基于分布式輔助散流接地網(wǎng)的天然氣管道過(guò)電壓防護(hù)

孫建平，胡元潮，李勛，黃濤，安韻竹，向真

(1.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博255000；2.深圳供電局有限公司，廣東 深圳518000；3. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力工程咨詢有限公司，南京210000)

0 引言

近年來(lái)隨著城市建設(shè)，土地資源日益緊缺，建設(shè)城市地下管道綜合走廊成為熱門的重要舉措[1 - 2]。綜合走廊的建設(shè)，使得局部地段輸電線路與天然氣管道相鄰(并行或交叉)，當(dāng)輸電線路遭受到雷擊時(shí)，將在接地網(wǎng)上注入強(qiáng)電流，會(huì)在天然氣管道上產(chǎn)生巨大的感應(yīng)電勢(shì)，會(huì)對(duì)天然氣管道產(chǎn)生不同程度上的損耗，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)管道本體產(chǎn)生損壞。2017年，南方電網(wǎng)公司深圳供電局有限公司對(duì)部分臨近500 kV輸電線路的天然氣管道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)開挖，發(fā)現(xiàn)其中2段管道的絕緣層出現(xiàn)孔洞損壞，最終由燃?xì)庑袠I(yè)對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。近年來(lái)，綜合能源走廊條件下天然氣管道的防損、防漏和防爆問(wèn)題引起油氣行業(yè)、電力行業(yè)以及社會(huì)公眾的廣泛關(guān)注[3]。研究輸電線路與天然氣管道相鄰時(shí)，輸電線路對(duì)天然氣管道的影響進(jìn)而提出有效的安全防護(hù)措施具有現(xiàn)實(shí)意義。

文獻(xiàn)[4]中研究了接地系統(tǒng)對(duì)附近構(gòu)筑物的傳導(dǎo)干擾，分析了接地系統(tǒng)對(duì)鄰近天然氣管道的影響；文獻(xiàn)[5]中研究國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)得出了天然氣管道與電力及通信線路的最小安全間距；文獻(xiàn)[6 - 7]研究了直流接地極電流對(duì)埋地金屬管道腐蝕影響；文獻(xiàn)[8]研究了同走廊正常運(yùn)行時(shí)特高壓交直流輸電線路對(duì)鄰近埋地天然氣管道的電磁影響；文獻(xiàn)[6]利用仿真模擬軟件CDEGS仿真得出了雷擊輸電線路時(shí)天然氣管道接地位置和與輸電線路與天然氣管道距離對(duì)天然氣管道電壓的分布規(guī)律；文獻(xiàn)[9 - 15]構(gòu)建輸電線路和平行敷設(shè)的天然氣管道模型，研究了電壓等級(jí)、平行間距、土壤電阻率等因素對(duì)天然氣管道的交流腐蝕性影響。現(xiàn)有的研究對(duì)于正常情況下輸電線路對(duì)埋地金屬管道的研究較多，但是較少涉及雷擊狀況下的管道過(guò)電壓防護(hù)。

本文采用仿真軟件COMSOL Multiphysics建立了輸電線路及平行敷設(shè)的天然氣管道模型，研究了輔助接地網(wǎng)的外延長(zhǎng)度、面積、敷設(shè)方向、敷設(shè)角度、連線數(shù)量以及土壤電阻率的等綜合因素對(duì)接地系統(tǒng)接地電阻和天然氣管道上電壓峰值的影響，進(jìn)而提出敷設(shè)桿塔輔助地網(wǎng)進(jìn)行天然氣管道防護(hù)方案。研究結(jié)果將為以后的工程實(shí)施提供參考。

1 仿真模型與參數(shù)設(shè)定

輸電線路桿塔接地網(wǎng)中以方框外延接地網(wǎng)類型最為常見(jiàn)，在計(jì)算桿塔接地網(wǎng)散流特性時(shí)，考慮到桿塔接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)于接地散流有影響，仿真根據(jù)實(shí)際輸電線路桿塔接地網(wǎng)模型，本文采用COMSOL Multiphysics仿真軟件針對(duì)臨近天然氣管道的桿塔接地網(wǎng)進(jìn)行1:1建模，典型的根開外側(cè)方框射線型接地網(wǎng)如圖1(a)所示。

