鋅帶排流地床在油氣管道高壓直流干擾防護(hù)中的關(guān)鍵參數(shù)及其選取原則

姜子濤 董紹華 張玉楠 劉冠一 汪 麟 董廷濤

1.中國(guó)石油大學(xué)（北京） 2.北京科技大學(xué)

0 引言

與日俱增的輸電系統(tǒng)給埋地管道帶來(lái)嚴(yán)重的雜散電流干擾問(wèn)題。近年來(lái)高壓直流輸電系統(tǒng)帶來(lái)的干擾問(wèn)題日益增多，并逐漸成為研究熱點(diǎn)[1-8]。當(dāng)高壓直流輸電系統(tǒng)采用單極大地回路方式運(yùn)行時(shí)，會(huì)有大量電流通過(guò)直流接地極泄放，對(duì)附近的油氣管道造成嚴(yán)重的直流干擾。曹國(guó)飛等[9]報(bào)道了西氣東輸管道受到高壓直流系統(tǒng)干擾，并發(fā)現(xiàn)多處管線閥室的引壓管、絕緣卡套接頭出現(xiàn)放電現(xiàn)象，其現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯示翁源接地極放電時(shí)對(duì)西二線的管地電位波動(dòng)高達(dá)304 V。蔣卡克等[10]利用電位遠(yuǎn)傳技術(shù)監(jiān)測(cè)了南橋接地極放電時(shí)對(duì)上海天然氣管網(wǎng)的影響，結(jié)果顯示干擾最嚴(yán)重時(shí)管道斷電電位最大正向偏移至－0.23 V。程明等[11]報(bào)道了三峽—上海高壓直流工程華新?lián)Q流站發(fā)生放電時(shí)，會(huì)導(dǎo)致西氣東輸管道芙蓉—上海段陰極保護(hù)恒電位儀無(wú)法工作。除此之外，在金麗溫輸氣管道、廣東省天然氣管網(wǎng)、甬滬寧原油管道、西氣東輸新疆段、北美和巴西等地也相繼發(fā)現(xiàn)不同程度的高壓直流干擾問(wèn)題[12-17]。

對(duì)于直流干擾主要的防護(hù)方式主要有：遠(yuǎn)距離避讓（安全距離）、排流保護(hù)、陰極保護(hù)、防腐層修復(fù)、等電位連接、絕緣裝置跨接、絕緣隔離、屏蔽等[18]。楊超等[14]以金絲接地極對(duì)金麗溫輸氣管道干擾為例，研究了該工程下的安全距離和分段絕緣隔離措施。趙雅蕾等[19]建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算分析了分段絕緣＋陰極保護(hù)＋鋅帶措施對(duì)高壓直流干擾的防護(hù)效果。周毅等[20]以某實(shí)際工程為例對(duì)比了電網(wǎng)方采取分體式直流接地極加入地電流限制，管道方采取水平鋅帶防護(hù)方案、分段絕緣加水平鋅帶方案以及直流接地極更換選址方案的緩解效果。劉勇等[21]利用微控制器研制了管地電位自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)與報(bào)警裝置和管地高電位自動(dòng)消減裝置，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。我國(guó)DL/T 5224標(biāo)準(zhǔn)中指出如果直流接地極與地下金屬管道的最小距離小于10 km時(shí)，應(yīng)計(jì)算接地極的電流對(duì)其產(chǎn)生的不良影響[22]。加拿大CSA Z662標(biāo)準(zhǔn)指出在一定的土壤中，高壓直流輸電系統(tǒng)接地極影響范圍可達(dá)70 km[23]。曹國(guó)飛等[24]利用數(shù)值模擬技術(shù)計(jì)算了不同條件下接地極對(duì)管道的影響，并根據(jù)參數(shù)的不同繪制了安全距離圖譜。Verhiel等[25]在高壓直流干擾最嚴(yán)重位置設(shè)置了3處強(qiáng)制排流系統(tǒng)，通過(guò)施加反向電流抵抗高壓直流干擾，達(dá)到緩解的目的。目前，國(guó)內(nèi)外高壓直流干擾防護(hù)方面研究主要集中在對(duì)于特定的管道工程進(jìn)行具體的防護(hù)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，而對(duì)于防護(hù)措施的參數(shù)如何選擇則缺乏系統(tǒng)研究。

