CC BY
115
ВЛИНИЕ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НА СТАЛЬНЫЕ ТРУБОПРОВОДЫ
Мюльбаер Александр Александрович
аспирант Новосибирского государственного технического университета, РФ,
г. Новосибирск E-mail: [email protected]
AC POWER LINES INFLUENCE ON STEEL PIPELINES
Myulbaer Alexander
PhD student of Novosibirsk State Technical University, Russia Novosibirsk
АННОТАЦИЯ
В данной статье рассмотрены механизмы электромагнитного влияния воздушных линий переменного тока на стальные трубопроводы. Проанализированы проблемы, возникающие при влиянии индуцированных переменных токов на стальные трубопроводы, и предложены способы их решения.
ABSTRACT
This article discusses the mechanisms of electromagnetic influence of AC power lines on steel pipelines. The problems arising from the effect of induced alternating currents on steel pipelines are analyzed and ways to solve them are suggested.
Ключевые слов: стальные трубопроводы; воздушные линии переменного тока; электромагнитное влияние.
Keywords: steel pipelines; AC power lines; electromagnetic influence.
Стальные трубопроводы для транспортировки нефти и газа часто размещают в одном коридоре с воздушными высоковольтными линиями электропередачи переменного тока. Это дает много преимуществ, как благодаря рациональному использованию земельных площадей, так и созданию условий для эффективного технического обслуживания и эксплуатации наземных и подземных коммуникаций.
Однако такое размещение трубопроводов имеет и отрицательные стороны. Электромагнитное переменное поле воздушных линий наводит на расположенных вблизи проводниках электрического тока (независимо от того, находится ли он на поверхности или под землей) соответствующее напряжение, которое при электрическом соединении всех труб трубопровода влечет за собой появление токов вдоль трубопровода и ощутимой разности потенциалов между трубопроводом и окружающим его грунтом.
Это может привести к:
• угрозе безопасности персонала (поражение электрическим током);
• разрушению металла трубопровода переменным электрическим током;
• повреждению электрических устройств, связанных с трубопроводом.
Воздушные линии переменного тока среднего и высокого напряжения, а
также контактная сеть переменного тока могут оказывать 3 вида влияния на пересекаемые и следующие параллельно магистральные трубопроводы:
• Электромагнитное влияние (влияние магнитного поля);
• Электростатическое влияние (влияние электрического поля);
• Кондуктивное (гальваническое) влияние.
Электромагнитное влияние воздушных линий переменного тока возможно как на наземные, так и на подземные изолированные трубопроводы. Причем влияние проявляется только при тесном сближении на большой длине магистрального трубопровода и воздушной линии. Примером такой линии может быть линия 6 (10) кВ, питающая пункты катодной защиты трубопровода, которая следует параллельно трубопроводу на протяжении всей его длины. Переменное магнитное поле, создаваемое воздушными линиями, приводит к возникновению продольной ЭДС в трубопроводе. Эта ЭДС зависит от взаимоиндукции между проводами воздушной линии и трубопроводом, а также от фазных токов. Наведенная продольная ЭДС создает продольный ток в трубопроводе, стекающий с него как через сопротивление изоляции и распределенную емкость трубы по отношению к земле, так и в местах подключения протекторов или каких-либо других заземленных устройств.
На рисунке 1 приведен расчет наводимой продольной ЭДС при указанных условиях в зависимости от расстояния (а) между осью В Л и трубопроводом при разных значениях удельного сопротивления ( ). Значения ЭДС приведены в вольтах на 1 километр длины участка сближения и на 1 ампер тока в фазе влияющей линии электропередачи — В/(А-км).
С У У •ч \ \ -р=1 Омм ---- р= 10 Омм р= 100 Омм -- р=1 ООО Омм
/ 1 9 / и 1 Л \ 4
/ Т V \ О \ Л 'Л
\
о1---==—^—--^^-
1 10 100 МО3 МО4
а, м
Рисунок 1. Зависимость наведенной ЭДС на трубопроводе от его расстояния до оси ВЛ и удельного сопротивления грунта
Электростатическое влияние на подземные трубопроводы незначительно. Объясняется это тем, что в грунте на низких частотах токи проводимости значительно больше токов смещения. При частоте 50 Гц, удельном сопротивлении грунта 100 Ом-м и абсолютной диэлектрической проницаемости грунта порядка 2-10"11 Ф/м токи проводимости будут на 6 порядков превышать токи смещения. Даже в случае промерзания верхнего слоя грунта и увеличении удельного сопротивления до 10 000 Ом-м токи проводимости будут в тысячи раз превышать токи смещения [2].
