緩解線參數(shù)對(duì)長輸管道交流干擾緩解效果影響研究

摘" " 要：緩解線作為排流地床，是固態(tài)去耦合器+緩解線排流方式的重要組成部分。緩解線的接地材料、形式和埋設(shè)方式不同，會(huì)對(duì)排流效果產(chǎn)生較大影響。針對(duì)不同緩解線材料、形式和埋設(shè)方式對(duì)排流效果的作用規(guī)律進(jìn)行研究，確定了緩解線接地材料與尺寸、緩解線與管道間距、緩解線長度、緩解線位置等因素對(duì)交流干擾排流效果的影響規(guī)律：確定鋅帶為最優(yōu)的排流接地材料；隨著緩解線與管道間距的減小，管道整體交流電壓下降，排流效果變好；隨著緩解線長度增加，管道交流電壓下降，當(dāng)緩解線長度大于1 000 m后，排流效果的提高不再明顯；相同體積的鋅帶，半徑為0.006 m時(shí)，緩解效果最好；在鋪設(shè)緩解線時(shí)最好將其中心選在交流干擾電壓最大的地方；如果條件不允許，盡量將緩解線向并行區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，且其中心越接近峰值電壓位置越好。

關(guān)鍵詞：雜散電流；固態(tài)去耦合器；緩解線

Influence of mitigating wire parameters on mitigation effect of AC interference in long-distance pipelines

ZHAO Yufei1， ZHANG Jun2，WANG Zongxi3， ZHOU Bing1， ZHANG Yingying1

1. CNPC Engineering Technology Research Company Limited， Tianjin 300451， China

2. Karamay Hongshan Oilfield Limited Liability Company， Karamay 834000， China

3. Jingtai Operation Area of Pipe China Gansu Company， Baiyin 730900， China

Abstract：As a drainage ground bed， the mitigating wire is an important part of the solid state decoupler + mitigating wire drainage mode. The different grounding materials， forms， and embedded manners of the mitigating wire will have a great impact on the drainage effect. In this paper， the influence of different mitigating wire materials， forms， and embedded manners on the drainage effect was studied， and factors such as the grounding material and size of the mitigating wire， the distance between the mitigating wire and the pipeline， the length of the mitigating wire， and the location of the mitigating wire on the AC interference drainage effect were determined. The zinc strip is determined to be the optimal drainage grounding material. When the distance between the mitigating wire and the pipeline decreases， the overall AC voltage of the pipeline drops and the drainage effect gets better. When the length of the mitigating wire increases， the AC voltage of the pipeline decreases. When the mitigating wire is longer than 1 000 m， the drainage effect is not significantly improved. When the radius of the zinc strip of the same volume is 0.006 m， the mitigation effect is the best. When laying the mitigating wire， it is best to put its center in the place with the highest AC interference voltage. If conditions do not permit， the mitigating wire needs to be moved to the parallel area to the greatest extent， and its center should be as close to the peak voltage position as possible.

Keywords：stray current; solidstate decoupler; mitigating wire

隨著高壓及超高壓交流輸電線、電氣化鐵路和高鐵的飛速發(fā)展，長輸管道面臨的雜散電流干擾日益嚴(yán)重，尤其是交流干擾對(duì)管道的威脅更高，排流治理難度更大[1]。在多種排流方法中，“固態(tài)去耦合器+緩解線”排流的方法由于其良好的緩解效果，得到了國內(nèi)外同行的一致肯定，也是目前使用最廣泛的交流緩解方法[2-4]。

緩解線排流方法是沿埋地管道近距離鋪設(shè)一條或兩條裸露的導(dǎo)體帶（常使用裸銅導(dǎo)線、鋅帶或者鍍鋅扁鋼），并通過固態(tài)直流去耦合器等排流裝置有規(guī)律地與管道連接。緩解線作為管道的接地體，在阻性耦合情況下，抑制了地電位的升高而增大了管道電位；在感性耦合情況下，抑制了管道電位的升高而增大了地電位，從而使管道電位和地電位平均化，有效減小了管地電位差[5-6]。