鋅帶排流保護(hù)是一種應(yīng)用廣泛且有效的雜散電流防護(hù)技術(shù)，但是在實(shí)際工程應(yīng)用中如何設(shè)置鋅帶排流地床的數(shù)量、位置、間距以及尺寸等參數(shù)卻始終困擾著設(shè)計(jì)人員。鑒于此，筆者在實(shí)際工程基礎(chǔ)上建立計(jì)算模型，分析討論了鋅帶間距、多鋅帶布置方法、鋅帶與管道距離、鋅帶直徑、鋅帶布置形狀、與管道連接等關(guān)鍵參數(shù)的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的選取原則，以期為高壓直流干擾鋅帶排流防護(hù)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和借鑒。

1 計(jì)算原理及模型

1.1 計(jì)算原理

空間中的電磁場(chǎng)相互作用規(guī)律滿足Maxwell方程組，在均勻、線性、各向同性的非磁性媒質(zhì)中，其積分形式如下：

式中B表示磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量，T；dS表示面微元，m2；H表示磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量，A/m；dl表示線微元，m；j0表示傳導(dǎo)電流密度矢量，A/m2；D表示電位移矢量，C/m2；E表示電場(chǎng)強(qiáng)度矢量，V/m；q0表示自由電荷量，C；t表示時(shí)間，s。

只有當(dāng)邊界條件已知的情況下，求解Maxwell方程才能得到唯一解。在兩種不同的介質(zhì)分界面上，由于介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率不同，對(duì)應(yīng)有3組邊界條件[26]。

1.1.1 磁介質(zhì)界面上的邊界條件

圖1 介質(zhì)界面上的法向分量邊界條件圖

式中n表示面微元的法向量；B1表示介質(zhì)1中的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量，T；B2表示介質(zhì)2中的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量，T。

圖2 介質(zhì)界面上的切線分量邊界條件圖

式中H1表示介質(zhì)1中的磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量，A/m；H2表示介質(zhì)2中的磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量，A/m。

1.1.2 電介質(zhì)界面上的邊界條件

式中D1表示介質(zhì)1中的電位移矢量，C/m2；D2表示介質(zhì)2中的電位移矢量，C/m2。

式中E1表示介質(zhì)1中的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量，V/m；E2表示介質(zhì)1中的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量，V/m。

1.1.3 導(dǎo)體界面上的邊界條件

對(duì)于導(dǎo)體表面，其可能存在自由電荷積累，因此利用高斯定理得到電位移矢量的法線分量的邊界條件如下：

式中σe0表示導(dǎo)體分界面上的自由電荷面密度，C/m2。

式中j01表示介質(zhì)1中的傳導(dǎo)電流密度矢量，A/m2；j02表示介質(zhì)2中的傳導(dǎo)電流密度矢量，A/m2。

此外，在導(dǎo)體表面邊界條件式（2）和式（5）也成立。

目前對(duì)于一定邊界條件下的Maxwell方程求解，主要有以矩量法（Method of Moment，MoM）[27]為代表的積分類方法和以時(shí)域有限差分法（Finite Difference Time Domain Method，F(xiàn)DTD）[28]為 代表的微分類方法。筆者采用加拿大SES公司開發(fā)的CDEGS軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，該軟件基于矩量法進(jìn)行計(jì)算求解的。該方法是通過(guò)離散和檢驗(yàn)兩個(gè)過(guò)程將一個(gè)連續(xù)方程轉(zhuǎn)化為離散的代數(shù)方程組，然后再通過(guò)對(duì)離散的矩陣方程求解得到目標(biāo)的電場(chǎng)或磁場(chǎng)分布[29-32]。

1.2 計(jì)算模型及參數(shù)

1.2.1 相對(duì)位置關(guān)系

計(jì)算模型所采用的參數(shù)為廣東地區(qū)某實(shí)際管道與高壓直流接地極參數(shù)，為了能夠更好地分析各個(gè)因素對(duì)緩解效果的影響規(guī)律，對(duì)管道模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理（圖3）。管道總長(zhǎng)80 km，高壓直流接地極位于管道中點(diǎn)（40 km處），與管道垂直間距3 km。管道埋深均為1.5 m，接地極埋深為4 m。

圖3 計(jì)算模型示意圖

1.2.2 管道參數(shù)

