2021, Vol. 40
文章编号: 2096-3203(2021)01-0162-05 中图分类号: TM86 文献标识码: A
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2. 山东理工大学电气与电子工程学院, 山东 淄博 255049;
3. 国网山东省电力公司淄博供电公司, 山东 淄博 255030
 高晓东(1962), 男, 硕士, 高级工程师, 从事输变电设备运维与检修、输电线路防雷与接地相关工作(E-mail:gaoxd1024@163.com); |
毕斌(1986), 男, 学士, 工程师, 从事输变电设备运维与检修、输电线路防雷与接地技术相关工作
由于我国输电线路架设走廊占地面积较大, 架空线路沿途与石油天然气行业的油气管道时有临近和交叉, 输电线路和油气管道“两线一地”(即输电线路与油气管道在同一架设走廊敷设)带来的电磁干扰问题日益突出[1-3], 管道安全运行与防护问题愈发受到关注[4-5]。输电线路对埋地油气管道的电磁影响主要包括感性、阻性耦合2个方面。不同于正常工况下的感性耦合, 雷击时阻性耦合占据主导作用[6], 大部分雷电流沿着距离雷击点最近的杆塔及其接地网流入大地, 不仅会在杆塔附近的土壤中形成地电位升, 还会对临近油气管道产生强烈的电阻耦合干扰[7-8]。若油气管道、外防腐层感应出较高的电压, 有可能造成局部防腐层缺陷, 从而加速管道的腐蚀, 严重时超过防腐层的耐受电压安全限值, 甚至可能击穿防腐层并对管道本体造成损伤。
雷击不仅是造成输电线路故障的主要自然原因[9-10], 还会对临近埋地管道产生威胁。但目前高压输电线路对埋地管道的电磁干扰研究多集中于正常运行工况下的稳态干扰和输电线路发生故障情况下的干扰, 有关雷击线路的研究较少。此外, 杆塔接地装置可以将雷电流泄流入大地, 是电力系统防雷接地的重要部分[11-12]。直流偏磁是接地体对附近电力设备的主要影响[13-15]。目前针对杆塔接地网雷电流散流过程对线路附近埋地管道雷电过电压影响的研究较少, 且主要考虑雷电流、档距、管线间距对临近管道雷电过电压的影响[6, 16-19], 未充分考虑杆塔接地网形状对散流过程的影响。
文中主要研究杆塔接地网散流过程对输电线路杆塔迫近埋地油气管道的过电压影响。通过仿真计算分析了“管-线”间距、地质条件及接地网形状对输电线路杆塔迫近油气管道情况下管道雷击过电压的影响规律。相关结论可为共用走廊的管道-线路工程设计、施工与改造提供参考。
1 仿真模型及参数雷电直击输电线路时, 雷击点一般位于距离输电线路杆塔50 m的范围内。文献[6]研究了雷击超高压交流输电线路对管道的电磁影响, 结果表明, 距离杆塔50 m范围内, 雷击点对杆塔入地电流和避雷线分流基本无影响, 且当管道十分接近输电线路某一基杆塔时, 分析管道上的电磁干扰可不考虑该线路其他杆塔的入地电流影响。因此文中设定油气管道和输电线路的间距为50 m。
利用电磁分析软件CDEGS建立模型时忽略其他杆塔地网和地面以上部分, 仅考虑1基杆塔的接地网和临近管道。雷电流采用标准雷电流波形, 即波头时间为2.6 μs, 半峰值时间为50 μs。采用#字型接地网结构, 如图 1所示, 将其命名为#A型。LgA1为方框地网的边长; LgA2为外沿线长度; Dg为临近管道侧接地体末端与管道之间的水平距离, 管道由相对地网对称的中心位置分别向两侧延伸2 km后远离线路。具体参数为:接地体埋深0.8 m, LgA1=LgA2=18 m, 材料为直径10 mm的镀锌圆钢, 相对电阻率为109.7, 相对磁导率为636;油气管道埋深为2 m, 外直径为1 016 mm, 壁厚为20 mm; 外侧防腐层厚度为3 mm, 管道材料为低碳钢, 相对电阻率为100, 相对磁导率为300, 防腐层为3层聚乙烯结构(3PE), 电阻率为105 Ω ·m, 相对介电常数为3。
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图 1 #字型接地网与临近管道模型 Fig. 1 # shaped grounding grid and closer pipeline module |
雷电流经杆塔入地会产生强烈的阻性耦合, 由于地电场衰减速度很快, 所以通常阻性耦合的作用范围较小。因此, “管-线”间距Dg成为影响管道防腐层感应过电压Uci的重要因素。为了分析Dg对Uci的影响, 取管道周围土壤电阻率ρ为200 Ω ·m, Dg为5~80 m。不同Dg下, Uci沿线分布如图 2所示。文中所述Uci为管道防腐层感应过电压的最大值。
