孫建平，胡元潮，李勛，黃濤，安韻竹，向真

(1.山東理工大學電氣與電子工程學院，山東 淄博255000；2.深圳供電局有限公司，廣東 深圳518000；3. 國網(wǎng)江蘇省電力工程咨詢有限公司，南京210000)

0 引言

近年來隨著城市建設(shè)，土地資源日益緊缺，建設(shè)城市地下管道綜合走廊成為熱門的重要舉措[1 - 2]。綜合走廊的建設(shè)，使得局部地段輸電線路與天然氣管道相鄰(并行或交叉)，當輸電線路遭受到雷擊時，將在接地網(wǎng)上注入強電流，會在天然氣管道上產(chǎn)生巨大的感應(yīng)電勢，會對天然氣管道產(chǎn)生不同程度上的損耗，嚴重時會對管道本體產(chǎn)生損壞。2017年，南方電網(wǎng)公司深圳供電局有限公司對部分臨近500 kV輸電線路的天然氣管道進行現(xiàn)場開挖，發(fā)現(xiàn)其中2段管道的絕緣層出現(xiàn)孔洞損壞，最終由燃氣行業(yè)對其進行修復。近年來，綜合能源走廊條件下天然氣管道的防損、防漏和防爆問題引起油氣行業(yè)、電力行業(yè)以及社會公眾的廣泛關(guān)注[3]。研究輸電線路與天然氣管道相鄰時，輸電線路對天然氣管道的影響進而提出有效的安全防護措施具有現(xiàn)實意義。

文獻[4]中研究了接地系統(tǒng)對附近構(gòu)筑物的傳導干擾，分析了接地系統(tǒng)對鄰近天然氣管道的影響；文獻[5]中研究國家標準得出了天然氣管道與電力及通信線路的最小安全間距；文獻[6 - 7]研究了直流接地極電流對埋地金屬管道腐蝕影響；文獻[8]研究了同走廊正常運行時特高壓交直流輸電線路對鄰近埋地天然氣管道的電磁影響；文獻[6]利用仿真模擬軟件CDEGS仿真得出了雷擊輸電線路時天然氣管道接地位置和與輸電線路與天然氣管道距離對天然氣管道電壓的分布規(guī)律；文獻[9 - 15]構(gòu)建輸電線路和平行敷設(shè)的天然氣管道模型，研究了電壓等級、平行間距、土壤電阻率等因素對天然氣管道的交流腐蝕性影響?，F(xiàn)有的研究對于正常情況下輸電線路對埋地金屬管道的研究較多，但是較少涉及雷擊狀況下的管道過電壓防護。

本文采用仿真軟件COMSOL Multiphysics建立了輸電線路及平行敷設(shè)的天然氣管道模型，研究了輔助接地網(wǎng)的外延長度、面積、敷設(shè)方向、敷設(shè)角度、連線數(shù)量以及土壤電阻率的等綜合因素對接地系統(tǒng)接地電阻和天然氣管道上電壓峰值的影響，進而提出敷設(shè)桿塔輔助地網(wǎng)進行天然氣管道防護方案。研究結(jié)果將為以后的工程實施提供參考。

1 仿真模型與參數(shù)設(shè)定

輸電線路桿塔接地網(wǎng)中以方框外延接地網(wǎng)類型最為常見，在計算桿塔接地網(wǎng)散流特性時，考慮到桿塔接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)對于接地散流有影響，仿真根據(jù)實際輸電線路桿塔接地網(wǎng)模型，本文采用COMSOL Multiphysics仿真軟件針對臨近天然氣管道的桿塔接地網(wǎng)進行1:1建模，典型的根開外側(cè)方框射線型接地網(wǎng)如圖1(a)所示。

仿真時取接地體材料為直徑10 mm的鍍鋅圓鋼，其相對電阻率為109.7，相對磁導率為636，接地網(wǎng)是邊長為15 m的正方形框架，外延射線長度為L1，引下線長度為h，取0.8 m，地管間距為d，m。

圖1(a)仿真模型中，天然氣管道采用直徑600 mm、壁厚8 mm的鋼管。圖1(b)所示的實際管道絕緣層厚度為8 mm。主體管道長度取100 m的帶絕緣層的鋼管，兩端外加1 m的無絕緣層的管道模擬接地極。天然氣管道和接地網(wǎng)埋深均為1.7m。

圖1 桿塔與天然氣管道的仿真模型Fig.1 Simulation model of the tower and gas pipeline

雷擊電流的仿真采用函數(shù)輸入，選擇幅值為100 kA的2.6/50 μs的標準雷電流波形，表達式為雙指數(shù)函數(shù)形式[16]，如式(1)所示。

I(t)=111 570×(e(-15 900t)-e(-712 000t))

(1)