管道為螺旋縫埋弧焊鋼管，鋼材為X70鋼，外面包覆3PE防腐層，具體參數(shù)取值如表1所示。

1.2.3 高壓直流接地極參數(shù)

高壓直流接地極為水平淺埋溝型。接地極形狀為同心雙圓環(huán)形，外環(huán)直徑為940 m，內(nèi)環(huán)圓直徑為700 m。接地極饋電材料為鋼棒，鋼棒直徑為70 mm，鋼棒外面具有石油焦炭碎屑活性填充物，其斷面尺寸為1.1 m×1.1 m。由于計(jì)算所用軟件中只有線性結(jié)構(gòu)，因此需要將正方形石油焦炭進(jìn)行等效，等效原則為外表面積相同，即界面周長(zhǎng)一致。根據(jù)式（8）計(jì)算得到石油焦炭的等效直徑為1.4 m。直流接地極單極—大地回路運(yùn)行時(shí)為3 200 A。

式中De表示等效直徑，m。

1.2.4 土壤結(jié)構(gòu)

根據(jù)接地極設(shè)計(jì)資料，研究區(qū)域的土壤結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 土壤結(jié)構(gòu)表

1.2.5 鋅帶參數(shù)

水平鋅帶排流在交直流干擾防護(hù)中較為常用，其主要是水平敷設(shè)的鋅質(zhì)接地地床（一般與管道同埋深）與管道進(jìn)行連接。當(dāng)高壓直流接地極放電時(shí)，由于鋅帶接地電阻較低，為雜散電流提供了低阻通道，因此可排出直流電流。同時(shí)由于鋅的電位較負(fù)，當(dāng)管道無(wú)陰極保護(hù)時(shí)，可以充當(dāng)陰極保護(hù)作用。需要注意的是，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意其與原始陰極保護(hù)系統(tǒng)的兼容性。

計(jì)算所采用的鋅帶模型由于其外部包覆填包料，而填包料電阻很低，因此其直徑采用填包料直徑0.1 m?？v向電阻鋅帶與填包料并聯(lián)情況下，鋅帶電阻較低，因此采用鋅的電阻為縱向電阻，其電阻率為5.88×10－8Ω·m，相對(duì)磁導(dǎo)率為1。

2 結(jié)果及討論

由于高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生故障的回路具有不確定性，直流接地極可能存在陰極放電（電流從大地流向接地極）和陽(yáng)極放電（電流從接地極流向大地）。分別計(jì)算接地極3 200 A電流陰極放電和陽(yáng)極放電情況下，管道的干擾電壓（定義為管道本體金屬與附近土壤的電位差）分布如圖4所示。由圖4可見，接地極放電時(shí)會(huì)在管道中間位置（40 km）和兩端（0 km、80 km）出現(xiàn)干擾電壓峰值，而且陰極放電和陽(yáng)極放電時(shí)管道相同位置處的干擾程度相反。筆者以接地極陰極放電，中間位置為研究對(duì)象開展研究。

圖4 無(wú)緩解措施下的管道干擾電壓分布圖

2.1 鋅帶相互間距的影響

當(dāng)多處鋅帶聯(lián)合作用進(jìn)行防護(hù)時(shí)，如何設(shè)置鋅帶間距能夠發(fā)揮最佳的緩解效果是需要考慮的問(wèn)題。由圖4可知，在40 km處出現(xiàn)干擾峰值，將水平鋅帶布置在該處能降低管道干擾電壓最大值。建立如圖5所示的計(jì)算模型，其中每處鋅帶長(zhǎng)度100 m，鋅帶中心距離管道中心0.8 m。鋅帶中間位置引處導(dǎo)線與管道相連。由于模型為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，以3處鋅帶為研究對(duì)象，分別計(jì)算不同間距下管道的最大干擾電壓。