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图 2 Uci随不同Dg的沿线分布 Fig. 2 Distribution of different Dg on Uci |
由图 2可知, Uci沿线呈对称分布, 管道中心点处的Uci最高, 由管道中心向管道两侧Uci逐渐降低。Dg对距杆塔接地网较近管道段的Uci影响非常大, Uci随着Dg的增大而显著减小。Dg由5 m增加至80 m时, Uci由107 kV降低至34 kV, 降幅约68.22%。若采用3PE防腐层, 其50%放电电压为93 kV。若Dg过小, 则Uci极可能导致防腐层损伤。增大Dg可以显著降低Uci, 是油气管道过电压防护的有效措施。另外, 较高的感应电压集中在管道中心及周围区域, 分析管道不同位置(距管道中心距离)的Uci随Dg的变化规律, 如图 3所示。
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图 3 管道不同位置Uci随Dg的变化 Fig. 3 Influence of Dg on Uci at different positions of pipeline |
由图 3可知, 距离管道中心越远, 管道段的Uci越小, 且受Dg影响也越小。从管道中心向外延伸过程中, Uci降速很快, 在距离中心0~300 m过程中, Uci从107 kV降低至约17 kV, 说明雷击对距雷击点最近的管道段威胁最大, 对远处管道威胁较小。
3 地质条件对Uci的影响地质条件是影响雷电流在大地中散流的重要因素之一, 管道工程受雷电流冲击的强烈程度因周围地质环境而异。分析不同地质条件下的Uci, 选取单层土壤模型进行仿真; ρ为50~1 500 Ω·m; Dg分别为5 m, 20 m, 35 m。不同地质条件下Uci计算结果如图 4所示。
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图 4 单层土壤中Uci与ρ的变化关系 Fig. 4 Influence of single layer soilstructure ρ on Uci |
由图 4可知, Uci随着ρ的增大近似线性增长。这是由于ρ越高, 其对雷电流向远方散流的阻碍作用越强, 管道防腐层外的电流密度越大, 导致Uci升高。在ρ为1 500 Ω ·m的极端土壤条件下, 不同Dg的Uci高达631 kV, 461 kV, 364 kV, 明显超过了3PE防腐层的50%放电电压93 kV。说明在较高ρ和较小Dg的情况下, 管道防腐层易受雷电影响而损伤防腐层。
为了分析双层土壤结构对Uci的影响, 选取如表 1所示的6种双层土壤结构S1—S6。采用表 1土壤结构参数, 取Dg为20 m进行仿真。不同双层土壤结构下, Uci的沿线分布如图 5所示。
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表 1 土壤结构参数 Table 1 Soil structure parameters |
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图 5 Uci沿线分布与双层土壤类型的关系 Fig. 5 Influence of two layer soil on Uci |
由图 5可以看出, S1—S3结构中的Uci均高于S4—S6结构中的Uci, 且随着低电阻率土壤区域的扩大, 结构中的Uci显著降低。这是由于上、下层ρ差距非常大, S4—S6无穷大面积的优质土壤更有利于雷电流在大地中扩散, 有效降低了雷电流对临近管道的电磁干扰。实际工程中, 当土壤的地表电阻率较高、深层电阻率较低时, 可以通过钻井构造垂直接地的方式, 有效改善雷电流散流过程, 从而降低Uci。
4 接地网形状对Uci的影响接地网是雷击线路散流的重要装置, 影响杆塔的散流过程。改变接地体的结构会影响雷电流的泄散方向, 若雷电流向远离油气管道方向泄散, 则会降低Uci。为了研究杆塔接地网形状对Uci的影响, 对#A型接地网进行改造:把垂直朝向管道一侧的2根接地体分别移至背侧2根接地体末端, 命名为#B型; 在#B型基础上再将平行于管道并且距离较近的2根接地体移至较远的接地体末端并连接, 命名为#C型, 如图 6所示。