緩解線作為排流地床，是固態(tài)去耦合器+緩解線排流方式的重要組成部分。緩解線的接地材料、形式和埋設(shè)方式不同，會(huì)對(duì)排流效果產(chǎn)生較大影響。本文針對(duì)不同緩解線材料、形式和埋設(shè)方式對(duì)排流效果的作用規(guī)律進(jìn)行研究，確定了緩解線接地材料與尺寸、緩解線與管道間距、緩解線長度、緩解線位置等因素對(duì)交流干擾排流效果的影響規(guī)律，可為長輸管道雜散電流干擾排流方案設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1" " 結(jié)果與分析

1.1" " 不同緩解線材料的影響

選擇了4種常用的地床材料，包括鋅帶、裸銅線、碳鋼鋼管和鍍鋅扁鐵，在陜京一線F2P507+100處開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究不同地床材料對(duì)排流效果的影響。

分別用相同長度的鋅帶、裸銅線、碳鋼鋼管和鍍鋅扁鐵作為地床材料，測(cè)試其腐蝕電位、排流前/后的交流電壓、地床接地電阻，并計(jì)算交流電壓降低率和交流排流量的平均計(jì)算值，評(píng)價(jià)不同地床材料的排流效果，測(cè)試結(jié)果見表1。

從測(cè)試結(jié)果可知：4種地床材料均有明顯的排流效果；鋅帶電壓降低率為85.8%，效果最好；鍍鋅扁鐵交流電壓降低率為75.6%，效果次之；裸銅線、碳鋼鋼管排流效果較差。造成排流效果差異的原因除了材料本身電位特性外，和材料與土壤的接觸面積也有很大關(guān)系。鋅帶安裝時(shí)帶有填包料，使得接地極與土壤接觸面積增大，因此單位面積的鋅帶能達(dá)到更高的交流電壓降低率；而鍍鋅扁鐵表面積較大，能夠增大與土壤接觸面積，因此相同長度的鍍鋅扁鐵也能達(dá)到較好的排流效果；導(dǎo)電性能最好的裸銅線由于是直接敷設(shè)，不需要填包料，單位長度的裸銅線與土壤的接觸面積小，因此相同長度的裸銅線比其他材料接地極的排流效果差。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，鋅帶是最優(yōu)的排流接地材料。

1.2" " 緩解線與管道不同間距的影響

利用CDEGS數(shù)值模擬軟件，開展多種排流參數(shù)對(duì)排流效果的影響，同時(shí)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了理論分析。

首先建立埋地管道與高壓輸電線并行典型交流干擾工況模型，其計(jì)算模型如圖1所示。其中管道左端為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平鋪設(shè)30 km。在10 km處與高壓輸電線開始并行，并行長度為10 km。高壓輸電線與管道相距50 m。非并行段管道與高壓線呈90?，以減少非并行段的影響。高壓輸電線距離地面高度20 m，三相不平衡電流為250 A。參考國內(nèi)外文獻(xiàn)選擇計(jì)算模型中的管道參數(shù)（見表2）、土壤參數(shù)（見表3）和緩解線參數(shù)（見表4），基本參數(shù)在各個(gè)計(jì)算中保持不變。

當(dāng)鋪設(shè)緩解線時(shí)，由于地理及施工原因經(jīng)常需要對(duì)緩解線與管道間距進(jìn)行移動(dòng)調(diào)整。如何能最大程度保證其緩解效果成為防腐設(shè)計(jì)師需要處理的問題。計(jì)算中，所用緩解線半徑0.008 m，埋深0.5 m，共2條。每條緩解線與管道分別在10 km和20 km處各連接一次。緩解線長度為1 000 m，研究緩解線距離管道中心間距為0.5、1、1.5、2、2.5 m時(shí)，對(duì)緩解效果的影響。經(jīng)過計(jì)算，得到緩解效果與緩解線距離管道中心的關(guān)系曲線，如圖2所示。從圖中可以看出，隨著緩解線與管道間距的減小，管道整體交流電壓下降，緩解效果變好。