仿真時(shí)取接地體材料為直徑10 mm的鍍鋅圓鋼，其相對(duì)電阻率為109.7，相對(duì)磁導(dǎo)率為636，接地網(wǎng)是邊長(zhǎng)為15 m的正方形框架，外延射線長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，引下線長(zhǎng)度為h，取0.8 m，地管間距為d，m。

圖1(a)仿真模型中，天然氣管道采用直徑600 mm、壁厚8 mm的鋼管。圖1(b)所示的實(shí)際管道絕緣層厚度為8 mm。主體管道長(zhǎng)度取100 m的帶絕緣層的鋼管，兩端外加1 m的無(wú)絕緣層的管道模擬接地極。天然氣管道和接地網(wǎng)埋深均為1.7m。

圖1 桿塔與天然氣管道的仿真模型Fig.1 Simulation model of the tower and gas pipeline

雷擊電流的仿真采用函數(shù)輸入，選擇幅值為100 kA的2.6/50 μs的標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形，表達(dá)式為雙指數(shù)函數(shù)形式[16]，如式(1)所示。

I(t)=111 570×(e(-15 900t)-e(-712 000t))

(1)

式中：I為雷電流等效值，A；t為時(shí)間，μs。

2 方框外延接地網(wǎng)對(duì)管道電壓的影響

針對(duì)常見(jiàn)根開外圍方框射線型接地網(wǎng)進(jìn)行計(jì)算，仿真取土壤電阻率ρ=200 Ω·m，接地網(wǎng)外延射線長(zhǎng)度L1為15 m，地管間距d取30 m。分別計(jì)算得到導(dǎo)體及其土壤電位分布、管道過(guò)電壓幅值如圖2—3所示。

由圖2中導(dǎo)體及其周圍土壤電壓分布計(jì)算結(jié)果可以得出：雷擊輸電線路時(shí)，雷擊電流沿桿塔向下散流，會(huì)給接地網(wǎng)注入高幅值電流，外延接地體可以有效地將電流散向附近土壤，外延接地體末端的散流能力尤其突出，導(dǎo)致雷擊電流被引向天然氣管道的方向，從而增加了管道過(guò)電壓，可能對(duì)天然氣管道產(chǎn)生嚴(yán)重危害。天然氣管道上將產(chǎn)生47 kV的感應(yīng)電壓，該感應(yīng)電壓峰值出現(xiàn)在接地網(wǎng)外延接地體指向的管道處，并向管道兩端逐漸降低。

圖2 金屬導(dǎo)體和土壤中電壓分布Fig.2 Voltage distribution on metal conductor and soil

圖3 天然氣管道上的電壓Fig.3 Voltage on gas pipelines

從圖3計(jì)算結(jié)果可以得出：當(dāng)輸電線路遭受雷擊時(shí)，在天然氣管道上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓峰值超過(guò)47 kV，將會(huì)對(duì)天然氣管道產(chǎn)生嚴(yán)重影響，對(duì)天然氣線路安全造成嚴(yán)重威脅。同時(shí)，為研究土壤電阻率對(duì)天然氣管道感應(yīng)電勢(shì)的影響，使土壤電阻率在50 ～ 2 000 Ω·m之間變化，其他參數(shù)保持不變，再次進(jìn)行上述模型的仿真，得到接地電阻R和管道上感應(yīng)電勢(shì)的峰值Up如表1所示。

由表1對(duì)不同土壤電阻率條件下桿塔接地電阻和管道過(guò)電壓峰值的仿真結(jié)果可知，隨著土壤電阻率的增加，桿塔接地電阻也隨之增大，管道上感應(yīng)電壓的峰值也隨之增大。這是由于隨著土壤電阻率的增大，土壤的散流效果逐漸變差，因此土壤中的電壓降會(huì)逐漸變小，導(dǎo)致接地電阻和管道上的電壓峰值會(huì)隨土壤電阻率的增大而增大。

表1 不同土壤電阻率ρ下接地電阻R及管道電壓峰值UpTab.1 Ground resistance R and maximum voltage on oil and gas pipelines Upat different soil resistivity ρ

3 輔助地網(wǎng)敷設(shè)方式對(duì)管道電壓的影響

由圖2計(jì)算結(jié)論可知，由于桿塔方框射線型接地網(wǎng)朝向管道側(cè)外延射線的“引流”作用，使得管道電壓峰值變大。為此，本文提出基于輔助地網(wǎng)的臨近電力線路的天然氣管道過(guò)電壓整改方案，輸電線路桿塔輔助地網(wǎng)的仿真模型如圖4所示。