圖5 水平鋅帶相互間距影響計(jì)算模型圖

將不同鋅帶相互間距下管道的最大干擾電壓進(jìn)行對(duì)比結(jié)果如圖6所示。由圖6可見，隨著鋅帶間距的增加，管道最大干擾電壓先降低后升高，并在間距為600 m時(shí)達(dá)到最低，即緩解效果最佳。對(duì)不同間距下各個(gè)鋅帶的排流電流進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖7所示。由圖7可見，總排流量與干擾電壓的走勢(shì)相反，當(dāng)間距為600 m時(shí)，總排流量最大。這是由于在接地極陰極放電過(guò)程中，這3處位置鋅帶輸出電流方向?yàn)閺墓艿赖酱蟮兀鋯为?dú)的效果是使得管道與附近土壤電壓向負(fù)向偏移（類似陰極保護(hù)效果），這與接地極導(dǎo)致的電壓正向偏移相反，因此起到緩解干擾的作用，當(dāng)鋅帶總輸出電流越大，對(duì)直流接地極產(chǎn)生的干擾抵消能力越強(qiáng)，因此緩解效果越好。此外，從計(jì)算結(jié)果中還可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)3處鋅帶距離較近時(shí)，中間鋅帶的排流量受到抑制，低于兩側(cè)鋅帶的排流量。這是由于當(dāng)鋅帶距離較近時(shí)，鋅帶電場(chǎng)會(huì)相互影響，引起“擁擠效應(yīng)”[33]導(dǎo)致鋅帶的接地電阻增加，排流量下降，影響其效果。

圖6 不同鋅帶相互間距的管道最大干擾電壓圖

圖7 不同相互間距下鋅帶的排流量圖

為了探明間距為600 m時(shí)緩解效果最佳的原因，計(jì)算了只有中間1個(gè)鋅帶時(shí)的緩解效果，結(jié)果如圖8所示。由圖8可見，當(dāng)僅有中間的鋅帶時(shí)，管道的干擾電壓分布為漏斗狀，在中間位置干擾最小，緩解效果最好。隨著與中間距離的增加，干擾電壓快速升高，在距離中心600 m位置達(dá)到峰值，然后緩慢下降。這是由于高壓直流接地極距離管道遠(yuǎn)，輸出電流大，因此產(chǎn)生的干擾曲線峰寬；而水平鋅帶距離管道近，輸出電流小，因此形成的電壓曲線峰窄。在二者的疊加作用下形成了干擾電壓的漏斗狀曲線（圖9）。正是由于管道干擾的這種漏斗狀分布，使得當(dāng)新加入的鋅帶（左鋅帶和右鋅帶）位于峰值位置時(shí)，其驅(qū)動(dòng)電壓最大，排流電流最大（圖7），因此緩解效果最佳。

圖8 僅有中間鋅帶時(shí)的緩解效果圖

圖9 漏斗形干擾電壓曲線的產(chǎn)生原理示意圖

2.2 多鋅帶布置方法

由于地域、開挖條件、工程造價(jià)等條件的制約，實(shí)際工程中常常在管道多處位置布置鋅帶實(shí)現(xiàn)對(duì)管道干擾的防護(hù)。由前面計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)鋅帶布置在兩側(cè)干擾峰值位置時(shí)，擁擠效應(yīng)小，緩解效果最好，因此在進(jìn)行多鋅帶設(shè)計(jì)時(shí)，首先考慮采用不斷在兩側(cè)峰值增加鋅帶的方法進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)（兩側(cè)峰值法）。

按照該方式計(jì)算單處鋅帶不同長(zhǎng)度時(shí)，達(dá)到35 V緩解目標(biāo)所需要的鋅帶量，結(jié)果如表3所示。由表3可見，當(dāng)鋅帶長(zhǎng)度為200 m時(shí)，達(dá)到緩解目標(biāo)所用的鋅帶總長(zhǎng)度最少。當(dāng)鋅帶長(zhǎng)度為1 500 m時(shí)，達(dá)到緩解目標(biāo)需要的數(shù)量最少。

表3 不同鋅帶長(zhǎng)度達(dá)到緩解目標(biāo)的用量表（兩側(cè)峰值法）

由圖10-c、d可見，隨著鋅帶安裝位置遠(yuǎn)離中心，其兩側(cè)的峰值位置電壓逐漸低于中間位置的電壓。雖然在兩側(cè)峰值位置布置鋅帶可以最大程度降低鋅帶之間的相互影響，減小擁擠效應(yīng)，使得地床能夠發(fā)揮更好的排流效果。但是，由于所布置位置干擾電壓的下降，即驅(qū)動(dòng)力降低，使得排流量也有所降低，并沒有達(dá)到較好優(yōu)化效果。