Электростатическое влияние проявляется только в непосредственной близости от воздушных линий переменного тока при сооружении трубопроводов до тех пор, пока трубы лежат на подкладках, очень хорошо изолирующих от земли, например сухих брусьях. Трубопровод принимает по отношению к земле потенциал (^тр), зависящий от рабочего напряжения (ивл) воздушной линии и от емкостей трубопровода на землю и влияющий провод. Зависимость наведенного напряжения (в %) на трубопровод посредством электрического поля от расстояния (а) приведена на рисунке 2.а.
Кондуктивное влияние проявляется при падении провода ВЛ на пересекаемый ею трубопровод или при коротком замыкании на опору ВЛ (замыкании на землю), расположенную вблизи трубопровода.
Еще один механизм кондуктивного влияния ВЛ с транспозиционными опорами заключается в следующем: из-за несимметрии расположения грозозащитного троса относительно фазных проводов возникает остаточная ЭДС в тросе. В случае, если транспозиция линии проведена безупречно, остаточная ЭДС, наведённая в последующих транспозиционных подсекциях, одинакова по модулю, но отличается на угол в 120 градусов по фазе. По этой причине фактическая остаточная ЭДС в основной транспозиционной секции равна нулю. Ток, вызванный остаточной наведённой ЭДС на контуре грозозащитного троса, замкнутого через заземление опоры, практически достигает значения, равного отношению остаточной ЭДС к передаточному сопротивлению грозозащитного троса с заземлением на единицу длины. Таким образом, нарушение последовательности в узлах транспозиции в фазовых углах ЭДС, наведённой на грозозащитных тросах, вызывает растекание токов (/оп) через заземляющее устройство опоры. Следовательно, потенциал опоры будет
^оп /ОП • ^зу-
Кондуктивное влияние следует учитывать при расположении опор ВЛ в непосредственной близости от трубопровода, на расстоянии, соизмеримом с размером заземлителя опоры. Изолированный трубопровод, расположенный на расстоянии от опоры (имеется ввиду от края заземляющего устройства опоры
ВЛ, представленного полусферой), имеет нулевой потенциал. Окружающий грунт в этом месте имеет потенциал , Следовательно, между металлом трубопровода и грунтом разность потенциалов равна . Уменьшение потенциала грунта при удалении от опоры приведено на рисунке 2. б.
5«-<-.-.-.-|-<-г-.--100
°10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1°0 5 10 15 20 25
X, М X, м
а б
Рисунок 2. а) Зависимость наведенного напряжения на трубопровод от его расстояния до оси ВЛ; б) зависимость разности потенциала между металлом трубопровода и землей при удалении от опоры
Значения наведенных напряжений могут лежать в достаточно широком диапазоне: от единиц вольт до нескольких киловольт. Это зависит как и от вида влияния воздушных линий, так и от их режима работы (нормальный или аварийный режим). В таблице 1 приведены основные расчетные случаи.
Таблица 1.
Разность потенциалов между металлом трубопровода и землей
Вид влияния Примечания Наведенное напряжение, В
Электромаг нитное Линия 10 кВ, питающая пункты катодной защиты, следует параллельно подземному трубопроводу на расстоянии 10 м на протяжении 10 км 4
Тоже, двухфазное короткое замыкание на линии 10 кВ 340
Линия 220 кВ следует параллельно подземному трубопроводу на расстоянии 20
100 м на протяжении 10 км
Тоже, однофазное короткое замыкание 16000
Окончание таблицы 1.
Вид влияния Примечания Наведенное напряжение, В
Электростат ическое Линия 110 кВ, строительство трубопровода, расстояние между ними 80 м 130
Кондуктивн ое Линия 110 кВ, однофазное короткое замыкание на опору, расстояние от заземлителя до трубопровода 25 м 20000
Линия 220 кВ, транспозиционная опора, расстояние от заземлителя до трубопровода 30 м 10
Поражение человека электрическим током возможно при прикосновении к металлу трубопровода, если его потенциал отличен от потенциала грунта, при строительстве, проведении профилактических и плановых работ. Все эти работы проводятся вне помещения в различных погодных условиях.
Согласно ГОСТ 12.1.038-82 напряжение прикосновения и токи частотой 50 Гц, протекающие через тело человека при нормальном (неаварийном) режиме электроустановки, не должны превышать 2 В и 0,3 мА соответственно [1]. Напряжения прикосновения и токи для лиц, выполняющих работу в условиях высоких температур (выше 25 °С) и влажности (относительная влажность более 75 %), должны быть уменьшены в 3 раза. Данные напряжения и токи определены исходя из реакции ощущения при продолжительности воздействий не более 10 мин в сутки.
