姜志鵬,董祥慶,曾 菲,胡元潮,袁 馳,崔洪剛,劉 雯

(1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司鄂州供電公司，湖北 鄂州436000； 2.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255000)

0 引言

由于國土資源日益緊張，構(gòu)建“綜合能源走廊”已成為當下重要的發(fā)展模式，電能與其他能源的關(guān)聯(lián)也更為緊密，油氣金屬管道與輸電線路并行的情況也屢有發(fā)生[1]。當雷擊輸電線路時，桿塔附近土壤中會產(chǎn)生雜散電流，致使電力桿塔臨近的金屬管道感應(yīng)出高幅值電壓，進而危害油氣金屬管道的安全運行[2-3]。因此，需要針對臨近金屬管道的電力桿塔混凝土樁基的散流問題，提出一種金屬管道過電壓防護措施，減少雷擊雜散電流對管道的侵蝕，為金屬管道的可靠運行提供保障[4-5]。

對于金屬管道附近電力線路的相關(guān)研究，國內(nèi)多為輸電線路對管道電磁干擾方面的研究，而在雷擊線路情況下，電力桿塔的垂直散流特性以及雷擊散流對管道影響的相關(guān)研究卻較少。文獻[6]研究了高壓線路對地下輸油管道中雜散電流的影響規(guī)律。文獻[7]分析了特高壓交、直流輸電線路同走廊正常運行時對鄰近埋地油氣管道的交流腐蝕影響以及人身安全的影響。文獻[8]利用數(shù)值模擬技術(shù)結(jié)合現(xiàn)場測試校正，預(yù)測了新建高壓輸電線路對管道的交流干擾程度，并根據(jù)管道周圍環(huán)境特點設(shè)計了深井地床排流緩解措施。文獻[9]針對不同的實際情況提出了不同的管道安全防護措施。綜合目前研究文獻，針對油氣金屬管道附近輸電線路的設(shè)計、施工問題尚未提及，對輸電線路桿塔建造時如何降低對附近金屬管道的雷擊風險缺少系統(tǒng)性的研究。

本研究采用有限元軟件COMSOL Multiphysics對金屬管道臨近電力桿塔的柔性面狀塔基外敷進行仿真計算。首先，基于單樁式塔基外敷，在塔基與管道不同距離d的條件下，分析了雷擊雜散電流對管道過電壓的影響。然后，通過改變塔基外敷方式，研究不同外敷半徑和外敷面積下塔基的散流特性。最后，基于四樁式混凝土基礎(chǔ)，提出兩種塔基外敷建筑結(jié)構(gòu)：逐樁外敷和四樁外敷。并與傳統(tǒng)塔基外設(shè)人工接地體方案進行對比，通過改變土壤電阻率，研究金屬管道附近電力桿塔的散流特性，以及雷擊散流對管道的影響。

1 管道臨近處塔基自然接地計算模型

1.1 鋼管塔接地網(wǎng)模型

電力桿塔基礎(chǔ)是輸電線路的重要組成部分，桿塔基礎(chǔ)中的鋼筋作為自然接地極，當線路發(fā)生故障時，故障電流經(jīng)過桿塔自然接地極進行垂直散流。對于桿塔基礎(chǔ)臨近的金屬管道而言，部分雜散電流會導(dǎo)致管道上的電位發(fā)生變化，從而在管道絕緣層上產(chǎn)生較大的電位差。當絕緣層上的電位差超過其耐受值而發(fā)生擊穿時，可能會導(dǎo)致金屬管道中的油氣泄漏等一系列危險事故的發(fā)生，嚴重威脅著油氣管道的正常運行和人員的生命安全[10-11]。電力線路與金屬管道并行分布實際場景及其模型見圖1。

圖1 電力線路與管道并行Fig.1 Power lines parallel to pipelines

輸電線路鋼管塔接地網(wǎng)一般包括水平與垂直接地體兩種結(jié)構(gòu)方式，其中，前者一般為人工開網(wǎng)接地溝敷設(shè)的接地散流裝置，后者為鋼管塔組建時混凝土樁基內(nèi)部鋼筋骨架金屬材料[12]，見圖2。一般情況下，鋼管塔混凝土樁基內(nèi)的鋼筋導(dǎo)體包覆在混凝土介質(zhì)中，由于混凝土電阻率超過上萬歐姆·米，鋼筋骨架導(dǎo)體的散流密度較低，這使得混凝土樁基內(nèi)鋼筋骨架垂直接地體接地電阻普遍偏高。當鋼管混凝土樁基自身接地電阻不能滿足要求時，需要人工開挖接地溝敷設(shè)水平接地體從而增加接地體的散流路徑，降低鋼管塔的接地電阻值，增加了輸電線路耕地占用面積及施工成本。