現(xiàn)在考慮另外一種布置方式：將新增的鋅帶布置在管道干擾電壓的最大值位置（最大干擾電壓法）。同樣，以每處位置安裝100 m鋅帶為例，以35 V管道干擾電壓為緩解目標(biāo)，具體的計(jì)算過(guò)程如圖11所示。由圖11可見，5處鋅帶時(shí)最大干擾電壓并不在兩側(cè)位置，而在39.71 km和40.29 km處。因此，與兩側(cè)峰值法不同，在這兩處設(shè)置各100 m鋅帶得到7處鋅帶的方案。以此類推，最終在設(shè)置11處鋅帶時(shí)達(dá)到了緩解目標(biāo)。

圖11 管道最大干擾電壓位置增加鋅帶方法圖

按照該方式計(jì)算單處鋅帶不同長(zhǎng)度時(shí)，達(dá)到35 V緩解目標(biāo)所需要的鋅帶量，結(jié)果如表4所示。隨著單處鋅帶長(zhǎng)度的增加，鋅帶總用量增加。對(duì)比兩種方法可見，不同鋅帶長(zhǎng)度時(shí)采用最大干擾電壓法所需要的緩解鋅帶數(shù)量更少，緩解效果更好。因此，推薦采用最大電壓法設(shè)計(jì)鋅帶位置。

表4 不同鋅帶長(zhǎng)度達(dá)到目標(biāo)的用量表（最大干擾電壓法）

由計(jì)算結(jié)果可見采用最大干擾電壓法時(shí)，單處鋅帶越短，所需的鋅帶總長(zhǎng)越少，但是會(huì)增加其與管道連接的次數(shù)。而實(shí)際工程中需要考慮的因素可能更多，比如：?jiǎn)翁庝\帶較短時(shí)，其現(xiàn)場(chǎng)施工和位置調(diào)整比較靈活，也可以避免連續(xù)大范圍征地的協(xié)調(diào)困難。在設(shè)計(jì)鋅帶排流位置時(shí)，最好與管道現(xiàn)有的陰極保護(hù)測(cè)試樁相結(jié)合，利用陰極保護(hù)測(cè)試樁的引線完成排流，降低連接點(diǎn)施工、開挖費(fèi)用。

本部分計(jì)算內(nèi)容主要計(jì)算了單處鋅帶等長(zhǎng)度時(shí)的效果，實(shí)際工程中可能采用不同長(zhǎng)度鋅帶進(jìn)行聯(lián)合使用。對(duì)于不同長(zhǎng)度鋅帶聯(lián)合使用時(shí)的設(shè)計(jì)原則，以及如何結(jié)合計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)技術(shù)使得排流設(shè)計(jì)更加智能和高效，還需要在未來(lái)開展更多更詳細(xì)的研究工作。

此后從11月23日，我國(guó)再發(fā)布了多起非洲豬瘟疫情，其中涉及北京市房山區(qū)青龍湖鎮(zhèn)、琉璃河鎮(zhèn)各一個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市昆都侖區(qū)一養(yǎng)殖戶；湖北省黃石市陽(yáng)新縣一養(yǎng)殖戶，天津市寧河區(qū)一養(yǎng)殖場(chǎng)，江西省九江市柴桑區(qū)一養(yǎng)殖場(chǎng)，陜西省西安市鄠邑區(qū)一養(yǎng)殖場(chǎng)，北京市通州區(qū)一規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)，黑龍江省農(nóng)墾總局北安管理局一野豬養(yǎng)殖場(chǎng)，四川省瀘州市合江縣一養(yǎng)殖戶，陜西省西安市長(zhǎng)安區(qū)一養(yǎng)殖戶，北京市順義區(qū)一種豬場(chǎng)，山西省臨汾市堯都區(qū)一養(yǎng)殖戶。其中，受到規(guī)?；B(yǎng)殖的影響，北京市通州、順義、房山三個(gè)出現(xiàn)非洲豬瘟疫情的養(yǎng)殖場(chǎng)生豬存欄量最大，分別達(dá)到9835頭、2461頭和1325頭。

