雷擊輸電桿塔時(shí)埋地管道感應(yīng)電壓的影響因素及防護(hù)措施

寇曉適， 李 純， 李元杰， 文習(xí)山， 魯海亮， 張 科， 董曼玲， 郭 磊

(1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，鄭州450052；2. 武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，武漢，430072)

0 引言

當(dāng)雷電擊中輸電桿塔時(shí)，入地電流會(huì)抬升管道附近地電位，使管壁外側(cè)電位高于內(nèi)側(cè)電位，而地線電流又會(huì)在空間電磁場的作用下，抬升金屬管體的電位，使管壁內(nèi)側(cè)電位高于外側(cè)電位。雖然兩者造成的絕緣層電壓極性相反，但在兩者的綜合作用下，防腐層仍可能承受較高的電壓，使防腐層被擊穿[1-3]，形成多個(gè)破損點(diǎn)，使泄漏電流增大，加速管壁金屬的腐蝕。同時(shí)，雷電流會(huì)擊穿接地導(dǎo)體周圍的土壤，若擊穿通道上存在易燃物質(zhì)時(shí)，容易引發(fā)爆炸和火災(zāi)[4-5]。

雷擊輸電桿塔引起的管道安全問題已經(jīng)引起了人們的重視，在多個(gè)管道工程中，均對(duì)雷擊輸電桿塔時(shí)，在附近管道防腐層上形成的沖擊電壓進(jìn)行了核算[6-8]。采用電路模型計(jì)算桿塔附近管道的電磁干擾[9-10]，具有建模簡單，計(jì)算速度快的優(yōu)點(diǎn)，但在計(jì)算中空間電磁場被假設(shè)為TEM波，而實(shí)際雷擊桿塔時(shí)，空間的電磁場分布復(fù)雜，繼續(xù)采用電路模型難以反映真實(shí)的情況，因此主要利用空間電磁場的數(shù)值計(jì)算方法來研究防腐層上的電壓問題[11-13]。為了降低防腐層上的電壓，則主要采用排流帶進(jìn)行防護(hù)[14]，也有學(xué)者提出通過外延桿塔接地裝置射線的方法[15]。

本研究采用頻域矩量法結(jié)合時(shí)頻轉(zhuǎn)化的計(jì)算方法，給出了土壤電阻率、管道尺寸、防腐層電阻率和防腐厚度及管道與線路的間距對(duì)防腐層電壓的影響。然后對(duì)管道的防護(hù)措施進(jìn)行了計(jì)算，對(duì)排流帶的布置方式和桿塔接地裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。

1 雷擊輸電桿塔時(shí)附近管道電位計(jì)算

1.1 計(jì)算模型

由于雷電流每經(jīng)過一個(gè)檔距，就會(huì)有部分電流從途經(jīng)的桿塔流入大地，在經(jīng)過約5個(gè)檔距后，地線上的雷電流幾乎可以忽略[16]。因此，在在遭受雷擊桿塔頂部施加100 kA的1.2/50 μs電流激勵(lì)，兩側(cè)各取10基桿塔。埋地管道長50 km，與線路平行3 km，間距為30 m，如圖1，模型的參數(shù)見表1，土壤電阻率為1 000 Ω·m。

圖1 仿真模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of simulation model

表1 模型參數(shù)Table 1 Model parameters

利用Fourier正變換，將時(shí)域的電流波形轉(zhuǎn)化為頻域響應(yīng)：

(1)

式中：ω為角頻率；I(ω)為頻域雷電流。

導(dǎo)體線電荷和軸線電流在空間產(chǎn)生的散射電場強(qiáng)度為

ES=-jωA-▽?duì)?/p>

(2)

式中：A為軸向電流產(chǎn)生的矢量磁位；φ為導(dǎo)體表面線電荷產(chǎn)生的標(biāo)量電位。

計(jì)算導(dǎo)體對(duì)象總共分為n段，則有：

(3)

式中：Uj和Ii分別為第j段導(dǎo)體中點(diǎn)的電位以及第i段導(dǎo)體上的電流；式(3)可改寫為矩陣形式：

Z-1U=I

(4)

