土壤特性對埋地金屬管道沿線電流密度的影響

張康偉譚 波童雪芳郭軼磊牛浩然

(1. 三峽大學 電氣與新能源學院，宜昌 443002； 2. 三峽大學 新能源微電網湖北省協同創新中心，宜昌 443002；3. 中國電力科學研究院有限公司武漢分院，武漢 430074)

相比于高壓交流輸電，高壓直流輸電具有高效、低線路損耗等優點，在長距離輸電中有著較高的經濟效益。我國國土面積廣闊且電力資源分布極不均衡，因此需建設大量特高壓直流輸電線路以滿足我國經濟發展的需要。高壓直流輸電系統主要分為單極系統和雙極系統。我國的高壓直流輸電系統常用的是雙極對稱的運行模式。但在雙極系統建成初期或故障檢修時，通常會采用單極系統的大地回流方式運行。此時，高達數千安的電流將會流入大地。這些流入大地的電流極有可能對埋地金屬管道造成巨大影響，如管道防腐蝕層存在破損時，泄漏到管道上的電流密度就會增大，管道將發生較強烈的電化學腐蝕。大地作為高壓直流輸電系統單極運行回路中的重要組成部分，土壤特性與埋地金屬管道的電流密度之間存在著密不可分的聯系，因此研究土壤特性對受到直流接地極入地電流干擾的埋地金屬管道電流密度的影響，及埋地金屬管道的安全防護具有重大意義[1-2]。

目前,對于埋地金屬管道受直流接地極影響的報道比較多。劉昌等[3]通過建立直流接地極與埋地金屬管道的電磁仿真模型，分析了造成管道上設備異常、以及發生電化學腐蝕等問題的原因；張建賓等[4]通過相關軟件模擬了后建接地極對埋地管道的影響，探討了后建接地極與管道的距離對管道電位分布的影響規律；陳水明[5]通過建立管道的傳輸線等值模型討論了均勻土壤中管道與直流接地極的距離以及接地極埋深對埋地金屬管道腐蝕的影響；曹方圓等[6]通過建立相關的管道電路模型，得到了管道在各種保護措施下直流接地極對金屬管道管地電位的影響和計算方法，并用實測數據進行了驗證。以上研究大部分是在均勻土壤中討論直流接地極對金屬管道的影響。目前，關于土壤特性對受直流接地極入地電流干擾的埋地金屬管道電流密度的影響，還鮮有文獻報道。

本工作主要應用CDEGS軟件對直流接地極與附近埋地金屬管道建立仿真模型，通過均勻土壤模型、水平兩層土壤模型以及改變分層土壤中各層土壤電阻率大小、表層土壤厚度來對比分析土壤特性對埋地金屬管道電流密度的影響，可供電力和石油相關部門參考。

1 CDEGS計算軟件有效性驗證

CDEGS軟件MALZ模塊是功能強大的接地分析工具，可準確模擬不同復雜結構土壤中大型金屬接地網，并能夠計算土壤中任意導體單位面積的泄漏電流密度。為了驗證CDEGS軟件所建立的模型的有效性，在特高壓試驗基地接地實驗室的矩形水槽中搭建高壓直流接地極和金屬管道的縮比試驗平臺，如圖1所示，進行模擬試驗。矩形水槽尺寸為30 m×27 m×3 m，水槽四周及底部布滿了回流銅網；管道長7.5 m，水平支撐放置在離水槽底部2 m處；接地極與管道放置在同一水平面上，通過接地極注入30 A的直流電流。水槽中注入自來水，水面沒過管道約10 cm，用自來水模擬均勻土壤，其電阻率約為40 Ω·m，采用uDL2管道陰保斷電電位記錄儀測量距管道中點3 m兩個對稱點處的電流密度。用CDEGS建立該試驗平臺的仿真模型，進行模擬計算。

圖1 模擬試驗平臺示意圖(俯視)Fig. 1 Schematic diagram of the simulation test platform (top view)

模擬試驗的實測數據與模型計算數據如表1所示。結果表明：模型計算結果與模擬試驗結果的相對誤差在10%左右，并且對稱性良好。因此，CDEGS軟件所建立的接地極與埋地金屬管道模型具有較高的準確性，可用于后續的相關研究。

表1 管道電流密度的模型計算結果與試驗結果Tab. 1 Model calculation results and test results of current density of pipe

2 模型的建立

以±800 kV某特高壓直流接地極以及附近埋地金屬管道實際參數為例,用CDEGS軟件建立仿真模型，如圖2所示。所建立的模型中，特高壓直流接地極采用雙圓環結構:外環半徑為350 m，埋深3.5 m；內環半徑為270 m，埋深3 m。接地極材料為半徑0.04 m的鋼材，采用陽極運行模式，入地電流為4 kA。接地極附近埋地金屬管道與接地極中心距離為10 km，埋地金屬管道為裸管道，材料為鋼材，長度為一個絕緣段的長度(80 km)，管道外徑711 mm，壁厚9.5 mm，以管道長度的中心位置為坐標零點。

圖2 接地極與埋地金屬管道示意圖Fig. 2 Schematic diagram of grounding electrode and buried metal pipe