1.3" " 緩解線不同長度的影響

緩解線長度對(duì)緩解效果有著重大的影響，直接決定緩解的效果。然而，過長的緩解線使得總體費(fèi)用較高，如何選擇合適的緩解線長度對(duì)交流緩解設(shè)計(jì)十分重要。通過數(shù)值模擬，開展不同緩解線長度下管道沿線交流電壓的分布計(jì)算。計(jì)算中所用緩解線半徑0.008 m，埋深0.5 m，共2條。每條緩解線與管道分別在10 km和20 km各連接一次。緩解線長度為10～3 000 m。經(jīng)過計(jì)算，得到緩解效果與緩解線長度關(guān)系曲線，如圖3所示。由圖3可以看出，隨著緩解線長度的增加，管道整體交流電壓下降；而且交流電壓為0 V的位置始終在15 km處，同時(shí)峰值電壓位置也未發(fā)生移動(dòng)。

圖4為10 km處緩解線長度與交流電壓及接地電阻的關(guān)系。由圖4可見，緩解線較短時(shí)隨著緩解線的增長峰值電壓迅速下降。而當(dāng)緩解線較長時(shí)，隨著緩解線的增長，峰值電壓變化不大；峰值電壓的變化趨勢(shì)與緩解線接地電阻的變化呈現(xiàn)一定的相關(guān)性，這表明由于接地電阻的降低使得峰值電壓降低。但是，接地電阻的下降速度較快，而峰值電壓的下降速度稍慢。這是由于緩解線增長時(shí)，接地電阻雖然沒有很大變化，但是較長的緩解線能感應(yīng)出更大的交流電流。根據(jù)楞次定律，該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)原磁場(chǎng)有削弱作用，從而導(dǎo)致管道的交流電壓下降。

為了方便設(shè)計(jì)時(shí)選擇合適的緩解線長度，定義緩解效率參數(shù)f，分別計(jì)算不平衡電流為100～1 000 A時(shí)，不同長度緩解線的緩解效率，其結(jié)果見表5。由表5可見，緩解線的緩解效率不隨不平衡電流的變化而變化。因此，在進(jìn)行緩解設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)初始干擾電壓及期望達(dá)到的緩解電壓數(shù)據(jù)計(jì)算緩解效率，并根據(jù)緩解效率選擇相應(yīng)的緩解線長度[7]。

[f=U-ULU×100%]

式中：f 為緩解效率，%；U為無緩解線的峰值電壓，V；UL為緩解線長為L時(shí)的峰值電壓，V。

1.4" " 緩解線不同位置的影響

當(dāng)鋪設(shè)緩解線時(shí)，由于地理及施工原因經(jīng)常需要將緩解線進(jìn)行移動(dòng)調(diào)整。如何移動(dòng)緩解線能夠最大程度保證其緩解效果，需開展緩解線鋪設(shè)位置對(duì)其緩解效果的影響研究。為了去除其他因素的影響，計(jì)算模型保持緩解線與管道連接點(diǎn)不變（連接在10 km和20 km處），緩解線本身引線位置不變（緩解線中心），連接線涂層采用絕緣涂層，計(jì)算模型如圖5所示，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

由圖6（a）可見，緩解線的鋪設(shè)位置對(duì)管道沿線交流電壓的分布有很大影響。在非并行段交流電壓大小關(guān)系為Model 1gt;Model 2gt;Model 5gt;Model 3gt;Model 4，而在并行段為Model 5gt;Model 1gt;Model 4gt;Model 2gt;Model 3。從圖6（b）中可以看出，當(dāng)緩解線中心在交流電壓峰值位置時(shí)，緩解效果最好；緩解線中心越靠近交流電壓峰值位置，緩解效果越好。另外，緩解線鋪設(shè)在并行段內(nèi)的緩解效果比鋪設(shè)在非并行段的效果好，這是由于在并行段內(nèi)由于高壓線的存在，使得該處存在較強(qiáng)的電磁場(chǎng)。當(dāng)緩解線鋪設(shè)在并行段內(nèi)時(shí)，會(huì)感應(yīng)出交流電流。根據(jù)楞次定律，該電流的作用會(huì)降低高壓線在該處的磁場(chǎng)，從而使管道受到的交流干擾降低。而且由緩解線上排除的交流電流會(huì)改變其附近地電場(chǎng)的分布，進(jìn)而影響管道的交流電壓。