因?yàn)樽⑷雽?dǎo)體段的電流向量I已知，通過式(4)可求出其他未知電流和支路電壓，得到空間的電磁場場分布。最后通過Fourier反變換，求得時(shí)域中的電壓：

(5)

式中：U0(ω)為單位電流源產(chǎn)生的頻域中的標(biāo)量電壓。

1.2管道電位

管道防腐層兩側(cè)的電位存在區(qū)別，一側(cè)是金屬管道的電位，另外一側(cè)是防腐層接觸土壤的電位，在本研究中用防腐層電位來指代，因此防腐層承受的電壓應(yīng)為兩者的差值。計(jì)算得到管道防腐層電位和金屬電位的瞬態(tài)峰值沿線分布見圖2，防腐層電壓瞬態(tài)峰值的沿線分布見圖3。離雷擊點(diǎn)最近的管道段受到的影響最大，管道電位和防腐層電壓隨著遠(yuǎn)離雷擊點(diǎn)的方向迅速減小。

圖2 管道沿線防腐層電位及金屬電位Fig.2 Coating potential and metal potential along the pipeline

圖3 防腐層電壓沿線分布Fig.3 Coating voltage along the pipeline

以距離雷擊點(diǎn)最近處的管道段為例，仿真得到防腐層電位、金屬電位和防腐層電壓的時(shí)域波形見圖4?？芍?，防腐層電壓最大值出現(xiàn)的時(shí)刻要晚于防腐層電位和金屬電位最大值出現(xiàn)的時(shí)刻。

圖4 防腐層電位、金屬電位和防腐層電壓波形Fig.4 Waveform of coating potential, metal potential and coating voltage

2 防腐層電壓的影響因素

2.1 土壤電阻率的影響

分別計(jì)算了土壤電阻率在100～2 000 Ω·m變化時(shí)的防腐層電壓，計(jì)算結(jié)果見圖5。隨著土壤電阻率的增加，管道沿線防腐層的電壓也會(huì)逐漸增加并趨于飽和。

圖5 防腐層電壓隨土壤電阻率的變化Fig.5 Variation of coating voltage with soil resistivity

2.2 管道與輸電線路間距的影響

實(shí)際工況中，管道與輸電線路平行時(shí)的接近距離不盡相同，為了分析管道與輸電線間距對(duì)防腐層電壓的影響，筆者以30～200 m的范圍內(nèi)選擇了6組數(shù)據(jù)，分析管道與輸電線路間距對(duì)防腐層電壓的影響，計(jì)算結(jié)果見圖6。隨著管道與輸電線路間距的增加，管道防腐層電壓有明顯的降低，當(dāng)間距從30 m增加到200 m后，防腐層電壓最大值從58.48 kV下降到了7.52 kV，下降了87%。

圖6 防腐層電壓隨間距的變化Fig.6 Variation of coating voltage with distance

2.3 管道尺寸的影響

對(duì)于實(shí)際工況，管道的尺寸是多種多樣的，筆者選取了幾種典型的管徑，來研究管徑對(duì)防腐層電壓的影響，計(jì)算結(jié)果見圖7。管道半徑越小，防腐層電壓越大。這是因?yàn)榘霃降臏p小導(dǎo)致了表面積的減小，使泄漏電阻增大。

圖7 防腐層電壓隨管道半徑的變化Fig.7 Variation of coating voltage with pipeline radius

2.4 防腐層的影響

埋地管道防腐層面電阻率能較好的反應(yīng)其質(zhì)量及老化狀況，以管道上常用的3PE防腐材料為例，由于加工工藝的差別和運(yùn)行年限的增加，材料面電阻率達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求的105Ω·m2。本研究以102Ω·m2、103Ω·m2、105Ω·m2以及完全絕緣這4種情況為例，計(jì)算結(jié)果見圖8。防腐層電壓隨防腐層電阻率的增大而增加。這是因?yàn)榉栏瘜与娮杪试降停娏骶驮饺菀琢魅氲焦艿纼?nèi)部，使得管道金屬電位增加而防腐層電位下降，造成防腐層電壓的下降。