3 結果與討論

3.1 均勻土壤

直流接地極與埋地金屬管道分別處于不同電阻率(100、300、500、1000、1 500、2 000 Ω·m)的均勻土壤中，依次對埋地金屬管道沿線電流密度進行了計算，結果如圖3所示。

圖3 不同電阻率的均勻土壤中管道沿線電流密度Fig. 3 Current densities along the pipe in homogeneous soil with different resistivity

管道沿線電流密度可以從側面反映金屬管道腐蝕速率的大小。由圖3可知：在均勻土壤中，隨著土壤電阻率的增大，管道沿線電流密度大體呈增大趨勢，且增幅逐漸減小，呈非線性增長趨勢；在管道上存在電流密度為零的點，隨著土壤電阻率的增大，此零點的位置會稍微向管道端部偏移，且偏移量越來越小。整個管道沿線出現了3個極大值點，即管道中點及兩個端點，對極大值點進行分析，如圖4所示。由圖4可見：當土壤電阻率從100 Ω·m增大到1 000 Ω·m時，管道中點電流密度由1.059 mA·m-2增至2.059 mA·m-2，當土壤電阻率從1 000 Ω·m增大到2 000 Ω·m時，其電流密度僅從2.059 mA·m-2增至2.206 mA·m-2，管道端點處變化趨勢亦是如此。由此可見，土壤電阻率較低時，土壤電阻率的變化對管道沿線電流密度的影響較大，當土壤電阻率增大到一定程度后，電流密度大小會趨于穩定。這是由于隨著土壤電阻率的增大，大地的導電性和導熱性變差，直流接地極入地電流在大地內散流造成的歐姆壓降增大，而金屬管道電阻率小于土壤電阻率，構成低電阻通道，使得更多電流流經管道，造成金屬管道電流密度增大；而當土壤電阻率遠大于管道電阻率時，管道附近幾乎所有電流均通過金屬管道進行散流，所以管道沿線電流密度幾乎不再受土壤電阻率的影響。

圖4 均勻土壤中管道中點與端點電流密度Fig. 4 Current densities at midpoint and end-point of the pipe in homogeneous soil

3.2 水平兩層土壤

水平兩層土壤是在接地極相關計算中常用的土壤模型。通常情況下，為了保證直流接地極入地電流產生的跨步電壓符合安全規定，雙圓環接地極埋深通常為3～5 m；而金屬管道施工需考慮到施工難易程度以及經濟性，通常只需埋于較淺層土壤，埋深約1 m左右。因此,在分析水平兩層土壤中管道沿線電流密度時，不僅需要考慮不同土壤層電阻率的變化對管道電流密度的影響，而且需考慮表層土壤厚度的影響。

3.2.1 表層土壤電阻率的影響

為了討論表層土壤電阻率變化對埋地金屬管道沿線電流密度的影響，保持表層土壤厚度為5 m不變，底層土壤電阻率始終為100 Ω·m，改變表層土壤電阻率(100、300、500、1000、1 500、2 000 Ω·m)得到如圖5所示管道沿線電流密度。

圖5 表層土壤電阻率變化時管道沿線電流密度Fig. 5 Current densities along the pipe in top soil with different resistivity

由圖5可知：在底層土壤電阻率固定不變的情況下，隨著表層土壤電阻率的增大，管道沿線大部分電流密度呈明顯減小趨勢。由圖6可知：當表層土壤電阻率從100 Ω·m增大至2 000 Ω·m，管道中點處電流密度降低了66%，端點處降低了65%；隨著表層土壤電阻率的增大，管道中部和端部電流密度逐漸變小且變化幅度越來越小，表層土壤電阻率增加到一定程度后，電流密度會趨于穩定。這是由于隨著表層土壤電阻率的增大，尤其當表層土壤電阻率遠大于底層土壤電阻率時，底層土壤為接地極的散流提供了低電阻通道，致使更多的電流流向了底層土壤，而管道處于表層土壤中，流經表層土壤的電流變小，因此管道表面電流密度變小。

圖6 表層土壤電阻率變化時管道中點與端點處電流密度Fig. 6 Current densities at the midpoint and end-point of the pipe in top soil with different resistivity

3.2.2 底層土壤電阻率的影響

為了討論底層土壤電阻率的變化對埋地金屬管道沿線電流密度的影響，始終保持表層土壤厚度為5 m不變，表層土壤電阻率始終為100 Ω·m，改變底層土壤電阻率(100、300、500、1 000、1 500、2 000 Ω·m)得到如圖7所示管道沿線電流密度。

圖7 底層土壤電阻率變化時管道沿線電流密度Fig. 7 Current densities along the pipe in bottom soil with different resistivity