1.5" " 緩解線不同截面積的影響

將緩解鋅帶分別布置在10 km和20 km兩處，每處鋅帶長1 000 m，埋深0.5 m，每條鋅帶與管道分別在10 km處和20 km處連接。模擬計(jì)算了半徑分別為0.004、0.006、0.008、0.010、0.012、0.014 、0.016、0.032、0.050、0.100 m鋅帶的緩解效果。經(jīng)過計(jì)算得到不同截面積鋅帶緩解效果與管道里程的關(guān)系（見圖7），隨著鋅帶半徑的增加，管道交流電壓下降。

以10 km處為研究對(duì)象，研究緩解鋅帶施加后該處交流電壓的變化（如圖8所示）?？梢钥闯觯?dāng)鋅帶半徑大于0.016 m后，對(duì)交流電壓的緩解作用變化不大。

考慮鋅帶的用量，為了得到最優(yōu)的鋅帶半徑，計(jì)算鋅帶總體積為0.2 m3時(shí)，模擬計(jì)算了不同情況（①鋅帶半徑為0.004 m，長為4 000 m；②鋅帶半徑為0.006 m，長為1 733 m；③鋅帶半徑為0.008 m，長為1 000 m；④鋅帶半徑為0.010 m，長為640 m；⑤鋅帶半徑為0.012 m，長為444 m；⑥鋅帶半徑為0.014 m，長為326 m；⑦鋅帶半徑為0.016 m，長為250 m；⑧鋅帶半徑為0.032 m，長為62 m；⑨鋅帶半徑為0.050 m，長為25 m；⑩鋅帶半徑為0.100 m，長為6 m）的緩解效果，見圖9。

以10 km處為研究對(duì)象，研究緩解鋅帶施加后該處交流電壓的變化（如圖10所示）。由圖10可以看出，相同質(zhì)量的鋅帶，半徑為0.006 m時(shí)的緩解效果最好；當(dāng)鋅帶半徑大于0.006 m后，由于半徑增加帶來長度的減小，使得緩解效果變差；而當(dāng)半徑小于0.006 m時(shí)，由于半徑過小也未能達(dá)到良好的緩解效果。

2" " 結(jié)論

本文通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并配合CDEGS數(shù)值模擬軟件計(jì)算，研究了緩解線多項(xiàng)參數(shù)對(duì)緩解效果的影響規(guī)律。確定了緩解線材料及尺寸、緩解線與管道間距、緩解線長度、緩解線位置、緩解線截面積等對(duì)交流干擾排流效果的影響規(guī)律，可為長輸管道雜散電流干擾排流方案設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1）研究了鋅帶、裸銅線、碳鋼鋼管和鍍鋅扁鐵等4種地床材料的排流效果，確定鋅帶為最優(yōu)的排流接地材料。

2）隨著緩解線與管道間距的減小，管道整體交流電壓下降，排流效果變好；隨著緩解線長度的增加，管道交流電壓下降，當(dāng)緩解線大于1 000 m后，排流效果提高不明顯；對(duì)于相同體積的鋅帶，半徑為0.006 m時(shí)的緩解效果最好。

3）在鋪設(shè)緩解線時(shí)最好將其中心選在交流干擾電壓最大的地方；如果條件不允許，盡量將緩解線向并行區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，且其中心越接近峰值電壓位置越好。

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作者簡介：

趙玉飛（1990—），男，山東利津人，工程師，2016 年畢業(yè)于大連理工大學(xué)材料加工工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)主要從事陰極保護(hù)的研究及技術(shù)服務(wù)工作。Email：zhoyf16@cnpc.com.cn

收稿日期：2024-03-30；修回日期：2024-04-30