式中：I為雷電流等效值，A；t為時間，μs。

2 方框外延接地網(wǎng)對管道電壓的影響

針對常見根開外圍方框射線型接地網(wǎng)進行計算，仿真取土壤電阻率ρ=200 Ω·m，接地網(wǎng)外延射線長度L1為15 m，地管間距d取30 m。分別計算得到導體及其土壤電位分布、管道過電壓幅值如圖2—3所示。

由圖2中導體及其周圍土壤電壓分布計算結(jié)果可以得出：雷擊輸電線路時，雷擊電流沿桿塔向下散流，會給接地網(wǎng)注入高幅值電流，外延接地體可以有效地將電流散向附近土壤，外延接地體末端的散流能力尤其突出，導致雷擊電流被引向天然氣管道的方向，從而增加了管道過電壓，可能對天然氣管道產(chǎn)生嚴重危害。天然氣管道上將產(chǎn)生47 kV的感應(yīng)電壓，該感應(yīng)電壓峰值出現(xiàn)在接地網(wǎng)外延接地體指向的管道處，并向管道兩端逐漸降低。

圖2 金屬導體和土壤中電壓分布Fig.2 Voltage distribution on metal conductor and soil

圖3 天然氣管道上的電壓Fig.3 Voltage on gas pipelines

從圖3計算結(jié)果可以得出：當輸電線路遭受雷擊時，在天然氣管道上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓峰值超過47 kV，將會對天然氣管道產(chǎn)生嚴重影響，對天然氣線路安全造成嚴重威脅。同時，為研究土壤電阻率對天然氣管道感應(yīng)電勢的影響，使土壤電阻率在50 ～ 2 000 Ω·m之間變化，其他參數(shù)保持不變，再次進行上述模型的仿真，得到接地電阻R和管道上感應(yīng)電勢的峰值Up如表1所示。

由表1對不同土壤電阻率條件下桿塔接地電阻和管道過電壓峰值的仿真結(jié)果可知，隨著土壤電阻率的增加，桿塔接地電阻也隨之增大，管道上感應(yīng)電壓的峰值也隨之增大。這是由于隨著土壤電阻率的增大，土壤的散流效果逐漸變差，因此土壤中的電壓降會逐漸變小，導致接地電阻和管道上的電壓峰值會隨土壤電阻率的增大而增大。

表1 不同土壤電阻率ρ下接地電阻R及管道電壓峰值UpTab.1 Ground resistance R and maximum voltage on oil and gas pipelines Upat different soil resistivity ρ

3 輔助地網(wǎng)敷設(shè)方式對管道電壓的影響

由圖2計算結(jié)論可知，由于桿塔方框射線型接地網(wǎng)朝向管道側(cè)外延射線的“引流”作用，使得管道電壓峰值變大。為此，本文提出基于輔助地網(wǎng)的臨近電力線路的天然氣管道過電壓整改方案，輸電線路桿塔輔助地網(wǎng)的仿真模型如圖4所示。

圖4 輔助地網(wǎng)敷設(shè)方式示意圖Fig.4 Sketch diagram of the laying mode of auxiliary grounding grid

根據(jù)圖4所示的輔助地網(wǎng)敷設(shè)方式，天然氣管道與接地網(wǎng)之間的間距d取30 m，外延長度為L1，邊長為L0的正方形輔助接地網(wǎng)，接地網(wǎng)與輔助接地網(wǎng)的連接數(shù)目為n，其他參數(shù)保持不變，構(gòu)建仿真模型并分析外延長度L1、輔助接地網(wǎng)面積L0×L0、以及輔助接地網(wǎng)敷設(shè)方向、連線數(shù)量n的影響規(guī)律。其中，輔助地網(wǎng)敷設(shè)方向由圖5(b)中的夾角α(外延射線與原方框接地網(wǎng)的夾角)決定。

3.1 輔助地網(wǎng)外延長度的影響

為了研究輔助接地網(wǎng)外延長度對接地電阻和管道電壓峰值的影響，分別取外延長度L1為15、30、45、60、75、90 m，輔助地網(wǎng)邊長L0取15 m，連接數(shù)目n取1，土壤電阻率取300 Ω·m，其他參數(shù)同上，構(gòu)建如圖4(a)所示的輔助接地網(wǎng)仿真模型，金屬導體及其周圍土壤中電壓分布情況如圖5所示。

圖5 金屬導體和土壤中電壓分布(外延射線30 m) Fig.5 Voltage distribution on metal conductor and soil at 30 m of extended ray

根據(jù)圖5金屬導體及其周圍土壤中電壓分布情況仿真計算結(jié)果，原桿塔接地網(wǎng)會通過外延射線向輔助地網(wǎng)進行散流，電壓值以整個接地網(wǎng)為中心，向四周逐漸降低。進一步計算不同輔助地網(wǎng)外延長度下的接地電阻和管道電壓峰值如圖6所示。