2.3 鋅帶與管道距離的影響

計(jì)算研究單個(gè)100 m鋅帶，距離管道不同距離時(shí)的緩解效果（圖12），計(jì)算結(jié)果如圖13所示。由圖13可見，隨著鋅帶與管道距離的增加，靠近鋅帶位置處的管道干擾升高（距離中心小于150 m），遠(yuǎn)離鋅帶位置處的管道干擾降低（距離中心大于250 m），即鋅帶距離管道越近對(duì)于其附近干擾緩解效果越好。而鋅帶距離管道越遠(yuǎn)，其作用范圍將擴(kuò)大。這是由于當(dāng)鋅帶與管道距離增加，其對(duì)管道影響的電位曲線峰變寬，最大峰值下降，因此對(duì)近處的緩解作用降低，對(duì)遠(yuǎn)處的緩解作用升高。但是需要注意的是這種緩解效果的增加并不明顯，如圖14所示當(dāng)間距從0.8 m增加至300.0 m，最大干擾電壓僅從123.06 V下降為120.07 V，降低2.4%。

圖12 鋅帶與管道距離影響計(jì)算模型圖

圖13 鋅帶與管道不同間距下的管道干擾電壓圖

圖14 鋅帶與管道不同間距下的管道最大干擾電壓圖

由此可見，增加鋅帶與管道間距對(duì)遠(yuǎn)離鋅帶位置處的效果不明顯。而采用近距離鋅帶地床可以明顯地提高鋅帶附近的緩解效果，因此在進(jìn)行鋅帶排流設(shè)計(jì)時(shí)，如果需要對(duì)鋅帶附近管道進(jìn)行高效保護(hù)，應(yīng)將鋅帶盡量靠近管道。而如果不需要對(duì)鋅帶附近管道進(jìn)行高效保護(hù)，不需要刻意控制鋅帶與管道的距離。例如：對(duì)于新建管道，推薦采用鋅帶與管道同溝敷設(shè)，其施工簡(jiǎn)單且對(duì)附近管道保護(hù)效果好。而對(duì)于已建管道，由于受到現(xiàn)場(chǎng)施工條件的限制，可根據(jù)實(shí)際情況放寬鋅帶與管道間距限制。

2.4 鋅帶與管道位置的影響

計(jì)算鋅帶在靠近接地極一側(cè)和遠(yuǎn)離接地極一側(cè)時(shí)的緩解效果（圖15），計(jì)算結(jié)果如圖16所示。由圖16可見，雖然鋅帶在靠近接地極一側(cè)時(shí)的緩解效果比遠(yuǎn)離時(shí)的效果好，但是只有在距離管道較遠(yuǎn)時(shí)差距比較明顯（300 m）。當(dāng)鋅帶與管道距離較近時(shí)，其與管道的相對(duì)位置關(guān)系對(duì)緩解效果影響較小。這是因?yàn)殇\帶在靠近接地極一側(cè)時(shí)，鋅帶與管道之間的地電位差大，驅(qū)動(dòng)力大，排流效果好。而遠(yuǎn)離接地極一側(cè)時(shí)，地電位差小，驅(qū)動(dòng)力小，排流效果差。但是，由于接地極與管道距離較遠(yuǎn)，因此兩側(cè)的地電位差差別不明顯。而實(shí)際工程中鋅帶敷設(shè)在管道附近10 m范圍內(nèi)，因此，鋅帶放置位置對(duì)緩解效果影響不大，可忽略其影響。

圖15 鋅帶與管道位置關(guān)系影響計(jì)算模型圖

圖16 鋅帶距管道不同位置時(shí)的管道最大干擾電壓圖

2.5 鋅帶直徑的影響

計(jì)算單一100 m鋅帶排流時(shí)，不同鋅帶直徑（鋅帶加填包料直徑）下的緩解效果，結(jié)果如圖17、18所示。由圖17、18可見，隨著鋅帶直徑的增加靠近鋅帶和遠(yuǎn)離鋅帶位置處的管道干擾都有所降低，但是降低幅度不大。而鋅帶直徑增加帶來(lái)的材料量增加卻十分巨大，如：直徑從0.01 m增加到0.05 m，材料用量增加了25倍，但是最大干擾電壓僅從128.72 V降低為124.85 V，按照式（9）計(jì)算其緩解效率僅從26%提高到28%。需要注意的是，鋅帶在排直流的情況下會(huì)發(fā)生腐蝕消耗，此外當(dāng)鋅帶過(guò)細(xì)或者其上的電流密度較高時(shí)，可能引起析氫反應(yīng)導(dǎo)致接觸不良。因此，在保證其壽命和良好接觸的前提下，鋅帶直徑越小，其性價(jià)比越高。