Разрушения металлических изолированных трубопроводов под действием переменного тока неоднократно встречались в мировой практике. Первые случаи были замечены на трубопроводах природного газа с хорошим электрически изолированным внешним защитным покрытием [4]. Повреждения имели характер локальной коррозии и были отнесены к этому типу разрушения. Коррозия происходила даже тогда, когда трубопровод был катодно защищен. Также известно 2 случая аналогичных сильных повреждений на газопроводах,
которые были обнаружены в Швеции вначале 1990-х, и были вызваны переменным током промышленной частоты высокой плотности. Оба трубопровода были обеспечены катодной защитой, но были подвержены влиянию переменного напряжения из-за их приближенности к высоковольтным линиям электропередачи [3]. В этом же издании определена разность потенциалов между металлом трубопровода и грунтом, при которой воздействие переменного электрического тока может приводить к разрушению металла трубопровода. Это напряжение лежит в диапазоне от 4 до 10 В в зависимости от удельного сопротивления грунта [3]. Описанный процесс разрушения металла трубопровода под действием переменного тока отнесен к коррозионному и вызывает ряд вопросов, для ответа на которые было проведено несколько экспериментальных исследований. В результате исследований было определено: процесс разрушения металла трубопровода под действием переменного тока не носит коррозионного характера; разрушение металла трубопровода начинается при разности потенциалов 10 В.
В результате общие выводы работы свелись к следующему, риск коррозии возрастает с усилением воздействия переменного тока и увеличением качества покрытия трубопровода.
Эффект отрицательного влияния улучшенного качества покрытия объясняется тем, что:
• при увеличении сопротивления покрытия увеличивается напряжение на трубопроводе;
• при уменьшении размеров дефектов покрытия в месте его повреждения увеличивается плотность протекающего в нём тока.
Повреждению электрических устройств электрически связанных с трубопроводом возможно при превышении предельно-допустимого напряжения для данного электрооборудования. К изолированным трубопроводам подключается различное оборудование: устройства катодной защиты, контрольно-измерительные приборы и прочее. Например, в катодной защите в
основном используются диоды для выпрямления электрического тока 12 класса, что соответствует 1200 В.
Также необходимо учитывать тепловое воздействие на токоведущие части электрооборудования, вызванное протеканием индуцированного переменного тока. Это возможно при малом сопротивлении контура: трубопровод-электрооборудование-земля-трубопровод.
Определение безопасного для электрооборудования напряжения на трубопроводе является индивидуальной задачей для каждого конкретного случая.
На этапах строительства и последующей эксплуатации необходимо применять различные мероприятия для обеспечения безопасности персонала и оборудования.
Для обеспечения электробезопасности персонала при монтажных работах на трубопроводе под наведенным напряжением необходимо разработать правила проведения работ, где применяемые мероприятия могут быть как организационные, так и технические. Первым шагом должно быть аналитическое определение возможного наведенного напряжения на трубопровод (напряжение прикосновения). В случае если напряжение будет превышать допустимое напряжение прикосновение необходимо применять меры по его снижению. Такими мерами могут быть: заземление участка трубопровода, на котором проводятся работы, как минимум в двух точках; использование сетки для выравнивания потенциала.
После ввода трубопровода в эксплуатацию определять допустимое напряжение необходимо из условия разрушения металла трубопровода под действием переменного тока. Для снижения значения наведенного напряжения на трубопровод можно использовать следующие технические решения:
• выполнение заземления трубопровода через фильтр с частотой пропускания 50 Гц. Использование фильтра вызвано тем, что трубопроводы в основном оборудованы катодной защитой, и нельзя допускать стекание защитного тока через заземляющее устройство;
• если на стадии проектирования известно, что трубопровод будет находиться в зоне влияния воздушных линий переменного тока, то можно трубопровод секционировать, используя изоляционные кольца. Это позволит снизить наведенную продольную ЭДС и, как следствие, напряжение на трубопроводе.
Список литературы
1. ГОСТ 12.1.038-82. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов. Минск : Изд-во стандартов, 1983. — 7 с.
2. Михайлов М.И. Влияние внешних электромагнитных полей на цепи проводной связи и защитные мероприятия / М.И. Михайлов. М.: Связьиздат, 1959. — 583 с.
3. AC corrosion on metallic pipelines due to interference from AC power lines. Joint Working Group C4.2.02: CIGRE, April 2006. — 110 p.
4. GEOCOR: A.C. Corrosion on cathodically protected pipelines. Guidelines for risk assessment and mitigation measures. Published by APCE Association for the Protection against Electrolytic Corrosion, 2001. Availableat: CEOCOR, www.ceocor.lu.