圖4 輔助地網(wǎng)敷設(shè)方式示意圖Fig.4 Sketch diagram of the laying mode of auxiliary grounding grid

根據(jù)圖4所示的輔助地網(wǎng)敷設(shè)方式，天然氣管道與接地網(wǎng)之間的間距d取30 m，外延長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，邊長(zhǎng)為L(zhǎng)0的正方形輔助接地網(wǎng)，接地網(wǎng)與輔助接地網(wǎng)的連接數(shù)目為n，其他參數(shù)保持不變，構(gòu)建仿真模型并分析外延長(zhǎng)度L1、輔助接地網(wǎng)面積L0×L0、以及輔助接地網(wǎng)敷設(shè)方向、連線數(shù)量n的影響規(guī)律。其中，輔助地網(wǎng)敷設(shè)方向由圖5(b)中的夾角α(外延射線與原方框接地網(wǎng)的夾角)決定。

3.1 輔助地網(wǎng)外延長(zhǎng)度的影響

為了研究輔助接地網(wǎng)外延長(zhǎng)度對(duì)接地電阻和管道電壓峰值的影響，分別取外延長(zhǎng)度L1為15、30、45、60、75、90 m，輔助地網(wǎng)邊長(zhǎng)L0取15 m，連接數(shù)目n取1，土壤電阻率取300 Ω·m，其他參數(shù)同上，構(gòu)建如圖4(a)所示的輔助接地網(wǎng)仿真模型，金屬導(dǎo)體及其周圍土壤中電壓分布情況如圖5所示。

圖5 金屬導(dǎo)體和土壤中電壓分布(外延射線30 m) Fig.5 Voltage distribution on metal conductor and soil at 30 m of extended ray

根據(jù)圖5金屬導(dǎo)體及其周圍土壤中電壓分布情況仿真計(jì)算結(jié)果，原桿塔接地網(wǎng)會(huì)通過(guò)外延射線向輔助地網(wǎng)進(jìn)行散流，電壓值以整個(gè)接地網(wǎng)為中心，向四周逐漸降低。進(jìn)一步計(jì)算不同輔助地網(wǎng)外延長(zhǎng)度下的接地電阻和管道電壓峰值如圖6所示。

根據(jù)圖6所示的輔助地網(wǎng)不同外延長(zhǎng)度下桿塔接地電阻和管道電壓峰值結(jié)果可知：隨著輔助地網(wǎng)外延長(zhǎng)度的加長(zhǎng)，接地電阻和管道上電壓峰值同時(shí)呈下降趨勢(shì)，外延長(zhǎng)度從15 m增加到90 m，管道電壓峰值下降23%，這是由于原桿塔接地網(wǎng)通過(guò)向輔助地網(wǎng)向其周圍散流，減小了管道方向的散流，因此管道上的電壓峰值降低。同時(shí)，隨著輔助地網(wǎng)外延長(zhǎng)度的增加，背離管道側(cè)的散流面積增加，因此，輔助地網(wǎng)外延長(zhǎng)度越長(zhǎng)，管道上的電壓峰值越低。因此在實(shí)際的工程施工中，根據(jù)實(shí)際條件需求，盡可能將輔助地網(wǎng)遠(yuǎn)離管道敷設(shè)，對(duì)于天然氣管道的防護(hù)效果會(huì)更優(yōu)。

圖6 不同外延長(zhǎng)度下的接地電阻和管道電壓峰值Fig.6 Grounding resistance and maximum voltage on pipe at different external extensions

3.2 輔助地網(wǎng)面積的影響

為了進(jìn)一步研究輔助地網(wǎng)的最優(yōu)敷設(shè)方式，保持外延長(zhǎng)度L1為15 m，分別取輔助地網(wǎng)邊長(zhǎng)L0為5、8、10、12、15 m，計(jì)算桿塔接地電阻和天然氣管道電壓峰值如圖7所示。

圖7 不同輔助地網(wǎng)面積下的接地電阻和管道電壓峰值Fig.7 Grounding resistance and maximum voltage on pipe at different auxiliary ground grid areas