圖2 電力線路與管道并行架設(shè)模型Fig.2 Power line and pipeline parallel model

考慮到鋼管塔傳統(tǒng)樁基接地散流密度低的問題，筆者提出在鋼管塔混凝土樁基外層敷設(shè)柔性導(dǎo)電材料的接地散流優(yōu)化方案。新型柔性面狀導(dǎo)電材料由高純度鱗片石墨為基體導(dǎo)電材料，具有導(dǎo)電性能良好(其電阻率達到10-6Ω·m～10-5Ω·m級別)、易彎曲折疊、耐腐蝕、生產(chǎn)成本較低等特點。由其制成的接地材料降阻效果優(yōu)于傳統(tǒng)的鋼接地材料[13]，柔性面狀導(dǎo)電材料的結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 柔性面狀導(dǎo)電材料Fig.3 Flexible planar conductive material

1.2 仿真計算模型與參數(shù)

采用柔性面狀導(dǎo)電材料外敷后，鋼管塔混凝土樁基垂直接地仿真模型見圖4。單個混凝土樁基半徑為0.5 m，埋深為29 m。單樁內(nèi)部有24根直徑φ22 mm的鋼筋組成垂直部分，其頂端沿著半徑為0.39 m的圓環(huán)排列。將該部分等效為內(nèi)半徑0.38 m，外半徑0.395 m的圓筒形垂直接地體，材料選取為鋼。在塔基的外圍間隔0.5 m處敷設(shè)柔性面狀導(dǎo)電材料，其厚度為2 mm。

圖4 樁基垂直接地模型Fig. 4 Vertical grounding model of tower foundation

鋼管塔混凝土樁基與柔性面狀導(dǎo)電材料采用接地引下線連接，樁基內(nèi)部的鋼筋骨架與外敷柔性面狀電極共同構(gòu)成了雷電流散流通道。本研究仿真計算所取的相關(guān)材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

計算模型取金屬管道長度為200 m，對稱分布在桿塔基礎(chǔ)兩側(cè)，管道埋深為1.5 m，管道首尾兩端各設(shè)置長度為1 m的排散雜散電流和陰極保護用的接地引流線，油氣管道及絕緣層材料及尺寸參數(shù)見表2[14]。

表2 金屬管道相關(guān)參數(shù)Table 2 Related parameters of metal pipes

2 不同“管-塔”間距下的管道過電壓計算

為了更好的說明臨近電力桿塔產(chǎn)生的雜散電流對管道過電壓的影響，通過仿真計算對比采用塔基外敷和塔基加設(shè)人工水平接地體兩種施工方法。水平接地體為“一”字型接地體，見圖5，長度為10 m，埋深0.8 m。設(shè)置管道與塔基間的距離d(簡稱：管塔間距d)由20 m變化至120 m。雷電流幅值為10 kA，頻率設(shè)置為10 kHz。

圖5 單樁基人工接地施工方法Fig. 5 Artificial ground construction method for single pile foundation

采用有限元仿真計算軟件，計算桿塔混凝土樁基與外延水平接地體的散流特性，同時計算桿塔接地散流對臨近處油氣管道電位分布的影響規(guī)律。仿真分別取管道與樁基的水平間距d為20 m和60 m，管道所在平面的電流密度分布情況見圖6。

圖6 管道所在平面的電流密度Fig. 6 Current density in the plane of the pipe

由圖6可以看出：塔基周圍的電流密度要高于管道周圍的，且在管道首尾兩端以及管道中部的電流密度要高于管道其他部分的。這是由于管道首尾兩端的接地引流線，能夠“吸引”更多的雜散電流。而管道中部由于靠近塔基更易受到雜散電流的侵蝕。對比圖6(a)和圖6(b)可得：當增大管道與塔基之間距離d時，塔基中鋼筋的垂直散流對管道的影響將逐漸減小。

對上述現(xiàn)象進一步分析，通過仿真計算，管道電壓和絕緣層耐受電壓的峰值見表3和表4。

表3 不同間距d下的管道電壓峰值Table 3 Peak voltage of the pipeline at different distances d

表4 不同間距d下的絕緣層耐受電壓峰值Table 4 Peak voltage of insulating layer at different distances d