由圖7可知：當接地極位于表層土壤中時，在表層土壤電阻率固定不變的情況下，隨著底層土壤電阻率的增大，管道沿線電流密度大部分呈增大趨勢，對比上述3.1.1中底層土壤電阻率不變時管道電流密度，在該種兩層土壤中，管道沿線電流密度明顯較大，可見在底層土壤電阻率較大的兩層土壤中，需特別注意對管道加強防護。由圖8可知：當底層土壤電阻率由100 Ω·m增至2 000 Ω·m時，管道中點處電流密度從1.059 4 mA·m-2增大到3.666 8 mA·m-2，增幅為246%，端點處電流密度從0.550 2 mA·m-2增大到4.4880mA·m-2，增幅達716%，底層土壤電阻率的增大對管道端部電流密度大小影響更大。在均勻土壤以及表層土壤電阻率較高的兩層土壤中，管道中點處的電流密度一般高于兩端的，而在底層土壤電阻率遠大于表層土壤電阻率的土壤結構中(如圖7中曲線6)，電流密度呈現出管道兩端高于中間的態勢。由此可見，底層土壤電阻率的變化對管道端部電流密度的影響較大。這是由于底層土壤電阻率的增大阻礙了接地極入地電流向更深層土壤進行散流，導致大部分電流流經電阻率相對較低的表層土壤，而管道正是處于表層土壤中，使得管道沿線電流密度明顯增大；同時接地極在較低土壤電阻率的表層土壤中散流時，由于管道長度較長，低電阻的埋地金屬管道將匯集較多的電流流向大地遠端，導致管道兩端的電流密度增大，甚至可能大于中點處電流密度。

圖8 底層土壤電阻率變化時管道中點與端點處電流密度Fig. 8 Current densities at the midpoint and end-point of the pipe in bottom soil with different resistivity

3.2.3 表層土壤厚度的影響

由于管道與接地極在實際工程中埋深不同，管道與接地極可能處于不同層土壤中，同時表層土壤電阻率和底層土壤電阻率的相對大小也可能不同。因此，在討論表層土壤厚度的變化對管道電流密度的影響時，需考慮表層土壤電阻率小于底層土壤電阻率(ρ1<ρ2)、表層土壤電阻率大于底層土壤電阻率(ρ1>ρ2)兩種情況。

模型計算中保持表層土壤電阻率與底層土壤電阻率不變，只改變表層土壤厚度(0.5～4.5 m)。當ρ1<ρ2時得到的計算結果如圖9、圖10所示；當ρ1>ρ2時得到的計算結果如圖11、圖12所示。

圖9 表層土壤厚度變化時管道沿線電流密度(ρ1<ρ2)Fig. 9 Current densities along the pipe in top soil with different thicknesses (ρ1<ρ2)

圖10 表層土壤厚度變化時管道中點和端點處電流密度 (ρ1<ρ2)Fig. 10 Current densities at the midpoint and end-point in top soil of the pipe with different thicknesses (ρ1<ρ2)

圖11 表層土壤厚度變化時管道沿線電流密度(ρ1>ρ2)Fig. 11 Current densities along the pipe in top soil with different thicknesses (ρ1>ρ2)

圖12 表層土壤厚度變化時管道中點和端點處電流密度(ρ1>ρ2)Fig. 12 Current densities at the midpoint and end-point of the pipe in top soil with different thicknesses (ρ1>ρ2)

由圖9和圖10可知，當ρ1<ρ2時，隨著表層土壤厚度的增加，管道沿線電流密度增大；但由圖11和圖12可知，當ρ1>ρ2時，隨著表層土壤厚度的增加，管道沿線電流密度減小。這主要是由于ρ1<ρ2時，表層土壤厚度增加使表層土壤中電流分流量增加，從而使進入管道流通的電流也增加；ρ1>ρ2時，表層土壤厚度增加使底層土壤中電流分流增加，單位厚度表層土壤中的電流分流減小，從而使進入表層管道的電流也減小。結合兩種情況下電流密度的變化幅度看，當表層土壤厚度從0.5 m增至4.5 m時，在ρ1<ρ2的情況下，管道中點處的電流密度僅增加了21%，在ρ1>ρ2的情況下，管道中點處的電流密度僅減小了30%。相比于水平兩層土壤中土壤電阻率的變化對管道沿線電流密度的影響，兩種情況下表層土壤厚度變化對電流密度的影響均較小。

4 結論

(1) 在均勻土壤中，埋地金屬管道沿線電流密度隨著土壤電阻率的增大而增大，且在土壤電阻率較小時，土壤電阻率的變化對管道沿線電流密度大小影響較為明顯。

(2) 在水平兩層土壤中，隨著表層土壤電阻率的增大，管道沿線電流密度減小，且變化幅度越來越小；隨著底層土壤電阻率的增大，管道沿線電流密度增大，且底層土壤電阻率的變化對管道兩端電流密度的影響尤為明顯。在實際工程中，管道埋設應選擇底層土壤電阻率較小的地區，在底層土壤電阻率較大的地區且采用接地極陽極運行時,需對管道兩端增設防護措施。

(3) 在水平兩層土壤中，表層土壤電阻率小于底層土壤電阻率時，隨著表層土壤厚度的增加，管道沿線電流密度呈增加趨勢；而當表層土壤電阻率大于底層土壤電阻率時，隨著表層土壤厚度的增加，管道沿線電流密度呈減小趨勢。但總體來說，表層土壤厚度變化對管道沿線電流密度的大小影響較小。