圖17 不同鋅帶直徑時(shí)的管道干擾電壓圖

圖18 不同鋅帶直徑時(shí)的管道最大干擾電壓圖

2.6 鋅帶布置形狀的影響

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于排流鋅帶主要采用水平線性方式布置，究其原因主要在于相同的鋅帶用量情況下，其排流效果更好。水平鋅帶具有較低的接地電阻，本文參考文獻(xiàn)[34]中給出了不同形狀水平接地極的接地電阻計(jì)算公式以及其形狀系數(shù)的取值，見式（10）和表5。形狀系數(shù)（A）越大，接地電阻越高，導(dǎo)致排流量降低，緩解效果差。由表5可見，水平線性的形狀系數(shù)最小，僅為－0.6，因此其接地電阻較低。另外，從表5可以看出，相同鋅帶長(zhǎng)度，圓形布置地床接地電阻在3放射線形和4放射線形之間，而正方形地床接地電阻在4放射線形和5放射線形之間。以本文的典型參數(shù)為例：鋅帶直徑0.1 m，土壤電阻率70 Ω·m，鋅帶總長(zhǎng)100 m，帶入式（10），計(jì)算得到圓形、4放射線形（十字）、方形的接地電阻分別比線性的高27%、31%和32%。由此可見，采用不同形式的地床對(duì)緩解效果的影響還是很大的。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，對(duì)于鋅帶的形式可按照本文參考文獻(xiàn)[34]給出的接地設(shè)計(jì)原則：一維線性形最優(yōu)，二維平面形其次，三維立體形最差，即：設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以降低排流地床之間的“擁擠程度”為原則。當(dāng)采用放射形地床時(shí)，如果放射線超過(guò)3條，可考慮采用圓形接地代替，當(dāng)放射線超過(guò)4條可考慮采用方形接地代替，以達(dá)到更好的排流效果。

表5 水平接地極的形狀系數(shù)表

式中R表示接地電阻，Ω；l表示水平接地極的總長(zhǎng)度，m；h表示水平接地極的埋設(shè)深度，m；d表示水平接地極的直徑或等效直徑，m；A表示水平接地極的形狀系數(shù)。

2.7 鋅帶與管道連接

當(dāng)鋅帶長(zhǎng)度較大時(shí)，需要與管道進(jìn)行多次連接，筆者對(duì)如何設(shè)置連接點(diǎn)進(jìn)行了分析。建立如圖19所示的計(jì)算模型，分別計(jì)算1 500 m長(zhǎng)的鋅帶與管道連接1次和3次的緩解效果，結(jié)果如圖20所示。由計(jì)算結(jié)果可見，鋅帶與管道連接1次和3次的緩解效果沒有明顯區(qū)別。這是由于在較小范圍內(nèi)，管道的干擾電壓變化不大，同時(shí)金屬內(nèi)阻較低，導(dǎo)致連接次數(shù)對(duì)于鋅帶整體的接地電阻影響較小，因此緩解效果變化不明顯。

圖19 鋅帶與管道連接影響計(jì)算模型圖

圖20 鋅帶與管道不同連接次數(shù)時(shí)的管道干擾電壓圖

雖然連接次數(shù)對(duì)緩解效果的影響不明顯，但是實(shí)際工程中需要考慮鋅帶用于排流時(shí)，其自身會(huì)在雜散電流下發(fā)生腐蝕損失。通過(guò)增加鋅帶與管道的連接次數(shù)可以使得鋅帶上的輸出電流比較均勻，鋅帶腐蝕均勻，防止由于局部腐蝕嚴(yán)重而導(dǎo)致的鋅帶整體失效問(wèn)題。該問(wèn)題可以按照NACE CP3[33]給出的電流衰減計(jì)算方法進(jìn)行分析求解，鋅帶的衰減模型如圖21所示，各個(gè)參數(shù)的關(guān)系如下：