根據(jù)表3和表4計算結(jié)果可以得出：當增大管道與塔基間的距離d時，管道電壓和絕緣層耐受電壓峰值均隨之減小。距離管道越遠，數(shù)值減少趨勢逐漸放緩。其原因是當“管-塔”間距逐漸增大時，參與導(dǎo)電的土壤介質(zhì)隨之增多，使流向管道的電流分量越來越少。此外，由于鋼筋在垂直方向上的散流更為明顯，對于管道所在平面而言，距離的增加使得垂直散流對其的影響逐漸減弱。因此，在二者距離逐漸增大的情況下，管道電壓和絕緣層耐受電壓的峰值會隨之減小且減少趨勢逐漸放緩。對比兩種施工方式，塔基外敷的管道電壓和絕緣層耐受電壓峰均小于塔基敷設(shè)水平接地體的，尤其是在塔基距離管道較近時，二者的差距也更為明顯。這說明相比于塔基加設(shè)人工接地體，基于柔性面狀導(dǎo)電材料的塔基外敷，通過其垂直方向上的散流更為有效的降低管道過電壓，降低管道絕緣層耐受電壓值。此外，表4中管道表層絕緣層兩側(cè)耐受電壓相比于管道電壓幅值較低，遠小于管道涂層材料109 kV的極限擊穿電壓[15]，在此雷電流幅值及接地散流方式下，金屬油氣管道的絕緣層發(fā)生擊穿的概率相對較低。

對不同距離下兩種施工方法的接地電阻進行仿真計算，其結(jié)果見表5。由表5可以看出塔基有外敷的接地電阻明顯小于加設(shè)人工水平接地體的接地電阻值。在土壤電阻率為300 Ω·m的條件下，鋼管塔樁基外敷的接地電阻約為5.9 Ω，而塔基加設(shè)人工接地體的接地電阻卻已經(jīng)達到了15.1 Ω左右。由此說明，塔基外敷下的接地效果要優(yōu)于人工接地方式。桿塔塔基中鋼筋的垂直散流影響臨近金屬管道，從而產(chǎn)生管道過電壓現(xiàn)象。使用塔基外敷的方法能有效的降低接地電阻和管道過電壓，對管道起到一定的防護。

表5 不同間距d下的接地電阻Table 5 Grounding resistance at different spacing d

3 外敷半徑對塔基散流的影響

仿真計算時進一步改變塔基外敷的半徑與面積，計算分析管道臨近桿塔的垂直散流特性。模型條件基本不變，金屬管道與塔基之間的距離d為20 m，外敷半徑r為1 m。雷電流幅值為10 kA，頻率為10 kHz，土壤電阻率設(shè)置為300 Ω·m。分別將外敷半徑r設(shè)置為0.8 m、1 m和1.2 m。計算出管道表面臨近塔基側(cè)觀測線上電流密度，結(jié)果見圖7。管道中心點對應(yīng)于觀測線水平坐標零點，管道兩端對應(yīng)于觀測線水平坐標軸上的±100 m位置，仿真計算結(jié)果見圖7。

圖7 管道觀測線上電流密度Fig. 7 Current density on pipeline observation line

由圖7可以看出：外敷半徑的改變對于管道上的電流密度的影響甚微。這是由于塔基外敷通過垂直散流減小了散流在水平方向?qū)艿赖挠绊?，外敷半徑改變而帶來的影響更多的是體現(xiàn)在垂直方向上的散流。管道中心點和管道兩端的電流密度較大，其中管道中心點的電流密度最大。除靠近管道首尾兩端外，與管道中心點處的距離越小，電流密度越大。

通過仿真計算，3種外敷半徑下的管道電壓峰值、絕緣層耐受電壓峰值和接地電阻見表6。

表6 不同外敷半徑r下的觀測數(shù)據(jù)Table 6 Observation data under different external application radius r

根據(jù)表6可得：隨著外敷半徑的增加，管道電壓和涂層耐受電壓峰值以及接地電阻值均呈現(xiàn)出減小的趨勢，但管道電壓和涂層耐受電壓峰值的變化幅度卻不大。這說明當改變樁基外敷材料的半徑時，樁基外敷散流對水平方向上的散流分量影響較小，臨近金屬管道及絕緣層耐受電壓值基本保持不變。此外，當外敷接地材料半徑逐漸增加時，鋼管塔的接地電阻值不斷減小，這是由于增大柔性面狀導(dǎo)電材料的外敷半徑，相當于增加接地極的尺寸，有利于電流向土壤中散流，但接地電阻的整體降低幅度有限，這提示在實際施工中為了便于混凝土樁基外敷柔性面狀材料的施工，可以直接將柔性面狀材料緊貼在混凝土樁基的外側(cè)，柔性面狀材料的外敷半徑對鋼管塔接地電阻的影響較小。