根據(jù)圖6所示的輔助地網(wǎng)不同外延長度下桿塔接地電阻和管道電壓峰值結(jié)果可知：隨著輔助地網(wǎng)外延長度的加長，接地電阻和管道上電壓峰值同時呈下降趨勢，外延長度從15 m增加到90 m，管道電壓峰值下降23%，這是由于原桿塔接地網(wǎng)通過向輔助地網(wǎng)向其周圍散流，減小了管道方向的散流，因此管道上的電壓峰值降低。同時，隨著輔助地網(wǎng)外延長度的增加，背離管道側(cè)的散流面積增加，因此，輔助地網(wǎng)外延長度越長，管道上的電壓峰值越低。因此在實際的工程施工中，根據(jù)實際條件需求，盡可能將輔助地網(wǎng)遠離管道敷設(shè)，對于天然氣管道的防護效果會更優(yōu)。

圖6 不同外延長度下的接地電阻和管道電壓峰值Fig.6 Grounding resistance and maximum voltage on pipe at different external extensions

3.2 輔助地網(wǎng)面積的影響

為了進一步研究輔助地網(wǎng)的最優(yōu)敷設(shè)方式，保持外延長度L1為15 m，分別取輔助地網(wǎng)邊長L0為5、8、10、12、15 m，計算桿塔接地電阻和天然氣管道電壓峰值如圖7所示。

圖7 不同輔助地網(wǎng)面積下的接地電阻和管道電壓峰值Fig.7 Grounding resistance and maximum voltage on pipe at different auxiliary ground grid areas

通過圖7所示不同輔助地網(wǎng)面積下桿塔接地電阻和管道電壓峰值計算結(jié)果可以得出：增大輔助地網(wǎng)的面積會減小接地電阻和管道過電壓的峰值，輔助地網(wǎng)邊長從5 m增加到15 m，管道電壓峰值降低15%。這是因為隨著輔助地網(wǎng)面積的增大，更多的雷擊電流可以通過輔助地網(wǎng)背向管道方向散流，因此天然氣管道電壓峰值會隨著輔助地網(wǎng)面積的增大而減小。因此在實際的工程施工中，應(yīng)考慮實際情況，盡可能增大輔助接地網(wǎng)面積，對于天然氣管道的防護效果會更優(yōu)。

3.3 輔助地網(wǎng)敷設(shè)方向的影響

為了研究輔助地網(wǎng)敷設(shè)方向的影響，構(gòu)建如圖5(b)所示模型，取角度α為90 °、135 °、180 °，保持其他參數(shù)不變，改變輔助地網(wǎng)敷設(shè)方向，土壤電阻率ρ在500～2 000 Ω·m變化時，計算接地電阻R和管道上電壓的峰值Up如表2所示。

表2 不同敷設(shè)方向下的接地電阻R和管道電壓峰值UpTab.2 Grounding resistance R and maximum voltage on pipe on pipes Up in different radiation directions

表3 不同連線數(shù)量下的接地電阻R和管道電壓峰值UpTab.3 Grounding resistance R and maximum voltage on pipe Up at different numbers of wires

由表2輔助地網(wǎng)不同敷設(shè)方向的桿塔接地電阻和管道電壓峰值計算結(jié)果可知：無論是接地電阻還是管道電壓峰值，都以α為135 °時最小，且接地電阻和管道電壓峰值同時隨著土壤電阻率的增大而增大。因此在實際的輔助地網(wǎng)敷設(shè)時應(yīng)選擇α為135 °的敷設(shè)方式，這是因為導體間的屏蔽效應(yīng)與兩導體之間的距離有關(guān)，而對于有公共端點的，導體之間的角度決定了屏蔽效應(yīng)的強弱，α為135 °敷設(shè)的輔助地網(wǎng)與原方框接地網(wǎng)兩邊的夾角最大，受導體屏蔽效應(yīng)的影響最小，因此α為135 °敷設(shè)的接地網(wǎng)散流效果更好，接地電阻和管道電壓峰值也較低。

為比較第3.1節(jié)中輔助接地網(wǎng)敷設(shè)方式與第3.3節(jié)中135 °敷設(shè)方式的散流效果，統(tǒng)一取土壤電阻率為300 Ω·m，外延長度為15 m，輔助接地網(wǎng)邊長為15 m，進行仿真計算。根據(jù)仿真運行結(jié)果，無論是土壤電阻率還是天然氣管道電壓最大值，都是135 °敷設(shè)最佳(第3.1節(jié)中，背向管道散流輔助接地網(wǎng)接地電阻為5.246 Ω，天然氣管道電壓最大值為51.512 kV；135 °敷設(shè)輔助接地網(wǎng)接地電阻為5.159 Ω，天然氣管道最大值為51.231 kV)。因此在實際的工程施工中，應(yīng)選擇135 °的敷設(shè)方式來敷設(shè)輔助接地網(wǎng)。