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图 6 2种形状接地网 Fig. 6 Two types of grounding grids |
为了分析不同Dg下, 3种杆塔接地网模型对输电线路临近Uci的影响, 取LgA1, LgA2, LgB1, LgB2, LgC1, LgC2相等且均为18 m, ρ为200 Ω·m, Dg为5~80 m进行仿真计算。Uci的降压效率为η, 计算结果如图 7和表 2所示。
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图 7 3种接地网在不同Dg下的Uci Fig. 7 Uci at different Dg under three types of grounding grids |
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表 2 不同Dg下#B型和#C型接地网的η Table 2 η of grounding grids #B and #C under different Dg |
由图 7和表 2可知, Dg较小时3种杆塔接地网形状对Uci的影响较为明显, 采用改变接地网形状的方式可以在一定程度上降低Uci。但是随着Dg增大, Uci趋近相同。这是由于ρ值较低, 为200 Ω ·m, 雷电流在土壤中的散流良好, 绝大多数的雷电流已通过土壤散流, 杆塔接地网结构对散流的实际影响并不大, 所以对Uci的降低效果不够明显。
为了分析ρ对Uci的影响, 选取间距Dg为20 m, ρ为50~1 500 Ω·m, Uci计算结果如图 8和表 3所示。
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图 8 不同ρ下的Uci Fig. 8 Uci under different ρ |
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表 3 不同ρ下#B型和#C型地网的η Table 3 η of grounding grids #B and #C under different ρ |
由图 8和表 3可知, #B型和#C型接地网对Uci的降低效果非常明显。这是由于高电阻率土壤会极大地阻碍雷电流向远方散流, 该情况下电阻较低的金属接地体为雷电流提供相对容易通过的路径, #B型和#C型接地网将靠近管道的接地体移至较远的位置, 使得雷电流更少朝着管道方向扩散, 从而降低Uci。在实际工程中, 可以通过改变接地网形状降低雷击线路时的Uci。
计算不同ρ的接地网接地电阻, 如表 4所示。RA, RB, RC分别为#A型、#B型和#C型接地网的接地电阻。由表 4可知, 接地电阻值均满足我国电力行业的规程要求。可见, 改变结构后, 接地电阻减小, 接地网防雷性能提升。
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表 4 不同ρ下#B型和#C型接地网的接地电阻 Table 4 Grounding resistance of grounding grids #B and #C under different ρ |
文中采用CDEGS软件搭建雷击输电线路时“管-线”电磁干扰计算模型, 计算分析了雷击线路时Dg、地质条件、接地网形式对临近埋地油气管道的暂态影响, 得到如下结论:
(1) 雷击输电线路时, 距离杆塔最近的管道段受电磁干扰影响最为强烈, 从该位置向管道两侧方向的Uci迅速降低。
(2) 增大Dg可以显著降低管道Uci, 降低线路对管道造成的电磁干扰, 是管道过电压防护的有效措施。
(3) 单层均匀土壤条件下, Uci与ρ近似呈线性关系; 双层土壤条件下, Uci则随着低电阻率土壤区域的扩大而减小。
(4) 将接地网中靠近管道的接地体移至远离管道的一侧可以降低Uci, Dg越小且ρ越高, 则降低效果越明显。
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2. School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China;
3. State Grid Zibo Power Supply Company of Shandong Electric Power Company, Zibo 255030, China