4 外敷面積對塔基散流的影響

采用柔性面狀導(dǎo)電材料能夠提高桿塔樁基在垂直方向上與土壤的接觸面積，增大雷擊電流的散流路徑。為了分析柔性面狀導(dǎo)電材料覆蓋面積對接地散流的影響規(guī)律，針對圖8所示的3種不同塔基外敷方式，改變?nèi)嵝悦鏍顚?dǎo)電材料的外敷面積，將其依次設(shè)置為1/3外敷、半外敷和全外敷。

圖8 樁基不同外敷面積Fig. 8 Different external coverage area of foundation

通過輔助計算分析，得到金屬油氣管道所在水平切面上的土壤電流密度分布特征。對比混凝土樁基1/3外敷和全外敷條件下的電流密度分布見圖9。

圖9 兩種不同外敷面積下的電流密度分布Fig. 9 Current density distribution under two different applied areas

根據(jù)圖9計算結(jié)果可得：采用全外敷塔基周圍的電流密度輻射范圍小于1/3外敷的。相比于1/3外敷，采用全外敷方案下的雜散電流對管道的影響最小。這是由于全外敷的垂直散流特性優(yōu)于1/3外敷等其他外敷面積下的。采用全外敷，能更為有效的在垂直方向上散流，從而降低雜散電流對臨近金屬管道的侵蝕。計算3種不同的塔基外敷的接地電阻可知：1/3外敷、1/2外敷和全外敷的接地電阻依次為10.078 Ω、8.547 Ω、5.872 Ω。臨近管道處，塔基全外敷的降阻效果最優(yōu)。由此可見，臨近金屬管道，電力桿塔塔基全外敷施工方法能有效降阻，并且減少散流對管道帶來的不利影響。

根據(jù)以上分析可知：增大外敷半徑，更利于塔基外敷的垂直散流，從而減小管道過電壓，并且使接地電阻不斷減少，起到降阻的作用；外敷面積的增大，會減小接地電阻，且全外敷下對管道散流的影響最小。在實際施工時，工作人員可根據(jù)場地等施工因素進行調(diào)整，選出最符合實際情況的塔基外敷方案。

通過對比不同接地方式下管道過電壓及桿塔接地電阻可知：無論是油氣管道雷擊過電壓防護需要，還是電力系統(tǒng)防雷工程對于接地電阻的最高限值要求，電力桿塔采用塔基外敷接地方式可以起到接地降阻和降低臨近油氣管道過電壓幅值的效果?，F(xiàn)行電力桿塔多采用人工外延外延接地方式，增加了接地施工難度和施工成本。當桿塔臨近油氣管道時，外延人工接地體使得臨近處管道過電壓的幅值增大，管道涂層擊穿的風險相對較高。因此，在桿塔臨近處的電力桿塔設(shè)計與施工時，采用本研究所述的樁基外敷接地方式能起到油氣管道過電壓防護和電力線路接地降阻雙重效果，且該種施工方式可在樁基回填之前進行外敷施工，不會造成額外的施工成本，技術(shù)經(jīng)濟性優(yōu)于傳統(tǒng)接地施工方式。

5 結(jié)論

針對電力線路臨近處油氣管道的雷電過電壓防護問題，通過COMSOL Multiphysics軟件，對金屬管道附近電力桿塔垂直散流特性進行計算與分析，可得到以下結(jié)論：

1)管道至塔基的間距能影響管道電壓幅值，他們與管道電壓基本呈現(xiàn)線性關(guān)系。增加管塔間距，管道過電壓和絕緣層耐受電壓的峰值卻隨之減小。而管塔間距卻對接地電阻影響甚微。

2)改變外敷半徑，塔基的垂直散流對管道電壓幅值的影響較小，增大外敷半徑，能減小管道過電壓，降低接地電阻。

3)不同外敷面積下的垂直散流影響著管道電壓幅值，全外敷下雜散電流對管道的影響最小，接地電阻最低。

本研究仿真計算結(jié)果及相關(guān)結(jié)論可為輸電線路桿塔接地改造及油氣管道安全防護提供參考。