3.4 輔助地網(wǎng)連接線數(shù)量的影響

為研究輔助地網(wǎng)連接線數(shù)量n的影響，保持其他參數(shù)不變的情況下，分別取連線數(shù)量n為1、2、3，并在不同土壤電阻率條件下進行仿真計算，桿塔接地電阻R和管道電壓峰值Up的仿真計算結(jié)果如表3所示。

由表3輔助地網(wǎng)不同連線數(shù)量下對接地電阻和管道電壓峰值計算結(jié)果可知：當連線數(shù)量一定時，隨著土壤電阻率升高，桿塔接地電阻和天然氣管道電壓峰值呈上升趨勢，這是由于土壤電阻率增大，導致接地體向土壤的散流受阻。當土壤電阻率不變時，隨著輔助地網(wǎng)連線數(shù)量的增加，桿塔接地電阻和天然氣管道電壓峰值呈下降趨勢，這是由于連線數(shù)量的增加，流向輔助地網(wǎng)上的電流增大，輔助地網(wǎng)上的散流隨之增大，背離天然氣管道方向上的散流增加。

從上述仿真計算結(jié)果可知：敷設(shè)輔助接地網(wǎng)會降低天然氣管道上的電壓峰值。同時，比對不同輔助地網(wǎng)外延連接線數(shù)量條件下的計算結(jié)果，增加輔助地網(wǎng)連接線數(shù)量有助于降低桿塔接地電阻和管道過電壓峰值，但降低幅度并不明顯?？紤]到輔助地網(wǎng)連接線數(shù)量的增多使得連接線之間的屏蔽效應(yīng)增加，且材料與施工成本隨之提高，實際工程中宜根據(jù)實際輔助地網(wǎng)的面積選擇較少的連接線數(shù)量，使得外延輔助地網(wǎng)達到技術(shù)經(jīng)濟性的最優(yōu)。

4 工程現(xiàn)場應(yīng)用

采用本文所述桿塔接地散流方法，針對臨近天然氣管道的某500 kV輸電線路桿塔進行接地散流改造。將原有桿塔朝向燃氣管道的鍍鋅鋼接地體切斷，在相反方向敷設(shè)非金屬石墨復合接地材料，同時，在石墨復合接地體的末端增加“單向”輔助接地網(wǎng)，實際接地改造工程如圖8所示。

圖8 油氣管道鄰近處桿塔非金屬接地網(wǎng)接地改造Fig.8 Modification of non-metallic grounding grid of tower near oil and gas pipeline

采用非金屬石墨復合接地體進行輔助接地網(wǎng)施工，同時，在桿塔樁基外圍敷設(shè)方框接地網(wǎng)，通過外延石墨復合接地體連接“單向”輔助接地網(wǎng)，改造前后的接地測量結(jié)果如表4所示。

表4 施工改造前后接地電阻值 Tab.4 Grounding resistance values before and after construction

由表4測量結(jié)果可知：采用外延輔助接地網(wǎng)進行接地改造后可以保證電力行業(yè)進行桿塔接地改造，同時，通過石墨復合接地體的長距離散流，實現(xiàn)了桿塔接地網(wǎng)在單一方向側(cè)的接地降阻施工，避免了潛在雷擊或者短路故障電流朝向管道側(cè)的引流，降低了管道過電壓風險。該施工方案的工程量小，成本較低，可為實際輸電線路及油氣管道設(shè)計與過電壓防護提供參考。

5 結(jié)論

本文通過COMSOL Multiphysics對鄰近天然氣管道的輸電線路進行建模仿真，得出以下結(jié)論。

1) 土壤電阻率會對接地網(wǎng)散流產(chǎn)生影響。隨著土壤電阻率的增高，天然氣管道電壓峰值逐漸增大。

2) 對比常見的根開外圍方框射線型接地網(wǎng)，采用輔助接地網(wǎng)的優(yōu)化散流方式，能夠有效地降低接地電阻和天然氣管道電壓峰值。

3) 增加輔助接地網(wǎng)的外延長度、面積連線數(shù)量和改變輔助接地網(wǎng)的敷設(shè)方向，可以有效地優(yōu)化天然氣管道電壓峰值防護效果。研究認為，在實際工程施工中，應(yīng)選擇135 °的敷設(shè)方式，同時增加外延射線的長度、面積，按照實際需求選擇增加輔助接地網(wǎng)的連線數(shù)量，以達到最優(yōu)的防護效果。

本文研究結(jié)論可為減少電力輸電線路臨近處天然氣管道的安全防護提供參照，同時可為現(xiàn)行綜合能源管廊的設(shè)計與施工提供參考。