圖21 鋅帶衰減計(jì)算參數(shù)示意圖

式中E表示觀測(cè)點(diǎn)電壓，V；ES表示連接點(diǎn)電壓，V；IS表示連接點(diǎn)電流，A；RG表示管道特征阻抗，Ω；RSO表示開路時(shí)的對(duì)地電阻，Ω；α表示衰減系數(shù)；L表示從連接點(diǎn)至末端的鋅帶長(zhǎng)度，m。

當(dāng)鋅帶長(zhǎng)度L比較大時(shí)（電力長(zhǎng)），coth(αL)≈1，式（14）退化為：

計(jì)算得到鋅帶間距2x的計(jì)算公式為：

以本文的參數(shù)為例進(jìn)行計(jì)算分析。假設(shè)鋅帶較長(zhǎng)為3 000 m，土壤電阻率70 Ω·m，埋深1.5 m，直徑取填包料直徑0.1 m，根據(jù)式（18）可以得到每米鋅帶的泄漏電阻為193 Ω。

式中r|表示每米鋅帶的泄漏電阻，Ω。

鋅帶按照常見的2號(hào)鋅帶計(jì)算其縱向電阻（鋅的電阻率遠(yuǎn)低于填包料，因此兩者并聯(lián)只計(jì)算鋅的縱向電阻），根據(jù)式（19）計(jì)算得到每米鋅帶的縱向線電阻為 3.33×10－4Ω。

根據(jù)式（20）計(jì)算得到鋅帶的衰減系數(shù)為0.001 3，帶入式（17）計(jì)算得到鋅帶連接點(diǎn)間距為1 066 m。因此，對(duì)于本例計(jì)算的3 000 m鋅帶可在設(shè)置3處連接點(diǎn)。

3 結(jié)論

1）多鋅帶布置方法研究結(jié)果顯示采用最大電壓法比采用兩側(cè)峰值法所需要的緩解鋅帶數(shù)量更少，緩解效果更好，因此推薦在實(shí)際工程中采用最大電壓法設(shè)計(jì)鋅帶位置。此外，計(jì)算結(jié)果還顯示采用較短的鋅帶需要的鋅帶總長(zhǎng)較短，但是排流點(diǎn)數(shù)量較多，在實(shí)際工程中應(yīng)綜合考慮材料費(fèi)用、開挖費(fèi)用、排流點(diǎn)的施工情況以及連續(xù)征地難易程度，選擇合適的鋅帶長(zhǎng)度。

2）鋅帶距離管道越近，對(duì)于其附近干擾緩解效果越好，而鋅帶距離管道越遠(yuǎn)，其作用范圍越大。但是，鑒于增加鋅帶與管道間距對(duì)遠(yuǎn)離鋅帶位置處的效果不明顯，而采用近距離鋅帶地床可以明顯地提高鋅帶附近的緩解效果，因此在進(jìn)行鋅帶排流設(shè)計(jì)時(shí)，如果需要對(duì)鋅帶附近管道進(jìn)行高效保護(hù)，應(yīng)將鋅帶盡量靠近管道。而如果不需要，則可以忽略鋅帶與管道的距離的影響。

3）鋅帶在靠近接地極一側(cè)時(shí)緩解效果略微優(yōu)于背離接地極一側(cè)。實(shí)際工程中可忽略鋅帶與管道的相對(duì)位置關(guān)系的影響。

4）增加鋅帶及填包料的直徑對(duì)緩解效果的提升比較有限，因此實(shí)際工程中滿足鋅帶使用壽命以及良好接觸的前提下，直徑較小的排流地床其性價(jià)比較高。

5）鋅帶的接地電阻呈現(xiàn)一維線性形最小，二維平面形其次，三維立體形最差，即：設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以降低排流地床之間的“擁擠程度”為原則。

6）增加鋅帶與管道的連接次數(shù)對(duì)于緩解效果影響比較小。但是，可以使得鋅帶上的輸出電流比較均勻，鋅帶腐蝕均勻，防止由于局部腐蝕嚴(yán)重而導(dǎo)致的鋅帶整體失效問(wèn)題。通過(guò)理論推導(dǎo)獲得了連接點(diǎn)間距計(jì)算公式，帶入本文的參數(shù)得到連接點(diǎn)間距應(yīng)小于1 066 m。

本文得到的研究結(jié)果在不同的初始條件下可能呈現(xiàn)一定的變化，因此具體工程需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算分析，本文的結(jié)論可作為初步判斷的方法。