輸電線路雷擊接地散流與附近管道過(guò)電壓防護(hù)研究

高曉東， 安韻竹， 畢斌， 牛景光， 咸日常， 韓正新

(1. 國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250118；2. 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049；3. 國(guó)網(wǎng)山東省電力公司淄博供電公司，山東 淄博 255030)

0 引言

由于我國(guó)輸電線路架設(shè)走廊占地面積較大，架空線路沿途與石油天然氣行業(yè)的油氣管道時(shí)有臨近和交叉，輸電線路和油氣管道“兩線一地”(即輸電線路與油氣管道在同一架設(shè)走廊敷設(shè))帶來(lái)的電磁干擾問(wèn)題日益突出[1—3]，管道安全運(yùn)行與防護(hù)問(wèn)題愈發(fā)受到關(guān)注[4—5]。輸電線路對(duì)埋地油氣管道的電磁影響主要包括感性、阻性耦合2個(gè)方面。不同于正常工況下的感性耦合，雷擊時(shí)阻性耦合占據(jù)主導(dǎo)作用[6]，大部分雷電流沿著距離雷擊點(diǎn)最近的桿塔及其接地網(wǎng)流入大地，不僅會(huì)在桿塔附近的土壤中形成地電位升，還會(huì)對(duì)臨近油氣管道產(chǎn)生強(qiáng)烈的電阻耦合干擾[7—8]。若油氣管道、外防腐層感應(yīng)出較高的電壓，有可能造成局部防腐層缺陷，從而加速管道的腐蝕，嚴(yán)重時(shí)超過(guò)防腐層的耐受電壓安全限值，甚至可能擊穿防腐層并對(duì)管道本體造成損傷。

雷擊不僅是造成輸電線路故障的主要自然原因[9—10]，還會(huì)對(duì)臨近埋地管道產(chǎn)生威脅。但目前高壓輸電線路對(duì)埋地管道的電磁干擾研究多集中于正常運(yùn)行工況下的穩(wěn)態(tài)干擾和輸電線路發(fā)生故障情況下的干擾，有關(guān)雷擊線路的研究較少。此外，桿塔接地裝置可以將雷電流泄流入大地，是電力系統(tǒng)防雷接地的重要部分[11—12]。直流偏磁是接地體對(duì)附近電力設(shè)備的主要影響[13—15]。目前針對(duì)桿塔接地網(wǎng)雷電流散流過(guò)程對(duì)線路附近埋地管道雷電過(guò)電壓影響的研究較少，且主要考慮雷電流、檔距、管線間距對(duì)臨近管道雷電過(guò)電壓的影響[6，16—19]，未充分考慮桿塔接地網(wǎng)形狀對(duì)散流過(guò)程的影響。

文中主要研究桿塔接地網(wǎng)散流過(guò)程對(duì)輸電線路桿塔迫近埋地油氣管道的過(guò)電壓影響。通過(guò)仿真計(jì)算分析了“管-線”間距、地質(zhì)條件及接地網(wǎng)形狀對(duì)輸電線路桿塔迫近油氣管道情況下管道雷擊過(guò)電壓的影響規(guī)律。相關(guān)結(jié)論可為共用走廊的管道-線路工程設(shè)計(jì)、施工與改造提供參考。

1 仿真模型及參數(shù)

雷電直擊輸電線路時(shí)，雷擊點(diǎn)一般位于距離輸電線路桿塔50 m的范圍內(nèi)。文獻(xiàn)[6]研究了雷擊超高壓交流輸電線路對(duì)管道的電磁影響，結(jié)果表明，距離桿塔50 m范圍內(nèi)，雷擊點(diǎn)對(duì)桿塔入地電流和避雷線分流基本無(wú)影響，且當(dāng)管道十分接近輸電線路某一基桿塔時(shí)，分析管道上的電磁干擾可不考慮該線路其他桿塔的入地電流影響。因此文中設(shè)定油氣管道和輸電線路的間距為50 m。

利用電磁分析軟件CDEGS建立模型時(shí)忽略其他桿塔地網(wǎng)和地面以上部分，僅考慮1基桿塔的接地網(wǎng)和臨近管道。雷電流采用標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形，即波頭時(shí)間為2.6 μs，半峰值時(shí)間為50 μs 。采用#字型接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，將其命名為#A型。LgA1為方框地網(wǎng)的邊長(zhǎng)；LgA2為外沿線長(zhǎng)度；Dg為臨近管道側(cè)接地體末端與管道之間的水平距離，管道由相對(duì)地網(wǎng)對(duì)稱的中心位置分別向兩側(cè)延伸2 km后遠(yuǎn)離線路。具體參數(shù)為：接地體埋深0.8 m，LgA1=LgA2=18 m，材料為直徑10 mm的鍍鋅圓鋼，相對(duì)電阻率為109.7，相對(duì)磁導(dǎo)率為636；油氣管道埋深為2 m，外直徑為1 016 mm，壁厚為20 mm；外側(cè)防腐層厚度為3 mm，管道材料為低碳鋼，相對(duì)電阻率為100，相對(duì)磁導(dǎo)率為300，防腐層為3層聚乙烯結(jié)構(gòu)(3PE)，電阻率為105Ω·m，相對(duì)介電常數(shù)為3。