圖8 防腐層電壓隨防腐層電阻率的變化Fig.8 Variation of coating voltage with coating resistivity

以3PE材料為例，在面電阻率保持一定的情況下(105Ω·m2)，選取1～4 mm厚度范圍內(nèi)的防腐層來研究防腐層厚度對(duì)防腐層電壓的影響，計(jì)算結(jié)果見圖9。在防腐層面電阻率保持不變時(shí)，隨著防腐層厚度的增加，管道防腐層電壓以近似于線性的趨勢(shì)增加，當(dāng)厚度從1 mm增加到4 mm后，防腐層電壓增加了147%。分析其原因可知，在面電阻率一定時(shí)，增加防腐層的厚度雖然不會(huì)增加管道的泄漏電阻，但防腐層厚度的增加會(huì)減小防腐層的電容值，增大防腐層的電抗值，導(dǎo)致了防腐層電壓的增大。

圖9 防腐層電壓隨防腐層電阻率的變化Fig.9 Variation of coating voltage with coating thickness

3 雷擊輸電桿塔對(duì)埋地油氣管道安

全影響的防護(hù)措施

3.1 接地排流防護(hù)

以管道與輸電線路平行時(shí)為例，計(jì)算在管道上并聯(lián)銅排的防護(hù)效果。其中，管道的半徑設(shè)定為203 mm，土壤電阻率為600 Ω·m，管道與輸電線路的平行接近距離為8 m，防腐層材料為3PE。

在雷擊點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置，將一根長200 m，半徑1 cm，埋深1.5 m的銅排通過固態(tài)去耦合器與管道連接，固態(tài)去耦合器的一端與管道的金屬部分焊接在一起，焊接處重新敷設(shè)防腐層，另一端通過電纜與銅排相連。計(jì)算得到安裝銅排前后，管道防腐層電壓的變化，結(jié)果見圖10和圖11。

圖11 管道沿線防腐層電壓Fig.11 Voltage of anticorrosive coating along pipeline

在管道上安裝了銅排以后，由于銅排的存在，降低了地中場強(qiáng)，且將地中的高電位引入到了管道內(nèi)部，使防腐層電位降低，同時(shí)增大了金屬電位。而管道防腐層電壓取決于防腐層電位和金屬電位之間的差值，兩者的逆向變化，就使得防腐層電壓出現(xiàn)了明顯的降低。在連接了銅排以后，管道并聯(lián)段的防腐層電壓最大值會(huì)有明顯的降低，降幅達(dá)到了57.05%。

以下分析銅排與管道連接點(diǎn)個(gè)數(shù)、銅排長度、銅排與管道間距和銅排埋深等因素對(duì)防護(hù)效果的影響，計(jì)算結(jié)果見表2～表5。

表2 銅排與管道連接點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)防護(hù)效果的影響

表3 銅排長度對(duì)防護(hù)效果的影響Table 3 Influence of copper bar’s length on protection effect

表4 銅排與管道間距對(duì)防護(hù)效果的影響Table 4 Influence of spacing between copper bar and pipe on protection effect

表5 銅排埋深對(duì)防護(hù)效果的影響Table 5 Influence of copper drainage depth on protection effect

由計(jì)算結(jié)果可知不同連接數(shù)量下的防護(hù)效果依次是三點(diǎn)連接>單點(diǎn)連接>兩點(diǎn)連接>無連接。當(dāng)銅排不與管道相連時(shí)，其只能起到降低防腐層電位的作用，無法抬升管道金屬電位，因此該防護(hù)效果最弱。兩點(diǎn)連接的防護(hù)效果低于單點(diǎn)連接和三點(diǎn)連接是因?yàn)椋~排是在端部與管道相連接，在距離雷擊點(diǎn)最近處并未連接，導(dǎo)致雷擊點(diǎn)附近的防護(hù)效果較弱。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，建議采取三點(diǎn)連接的方式，雖然單點(diǎn)連接的防護(hù)效果與三點(diǎn)連接的效果差別不大，但考慮到金屬存在腐蝕的現(xiàn)象，一旦連接點(diǎn)腐蝕斷裂，則防護(hù)效果將會(huì)大為減弱，因此建議多點(diǎn)連接。

