \ узел 26 36 31 41 46 51 56 61 66 71 81

5000 Координата, м 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Ток, А 0,02 0,07 0,06 0,04 0,02 0 0,02 0,04 0,06 0,07 0,02

Плотность тока, А/м2 0,000 25 0,000 45 0,000 38 0,000 25 0,000 13 0,000 00 0,000 13 0,000 25 0,000 38 0,000 45 0,000 25

1000 Координата, м 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Ток, А 0,01 0,01 0,01 0,01 0 0 0 0,01 0,01 0,01 0,01

Плотность тока, А/м2 0,000 64 0,000 32 0,000 32 0,000 32 0,000 00 0,000 00 0,000 00 0,000 32 0,000 32 0,000 32 0,000 64

Результаты расчетов режимов сведены в табл. 3, где представлены плотности тока, стекающего с трубопровода в землю, при двух длинах сближения (5000 и 1000 м) и максимально допустимом токе кабеля 330 А.

Рис. 5 иллюстрирует зависимость плотности стекающего тока от координаты вдоль трубы. Эта зависимость имеет максимумы плотности тока на краях зоны влияния.

Полученные значения плотности стекающего тока, наведенного со стороны кабельной линии за счет поперечной несимметрии жил кабеля по отношению к трубопроводу, на че-

тыре порядка меньше опасного уровня в 10 А/м2. При уменьшении длины сближения уменьшаются и наведенные токи из-за преобладающего влияния сопротивления самозаземления трубопровода по сравнению с его продольным сопротивлением; уменьшение длины снижает наведенную ЭДС, но не снижает входные сопротивления участков трубы вне зоны влияния.

Протекание по оболочке кабеля неском-пенсированного тока 20 А, возможного в некоторых режимах однофазного замыкания на

0,00050

0,00040

^ 0,00030 $

6

н 0,00020 и

Е -

I

д 0,00010

0,00000

Ко орд и 1ата,км

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Рис. 5. Зависимость плотности стекающего тока от координаты вдоль трубы.

Табл. 4

Токи и плотности тока, стекающего с трубы, при токе 20 А в оболочке.

Длина м Показатель \ узел 26 36 31 41 46 51 56 61 66 71 81

5000 Координата, м 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Ток, А 1,09 1,1 0,56 0,28 0,12 0 0,12 0,28 0,56 1,1 1,09

Плотность тока, А/м2 0,01388 0,00700 0,00357 0,00178 0,00076 0,00000 0,00076 0,00178 0,00357 0,00700 0,01388

землю, приводит к появлению наведенных токов, представленных в табл. 4.

Хотя значения наведенных токов существенно выше, чем в нормальных режимах, но плотности тока, тем не менее, остаются на три порядка меньше допустимых значений.

Выводы.

1. Из трех видов электромагнитного влияния кабельной линии на трубопровод — электрического, магнитного и гальванического — значение может иметь только магнитное влияние. Электрическое влияние отсутствует ввиду расположения кабеля и трубопровода в проводящем грунте, а гальваническое влияние мало ввиду изолированной нейтрали, при которой нескомпенсированные токи по оболочке кабеля могут протекать только в режиме однофазного замыкания. Эти токи не превышают 20 А и не представляют опасности для трубопровода.

2. Расчетные значения плотности стекающего тока, наведенного со стороны кабельной линии за счет магнитного влияния, пренебрежимо малы. Таким образом, даже в случае наихудшего сочетания параметров пересечения кабельной линии напряжением 10 кВ с трубоп-

роводом коррозионное влияние кабеля на

трубопровод отсутствует.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. ГОСТ 9.602-2005. Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии. Принят Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации 22 июня 2005. - 26 с.

2. РД 153-39.4-091-01. Инструкция по защите городских подземных трубопроводов от коррозии. Принята и введена в действие приказом Минэнерго России 29 декабря 2001. - 54 с.

3. Правила защиты устройств проводной связи и проводного вещания от влияния тяговой сети электрифицированных железных дорог переменного тока. — М.: Транспорт, 1989. - 134 с.

4. Правила устройства электроустановок. Издание 7. — М.: Изд-во ЗАО "Энергосервис", 2002. - 72 с.

5. Закарюкин, В.П. Сложнонесимметричные режимы электрических систем [Текст]: монография / В.П. Закарюкин, А.В. Крюков. — Иркутск: Иркут. ун-т. — 2005. — 273 с.