通過(guò)圖7所示不同輔助地網(wǎng)面積下桿塔接地電阻和管道電壓峰值計(jì)算結(jié)果可以得出：增大輔助地網(wǎng)的面積會(huì)減小接地電阻和管道過(guò)電壓的峰值，輔助地網(wǎng)邊長(zhǎng)從5 m增加到15 m，管道電壓峰值降低15%。這是因?yàn)殡S著輔助地網(wǎng)面積的增大，更多的雷擊電流可以通過(guò)輔助地網(wǎng)背向管道方向散流，因此天然氣管道電壓峰值會(huì)隨著輔助地網(wǎng)面積的增大而減小。因此在實(shí)際的工程施工中，應(yīng)考慮實(shí)際情況，盡可能增大輔助接地網(wǎng)面積，對(duì)于天然氣管道的防護(hù)效果會(huì)更優(yōu)。

3.3 輔助地網(wǎng)敷設(shè)方向的影響

為了研究輔助地網(wǎng)敷設(shè)方向的影響，構(gòu)建如圖5(b)所示模型，取角度α為90 °、135 °、180 °，保持其他參數(shù)不變，改變輔助地網(wǎng)敷設(shè)方向，土壤電阻率ρ在500～2 000 Ω·m變化時(shí)，計(jì)算接地電阻R和管道上電壓的峰值Up如表2所示。

表2 不同敷設(shè)方向下的接地電阻R和管道電壓峰值UpTab.2 Grounding resistance R and maximum voltage on pipe on pipes Up in different radiation directions

表3 不同連線數(shù)量下的接地電阻R和管道電壓峰值UpTab.3 Grounding resistance R and maximum voltage on pipe Up at different numbers of wires

由表2輔助地網(wǎng)不同敷設(shè)方向的桿塔接地電阻和管道電壓峰值計(jì)算結(jié)果可知：無(wú)論是接地電阻還是管道電壓峰值，都以α為135 °時(shí)最小，且接地電阻和管道電壓峰值同時(shí)隨著土壤電阻率的增大而增大。因此在實(shí)際的輔助地網(wǎng)敷設(shè)時(shí)應(yīng)選擇α為135 °的敷設(shè)方式，這是因?yàn)閷?dǎo)體間的屏蔽效應(yīng)與兩導(dǎo)體之間的距離有關(guān)，而對(duì)于有公共端點(diǎn)的，導(dǎo)體之間的角度決定了屏蔽效應(yīng)的強(qiáng)弱，α為135 °敷設(shè)的輔助地網(wǎng)與原方框接地網(wǎng)兩邊的夾角最大，受導(dǎo)體屏蔽效應(yīng)的影響最小，因此α為135 °敷設(shè)的接地網(wǎng)散流效果更好，接地電阻和管道電壓峰值也較低。

為比較第3.1節(jié)中輔助接地網(wǎng)敷設(shè)方式與第3.3節(jié)中135 °敷設(shè)方式的散流效果，統(tǒng)一取土壤電阻率為300 Ω·m，外延長(zhǎng)度為15 m，輔助接地網(wǎng)邊長(zhǎng)為15 m，進(jìn)行仿真計(jì)算。根據(jù)仿真運(yùn)行結(jié)果，無(wú)論是土壤電阻率還是天然氣管道電壓最大值，都是135 °敷設(shè)最佳(第3.1節(jié)中，背向管道散流輔助接地網(wǎng)接地電阻為5.246 Ω，天然氣管道電壓最大值為51.512 kV；135 °敷設(shè)輔助接地網(wǎng)接地電阻為5.159 Ω，天然氣管道最大值為51.231 kV)。因此在實(shí)際的工程施工中，應(yīng)選擇135 °的敷設(shè)方式來(lái)敷設(shè)輔助接地網(wǎng)。

3.4 輔助地網(wǎng)連接線數(shù)量的影響

為研究輔助地網(wǎng)連接線數(shù)量n的影響，保持其他參數(shù)不變的情況下，分別取連線數(shù)量n為1、2、3，并在不同土壤電阻率條件下進(jìn)行仿真計(jì)算，桿塔接地電阻R和管道電壓峰值Up的仿真計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由表3輔助地網(wǎng)不同連線數(shù)量下對(duì)接地電阻和管道電壓峰值計(jì)算結(jié)果可知：當(dāng)連線數(shù)量一定時(shí)，隨著土壤電阻率升高，桿塔接地電阻和天然氣管道電壓峰值呈上升趨勢(shì)，這是由于土壤電阻率增大，導(dǎo)致接地體向土壤的散流受阻。當(dāng)土壤電阻率不變時(shí)，隨著輔助地網(wǎng)連線數(shù)量的增加，桿塔接地電阻和天然氣管道電壓峰值呈下降趨勢(shì)，這是由于連線數(shù)量的增加，流向輔助地網(wǎng)上的電流增大，輔助地網(wǎng)上的散流隨之增大，背離天然氣管道方向上的散流增加。

