張雪東 吳廣春 王修云 趙蕓黎

安科工程技術研究院（北京）有限公司

 

摘要：利用數值模擬計算軟件結合現場測試數據，建立了埋地油氣管道受新建光伏發電系統雜散電流干擾的模型，計算研究了交流電纜對管道穩態交流干擾、箱變站單相故障下的暫態交流干擾和光伏發電組件對管道直流干擾，依據相關標準要求，對管道雜散電流干擾風險進行了評價。計算結果表明，本文案例中管道受新建光伏發電項目的交直流雜散電流干擾風險低，無須采取緩解措施。

關鍵詞：光伏發電系統；埋地油氣管道；雜散電流；干擾

 

光伏發電是指利用太陽能電池的P-N結光生伏打效應原理有效地吸收太陽光輻射能，通過轉換裝置使之轉變成電能。由于路由有限，光伏發電項目與埋地油氣管道并行的現象陸續出現，給管道帶來了潛在的雜散電流干擾風險。目前國內外公開的文獻資料中針對光伏發電項目對臨近埋地油氣管道雜散電流干擾的研究鮮有報道，給管道運營管理人員帶來了一定的困擾和疑惑。以國內某新建光伏發電項目及穿越其廠區的油氣管道為例，采用數值模擬計算方法（SES CDEGS計算軟件），計算分析了管道受到雜散電流干擾的風險，可為相關從業者提供一定的參考借鑒。

1  案例介紹

某新建光伏發電項目裝機總容量為40 MW，共布置10個光伏子陣，每個子陣中26塊組件（540 Wp單晶組件）串聯為1個光伏組串，每24路組串接入一臺250 kW組串逆變器，每12臺組串逆變器接入1臺3000 kVA升壓變壓器，將逆變器輸出的800 V交流電升壓至35 kV。項目主接地網采用50 mm×5 mm鍍銅扁鋼材料水平接地體為主，水平接地網深0.8 m，設計接地電阻為4 Ω；光伏組件最大功率540 Pmax/Wp、開路電壓47.6 Voc/V、短路電流14.8 Isc/A、最佳工作電壓39.2 Vmpp/V、最佳工作電流13.78 Impp/A，項目相關電氣參數見表 1、表 2。

表 1 電纜參數

 

表 2 集輸電路箱變站電流參數 

目標管道外徑426 mm，壁厚8 mm，防腐層類型為3PE，采用外加電流方式進行防護。管道5#～7#測試樁約900 m（其中約400 m與光伏組件、35 kV電纜近似平行）位于光伏發電場址內，35 kV集電線路與管道存在1處交叉。項目接地系統與管道最小間距約9 m（圖 1）。通過對5#～7#測試樁長時間電位監測，采用1.0 cm²試片，監測數據涵蓋試片交流干擾電壓、直流通/斷電電位，顯示當前干擾環境狀況下管道交流干擾小、干擾電壓最大約為0.20 V，管道交流干擾輕微，試片極化穩定后斷電電位為﹣0.86 VCSE～﹣0.92 VCSE，管道陰極保護狀況良好（表 3）。

圖 1 新建光伏發電項目與管道相對位置關系示意 

表 3 管道測試樁陰極保護和交流干擾參數測試數據

2  評價指標確定

本項目涉及的潛在管道雜散電流干擾風險包含兩類：0.8 kV交流電纜（逆變器—箱變站）+35 kV集電線路交流電纜穩態交流干擾、箱變站單相故障下的暫態交流干擾；光伏發電組件對管道直流干擾影響。依據相關的雜散電流干擾評價標準確定本項目的評價指標如下。

（1）交流電纜穩態交流干擾參考國標GB/T 40377―2021《金屬和合金的腐蝕 交流腐蝕的測定 防護準則》：交流干擾電壓小于15 V，交流電流密度小于30 A/m²。

（2）箱變站單相故障下的暫態交流干擾。涂層耐受電壓參考武漢大學高壓實驗室2007年的研究項目《輸電線路接地系統對地下金屬管道的影響研究》中的相關研究成果，PE防腐層金屬管道的工頻耐壓取57 kV（對應的峰值電壓約80 kV）；人身安全參考GB/T 50065―2011《交流電氣裝置的接地設計規范》，接觸電壓（UT）和跨步電壓（US）按式（1）、式（2）計算（故障持續時間ts取0.2 s，ρs 為土壤電阻率）：

（3）光伏發電組件對管道的直流干擾參考GB 50991―2014《埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準》：有陰極保護管道，應滿足管道最小保護電位要求，即保護電位位于﹣0.85 VCSE～﹣1.20 VCSE。

3  干擾預測評估

3.1  交流電纜對管道穩態交流干擾

交流輸電線路正常運行時，由于電壓波動導致三相電流不平衡，GB/T 15543―2008《電能質量三相電壓不平衡》規定“電網正常運行時，長時電壓不平衡度不超過2%，短時不得超過4%”。關于不平衡度的計算有兩種方法：①不平衡度＝（最大電流－最小電流）/最大電流；②不平衡度＝（最大相電流－三相平均電流）/三相平均電流。不平衡度的大小將直接決定管道受到的電磁感應干擾程度，因此為了保證評估結果的保守性、全面性、準確性，采用第一種方法進行計算。