圖1 #字型接地網(wǎng)與臨近管道模型Fig.1 # shaped grounding grid and closer pipeline module

2 Dg對(duì)防腐層感應(yīng)過(guò)電壓Uci的影響

雷電流經(jīng)桿塔入地會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的阻性耦合，由于地電場(chǎng)衰減速度很快，所以通常阻性耦合的作用范圍較小。因此，“管-線”間距Dg成為影響管道防腐層感應(yīng)過(guò)電壓Uci的重要因素。為了分析Dg對(duì)Uci的影響，取管道周圍土壤電阻率ρ為200 Ω·m，Dg為5～80 m。不同Dg下，Uci沿線分布如圖2所示。文中所述Uci為管道防腐層感應(yīng)過(guò)電壓的最大值。

圖2 Uci隨不同Dg的沿線分布Fig.2 Distribution of different Dg on Uci

由圖2可知，Uci沿線呈對(duì)稱分布，管道中心點(diǎn)處的Uci最高，由管道中心向管道兩側(cè)Uci逐漸降低。Dg對(duì)距桿塔接地網(wǎng)較近管道段的Uci影響非常大，Uci隨著Dg的增大而顯著減小。Dg由5 m增加至80 m時(shí)，Uci由107 kV降低至34 kV，降幅約68.22%。若采用3PE防腐層，其50%放電電壓為93 kV。若Dg過(guò)小，則Uci極可能導(dǎo)致防腐層損傷。增大Dg可以顯著降低Uci，是油氣管道過(guò)電壓防護(hù)的有效措施。另外，較高的感應(yīng)電壓集中在管道中心及周圍區(qū)域，分析管道不同位置(距管道中心距離)的Uci隨Dg的變化規(guī)律，如圖3所示。

圖3 管道不同位置Uci隨Dg的變化Fig.3 Influence of Dg on Uci at different positions of pipeline

由圖3可知，距離管道中心越遠(yuǎn)，管道段的Uci越小，且受Dg影響也越小。從管道中心向外延伸過(guò)程中，Uci降速很快，在距離中心0～300 m過(guò)程中，Uci從107 kV降低至約17 kV，說(shuō)明雷擊對(duì)距雷擊點(diǎn)最近的管道段威脅最大，對(duì)遠(yuǎn)處管道威脅較小。

3 地質(zhì)條件對(duì)Uci的影響

地質(zhì)條件是影響雷電流在大地中散流的重要因素之一，管道工程受雷電流沖擊的強(qiáng)烈程度因周圍地質(zhì)環(huán)境而異。分析不同地質(zhì)條件下的Uci，選取單層土壤模型進(jìn)行仿真；ρ為50～1 500 Ω·m；Dg分別為5 m，20 m，35 m。不同地質(zhì)條件下Uci計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 單層土壤中Uci與ρ的變化關(guān)系Fig.4 Influence of single layer soilstructure ρ on Uci

由圖4可知，Uci隨著ρ的增大近似線性增長(zhǎng)。這是由于ρ越高，其對(duì)雷電流向遠(yuǎn)方散流的阻礙作用越強(qiáng)，管道防腐層外的電流密度越大，導(dǎo)致Uci升高。在ρ為1 500 Ω·m的極端土壤條件下，不同Dg的Uci高達(dá)631 kV，461 kV，364 kV，明顯超過(guò)了3PE防腐層的50%放電電壓93 kV。說(shuō)明在較高ρ和較小Dg的情況下，管道防腐層易受雷電影響而損傷防腐層。

為了分析雙層土壤結(jié)構(gòu)對(duì)Uci的影響，選取如表1所示的6種雙層土壤結(jié)構(gòu)S1—S6。采用表1土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)，取Dg為20 m進(jìn)行仿真。不同雙層土壤結(jié)構(gòu)下，Uci的沿線分布如圖5所示。

表1 土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Soil structure parameters

圖5 Uci沿線分布與雙層土壤類型的關(guān)系Fig.5 Influence of two layer soil on Uci

由圖5可以看出，S1—S3結(jié)構(gòu)中的Uci均高于S4—S6結(jié)構(gòu)中的Uci，且隨著低電阻率土壤區(qū)域的擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)中的Uci顯著降低。這是由于上、下層ρ差距非常大，S4—S6無(wú)窮大面積的優(yōu)質(zhì)土壤更有利于雷電流在大地中擴(kuò)散，有效降低了雷電流對(duì)臨近管道的電磁干擾。實(shí)際工程中，當(dāng)土壤的地表電阻率較高、深層電阻率較低時(shí)，可以通過(guò)鉆井構(gòu)造垂直接地的方式，有效改善雷電流散流過(guò)程，從而降低Uci。