從上述仿真計(jì)算結(jié)果可知：敷設(shè)輔助接地網(wǎng)會(huì)降低天然氣管道上的電壓峰值。同時(shí)，比對(duì)不同輔助地網(wǎng)外延連接線數(shù)量條件下的計(jì)算結(jié)果，增加輔助地網(wǎng)連接線數(shù)量有助于降低桿塔接地電阻和管道過(guò)電壓峰值，但降低幅度并不明顯。考慮到輔助地網(wǎng)連接線數(shù)量的增多使得連接線之間的屏蔽效應(yīng)增加，且材料與施工成本隨之提高，實(shí)際工程中宜根據(jù)實(shí)際輔助地網(wǎng)的面積選擇較少的連接線數(shù)量，使得外延輔助地網(wǎng)達(dá)到技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)。

4 工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

采用本文所述桿塔接地散流方法，針對(duì)臨近天然氣管道的某500 kV輸電線路桿塔進(jìn)行接地散流改造。將原有桿塔朝向燃?xì)夤艿赖腻冧\鋼接地體切斷，在相反方向敷設(shè)非金屬石墨復(fù)合接地材料，同時(shí)，在石墨復(fù)合接地體的末端增加“單向”輔助接地網(wǎng)，實(shí)際接地改造工程如圖8所示。

圖8 油氣管道鄰近處桿塔非金屬接地網(wǎng)接地改造Fig.8 Modification of non-metallic grounding grid of tower near oil and gas pipeline

采用非金屬石墨復(fù)合接地體進(jìn)行輔助接地網(wǎng)施工，同時(shí)，在桿塔樁基外圍敷設(shè)方框接地網(wǎng)，通過(guò)外延石墨復(fù)合接地體連接“單向”輔助接地網(wǎng)，改造前后的接地測(cè)量結(jié)果如表4所示。

表4 施工改造前后接地電阻值 Tab.4 Grounding resistance values before and after construction

由表4測(cè)量結(jié)果可知：采用外延輔助接地網(wǎng)進(jìn)行接地改造后可以保證電力行業(yè)進(jìn)行桿塔接地改造，同時(shí)，通過(guò)石墨復(fù)合接地體的長(zhǎng)距離散流，實(shí)現(xiàn)了桿塔接地網(wǎng)在單一方向側(cè)的接地降阻施工，避免了潛在雷擊或者短路故障電流朝向管道側(cè)的引流，降低了管道過(guò)電壓風(fēng)險(xiǎn)。該施工方案的工程量小，成本較低，可為實(shí)際輸電線路及油氣管道設(shè)計(jì)與過(guò)電壓防護(hù)提供參考。

5 結(jié)論

本文通過(guò)COMSOL Multiphysics對(duì)鄰近天然氣管道的輸電線路進(jìn)行建模仿真，得出以下結(jié)論。

1) 土壤電阻率會(huì)對(duì)接地網(wǎng)散流產(chǎn)生影響。隨著土壤電阻率的增高，天然氣管道電壓峰值逐漸增大。

2) 對(duì)比常見(jiàn)的根開外圍方框射線型接地網(wǎng)，采用輔助接地網(wǎng)的優(yōu)化散流方式，能夠有效地降低接地電阻和天然氣管道電壓峰值。

3) 增加輔助接地網(wǎng)的外延長(zhǎng)度、面積連線數(shù)量和改變輔助接地網(wǎng)的敷設(shè)方向，可以有效地優(yōu)化天然氣管道電壓峰值防護(hù)效果。研究認(rèn)為，在實(shí)際工程施工中，應(yīng)選擇135 °的敷設(shè)方式，同時(shí)增加外延射線的長(zhǎng)度、面積，按照實(shí)際需求選擇增加輔助接地網(wǎng)的連線數(shù)量，以達(dá)到最優(yōu)的防護(hù)效果。

本文研究結(jié)論可為減少電力輸電線路臨近處天然氣管道的安全防護(hù)提供參照，同時(shí)可為現(xiàn)行綜合能源管廊的設(shè)計(jì)與施工提供參考。