基于交流電纜交流干擾模型與輸電線路運行參數，采用SES CDEGS數值模擬軟件計算評估了交流電纜于A相不同平衡度下管道交流干擾狀況，結果如圖 2和表 4所示。可知：管道交流干擾電壓和電流密度隨不平衡度增加而增大，交流干擾電壓和電流密度隨管道里程的變化趨勢一致，在管道與集電電纜交叉點附近出現干擾峰值，交流干擾電壓最大值為1.57 V，交流電流密度最大值為6.22 A/m²，隨著管道與集電電纜相互間距的增加，沿線交流干擾程度降低，管道整體交流干擾風險弱，無須采取交流排流措施。

圖 2 穩態交流干擾計算結果

表 4 交流電纜對管道穩態干擾

 

3.2  箱變站單相故障下的暫態交流干擾

新建光伏發電項目共有箱變站10座，3#箱變站距管道11 m。因此本部分重點考慮3#箱變站發生單相故障情況下管道受交流干擾風險的評估，按照設計參數，箱變站發生接地短路和短路時的故障電流分別為960 A和6400 A，故障持續時間均為0.2 s。采用SES CDEGS數值模擬軟件計算評估3#箱變站發生單相故障時管道受干擾狀況。管道涂層耐受電壓、接觸電壓和跨步電壓計算結果如圖 3所示。可知3#箱變站發生接地短路和短路故障時，涂層耐受電壓最大值分別為163.8 V、24.6 V，遠小于涂層耐受電壓安全限值，涂層損傷風險小；影響區域內管道接觸電壓最大值分別為159.7 V、23.9 V，遠小于安全限值504 V，人員接觸觸電風險小；管道沿線路跨步電壓最大值分別為0.41 V/m、0.06 V/m，遠小于安全限值862 V/m，人員跨步電壓風險小。箱變站單相故障下的管道暫態交流干擾風險低。

圖 3 暫態交流干擾計算結果 

3.3  光伏發電組件對管道直流干擾

GB/T 37408―2019《光伏發電并網逆變器技術要求》中關于光伏組件絕緣性能指標規定：預期阻抗按照每平方米的絕緣方陣40 MΩ計算；故障時，對于功率大于30 kVA的逆變器，允許的著火漏電流限值為10 mA/kVA有效值。本文中光伏組件面積為2.63 m²，組件對地有效絕緣電阻RISO為15.2 MΩ，26個組件組成一個組串。因此，正常運行情況下單個組串對地泄漏總電流為0.905 mA。項目中，共計2849個組串，光伏正常運行情況下組件對地泄漏總電流為2579 mA；故障時，單個組串逆變器允許的泄漏電流為2500 mA。

泄漏電流一部分直接經接地系統回流至組串逆變器，對管道無雜散電流干擾影響，另一部分經附近金屬構筑物（如埋地金屬管道）回流至組串逆變器，從而對埋地金屬管道產生直流雜散電流干擾影響。泄漏點距管道越近管道受直流干擾風險越大，本文中距離管道最近的逆變器為3#子陣逆變器，選取03-02#逆變器作為研究對象。本小節考慮兩種工況下的管道直流干擾分析：光伏發電系統正常運行時、03-02#逆變器短路故障。

采用SES CDEGS軟件中的CorrCAD模塊建立直流干擾計算分析模型，基于現場土壤測試的X52鋼試樣極化曲線（圖 4）和現場管道陰極保護測試數據，計算得到兩種工況下管道沿線極化電位分布（圖 5）。可知：工況（1）下管道電位最大偏移量約0.2 mV，基本無偏移，管道直流干擾風險低；工況（2）下管道電位最大偏移量約5 mV，基本無偏移，管道直流干擾風險低。需要指出的是，由于光伏系統的逆變器數量較多，單個逆變器發生故障時根據上文的計算結果可知對管道的影響較小，但如果多個逆變器同時發生故障時，可能會對管道產生明顯的直流干擾，應加以注意。

圖 4 X52鋼試樣極化曲線 

圖 5 直流干擾下管道沿線斷電電位分布 

4  結論

（1）利用數值模擬計算軟件結合現場測試數據，建立了埋地油氣管道受新建光伏發電系統雜散電流干擾的模型，計算研究了交流電纜對管道穩態交流干擾、箱變站單相故障下的暫態交流干擾和光伏發電組件對管道直流干擾，依據相關標準要求，對管道雜散電流干擾風險進行了評價。

（2）計算結果表明，本文案例中管道受新建光伏發電項目的交直流雜散電流干擾風險低，無須采取緩解措施。

（3）目前針對新建光伏系統對管道的雜散電流干擾專項研究較少，其數值模擬計算方法、邊界條件的選取等方面有待進一步的研究。同時，公開報道的管道受光伏發電系統現場實際的干擾監檢測數據較少，對于其干擾風險的評估缺乏堅實可靠的現場數據基礎，有待進一步工作和數據積累。

作者簡介：張雪東，1990年生，本科，工程師，完整性管理工程師，主要研究方向為腐蝕與防護。聯系方式：15353183195，1534271972@qq.com。