并聯(lián)銅排的長度并不是越長越好，當(dāng)銅排長度超過200 m后，繼續(xù)增加銅排長度帶來的防護(hù)效果增益不明顯。這是因?yàn)?，增大銅排的長度會(huì)使得銅排回路電阻和管道回路電阻的比值一直減小，當(dāng)銅排的回路電阻小于管道的回路電阻時(shí)，更多的電流會(huì)通過銅排重新流入大地，導(dǎo)致防腐層電位的減小幅度和金屬電位的增大幅度減小，防腐層電壓呈現(xiàn)重新增大的趨勢(shì)。

銅排與管道的距離越近防護(hù)效果越好，這是因?yàn)?，距離越近越有利于降低管道防腐層外側(cè)的電位。但銅排與管道的間距對(duì)防護(hù)措施的影響較小，實(shí)際中，可以根據(jù)現(xiàn)場的地形，以方便現(xiàn)場施工為準(zhǔn)則合理選定銅排與管道的間距。

當(dāng)銅排與管道的埋深相同時(shí)防護(hù)效果最好，但整體而言銅排埋深對(duì)防護(hù)效果的影響較小，為了減小現(xiàn)場施工的開挖量，建議將銅排淺埋。

3.2 改變桿塔接地裝置的結(jié)構(gòu)

通過改變管道穿越輸電線路處故障桿塔接地裝置的結(jié)構(gòu)，研究接地裝置結(jié)構(gòu)對(duì)防腐層電壓的影響。桿塔接地裝置見圖12，射線初始長度為20 m。管道的半徑設(shè)置為203 mm，管道與接地裝置末端和中心點(diǎn)的初始距離分別為5 m和16.5 m。

圖12 計(jì)算模型Fig.12 Calculation model

為了降低管道防腐層上產(chǎn)生的電壓，在保持靠近管道側(cè)接地裝置的接地電阻不變的情況下，通過增加縮短長度L1，同時(shí)增加遠(yuǎn)離管道側(cè)的增加長度L2，以使雷電流向遠(yuǎn)離管道的一側(cè)散流，起到降低管道防腐層電壓的目的，L1和L2的具體取值見表6。

表6 接地裝置不同結(jié)構(gòu)取值

接地裝置不同結(jié)構(gòu)下對(duì)管道防腐層電壓的防護(hù)效果，結(jié)果見圖13。在不改變接地裝置的接地電阻的前提下，縮短靠近管道側(cè)的射線長度，可以有效地緩解防腐層上產(chǎn)生的電壓，當(dāng)縮短長度L1大于5 m時(shí)，管道防腐層電壓已低于其擊穿電壓，且靠近管道側(cè)的射線長度越短，防腐層上產(chǎn)生的電壓越小，型式1對(duì)應(yīng)的防腐層電壓降幅為44.8%。因此，當(dāng)管道穿越輸電線路且間距不能滿足安全距離的要求時(shí)，可以通過縮短靠近管道側(cè)射線長度并增加對(duì)側(cè)射線的長度的方式來進(jìn)行防護(hù)。

圖13 接地裝置不同結(jié)構(gòu)的防護(hù)效果Fig.13 Protection effect of different structure of grounding device

4 結(jié)論

本研究計(jì)算分析了防腐層電壓的影響因素和防護(hù)措施，得到以下主要結(jié)論：

1)防腐層電壓與土壤電阻率、防腐層面電阻率和防腐層厚度呈正相關(guān)，且隨著土壤電阻率和防腐層面電阻率的增加管道防腐層電壓趨于飽和；防腐層電壓與輸電線路到埋地管道的間距和管道半徑呈負(fù)相關(guān)，即間距越大，管徑越大，防腐層電壓越低。

2)在管道旁并聯(lián)裸銅排后，管道防腐層電壓降幅可達(dá)57%，建議在鋪設(shè)銅排時(shí)，縮短銅排與管道的距離并多點(diǎn)連接，可取得更好的防護(hù)效果。

3)改變接地裝置的結(jié)構(gòu)，通過減小管道方向的射線長度和增大背離管道方向的射線長度，在保持接地裝置位置和接地電阻不變的前提下，能增加管道與輸電線路的電氣距離，防腐層電壓降幅可達(dá)44.8%，具有較好的防護(hù)效果。