4 接地網(wǎng)形狀對(duì)Uci的影響

接地網(wǎng)是雷擊線路散流的重要裝置，影響桿塔的散流過(guò)程。改變接地體的結(jié)構(gòu)會(huì)影響雷電流的泄散方向，若雷電流向遠(yuǎn)離油氣管道方向泄散，則會(huì)降低Uci。為了研究桿塔接地網(wǎng)形狀對(duì)Uci的影響，對(duì)#A型接地網(wǎng)進(jìn)行改造：把垂直朝向管道一側(cè)的2根接地體分別移至背側(cè)2根接地體末端，命名為#B型；在#B型基礎(chǔ)上再將平行于管道并且距離較近的2根接地體移至較遠(yuǎn)的接地體末端并連接，命名為#C型，如圖6所示。

圖6 2種形狀接地網(wǎng)Fig.6 Two types of grounding grids

為了分析不同Dg下，3種桿塔接地網(wǎng)模型對(duì)輸電線路臨近Uci的影響，取LgA1，LgA2，LgB1，LgB2，LgC1，LgC2相等且均為18 m，ρ為200 Ω·m，Dg為5～80 m進(jìn)行仿真計(jì)算。Uci的降壓效率為η，計(jì)算結(jié)果如圖7和表2所示。

圖7 3種接地網(wǎng)在不同Dg下的UciFig.7 Uci at different Dg underthree types of grounding grids

表2 不同Dg下#B型和#C型接地網(wǎng)的ηTable 2 η of grounding grids #B and #C under different Dg

由圖7和表2可知，Dg較小時(shí)3種桿塔接地網(wǎng)形狀對(duì)Uci的影響較為明顯，采用改變接地網(wǎng)形狀的方式可以在一定程度上降低Uci。但是隨著Dg增大，Uci趨近相同。這是由于ρ值較低，為200 Ω·m，雷電流在土壤中的散流良好，絕大多數(shù)的雷電流已通過(guò)土壤散流，桿塔接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)散流的實(shí)際影響并不大，所以對(duì)Uci的降低效果不夠明顯。

為了分析ρ對(duì)Uci的影響，選取間距Dg為20 m，ρ為50～1 500 Ω·m，Uci計(jì)算結(jié)果如圖8和表3所示。

圖8 不同ρ下的UciFig.8 Uci under different ρ

表3 不同ρ下#B型和#C型地網(wǎng)的ηTable 3 η of grounding grids #B and #C under different ρ

由圖8和表3可知，#B型和#C型接地網(wǎng)對(duì)Uci的降低效果非常明顯。這是由于高電阻率土壤會(huì)極大地阻礙雷電流向遠(yuǎn)方散流，該情況下電阻較低的金屬接地體為雷電流提供相對(duì)容易通過(guò)的路徑，#B型和#C型接地網(wǎng)將靠近管道的接地體移至較遠(yuǎn)的位置，使得雷電流更少朝著管道方向擴(kuò)散，從而降低Uci。在實(shí)際工程中，可以通過(guò)改變接地網(wǎng)形狀降低雷擊線路時(shí)的Uci。

計(jì)算不同ρ的接地網(wǎng)接地電阻，如表4所示。RA，RB，RC分別為#A型、#B型和#C型接地網(wǎng)的接地電阻。由表4可知，接地電阻值均滿足我國(guó)電力行業(yè)的規(guī)程要求。可見(jiàn)，改變結(jié)構(gòu)后，接地電阻減小，接地網(wǎng)防雷性能提升。

表4 不同ρ下#B型和#C型接地網(wǎng)的接地電阻Table 4 Grounding resistance of groundinggrids #B and #C under different ρ

5 結(jié)論

文中采用CDEGS軟件搭建雷擊輸電線路時(shí)“管-線”電磁干擾計(jì)算模型，計(jì)算分析了雷擊線路時(shí)Dg、地質(zhì)條件、接地網(wǎng)形式對(duì)臨近埋地油氣管道的暫態(tài)影響，得到如下結(jié)論：

(1) 雷擊輸電線路時(shí)，距離桿塔最近的管道段受電磁干擾影響最為強(qiáng)烈，從該位置向管道兩側(cè)方向的Uci迅速降低。

(2) 增大Dg可以顯著降低管道Uci，降低線路對(duì)管道造成的電磁干擾，是管道過(guò)電壓防護(hù)的有效措施。

(3) 單層均勻土壤條件下，Uci與ρ近似呈線性關(guān)系；雙層土壤條件下，Uci則隨著低電阻率土壤區(qū)域的擴(kuò)大而減小。

(4) 將接地網(wǎng)中靠近管道的接地體移至遠(yuǎn)離管道的一側(cè)可以降低Uci，Dg越小且ρ越高，則降低效果越明顯。