水平鋅帶地床交流緩解效果的影響因素

梁 毅,杜艷霞,唐德志,李 偉

(北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院，北京 100083)

水平鋅帶地床交流緩解效果的影響因素

梁 毅,杜艷霞,唐德志,李 偉

(北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院，北京 100083)

利用數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)對(duì)水平鋅帶地床交流緩解效果的影響因素及其影響規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：水平鋅帶地床的交流緩解效果隨著地床與管道間距的增大而逐漸降低，但存在一個(gè)最大的地床安裝間距；隨著地床埋深的增加，地床覆蓋范圍內(nèi)管道交流干擾電壓升高，地床覆蓋范圍外管道的交流干擾電壓降低，且地床的整體有效影響范圍增加；在一定范圍內(nèi)，地床的緩解效率隨地床長(zhǎng)度的增加而增大，但超過一定長(zhǎng)度后，其緩解效率增加緩慢；地床鋪設(shè)時(shí)應(yīng)盡可能將其中心接近管道最大交流干擾電壓處；隨著地床與管道連接間距的增大，管道的交流干擾電壓逐漸增大，經(jīng)濟(jì)有效的連接間距為500 m，連接位置最好選擇交流干擾最大的地方。

城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿?；交流緩解；影響因素；水平鋅帶地床

近年來，隨著我國(guó)城市建設(shè)的快速發(fā)展，埋地燃?xì)夤艿赖慕ㄔO(shè)里程日益增加[1-4]。以北京燃?xì)鉃槔?012年北京運(yùn)行的天然氣管線已達(dá)到15 000 km以上，并以網(wǎng)狀輻射到北京各城區(qū)和大部分郊區(qū)縣[5]。與此同時(shí)，高壓輸電線路的建設(shè)規(guī)模也在日益加大。在城鎮(zhèn)地區(qū)由于土地緊張、“路徑擇優(yōu)”等原則使得埋地燃?xì)夤艿莱Ｅc高壓輸電線路長(zhǎng)距離并行或多次交叉，形成長(zhǎng)距離的共用走廊帶。國(guó)內(nèi)外大量案例表明[6-9]，與埋地金屬管道并行的高壓輸電線路會(huì)通過電磁感應(yīng)、電阻耦合等方式在埋地管道上感應(yīng)出交流電壓和電流，對(duì)管道造成嚴(yán)重的交流干擾，從而對(duì)管道產(chǎn)生不可忽視的危害，如引起交流腐蝕，導(dǎo)致管道穿孔泄漏，加速防腐蝕層的剝離，影響陰極保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，造成保護(hù)電位不滿足保護(hù)要求，犧牲陽(yáng)極發(fā)生“極性逆轉(zhuǎn)”等問題。同時(shí)，還會(huì)對(duì)工作人員產(chǎn)生電擊危害，嚴(yán)重威脅著工作人員的人身安全[10-11]。因此，在共用走廊帶需要施加相應(yīng)的防護(hù)措施才能保障管道的安全運(yùn)行。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于交流干擾的主要防護(hù)措施是安裝排流地床。其中，最常用的地床形式是與管道同溝鋪設(shè)的水平鋅帶[12]。但目前有關(guān)水平鋅帶地床交流緩解效果的影響因素及影響規(guī)律的研究較少，急需對(duì)其開展相關(guān)研究，為地床的緩解設(shè)計(jì)提供參考。為了解決以上問題，本工作利用交流干擾數(shù)值模擬軟件(CDEGS)，圍繞城鎮(zhèn)高壓輸電走廊帶燃?xì)夤艿浪戒\帶地床的影響因素開展研究，獲得各因素對(duì)水平鋅帶地床的影響規(guī)律與設(shè)計(jì)原則，為城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿澜涣鞲蓴_的緩解提供參考。

1 計(jì)算模型與參數(shù)設(shè)置

埋地管道受交流干擾的幾何模型如圖1所示。由圖1可見，管道全長(zhǎng)30 km，與高壓輸電線并行10 km，管道與高壓輸電線相距10 m，管道兩端均有絕緣法蘭。高壓輸電線路采用三相供電的方式，三相之間的不平衡電流為50 A。

圖1 埋地管道受交流干擾的幾何模型Fig. 1 The geometric model of AC interference to buried pipeline

利用目前國(guó)內(nèi)外最常用的交流干擾數(shù)模計(jì)算軟件(CDEGS)進(jìn)行水平鋅帶地床的緩解設(shè)計(jì)。模型中的管道參數(shù)如表1所示；輸電線高度為20 m，不平衡電流為50 A；土壤電阻率為50 Ω·m。在后續(xù)計(jì)算中，這些參數(shù)保持不變。

表1 計(jì)算模型中的管道參數(shù)的設(shè)置

2 交流緩解效果的影響因素

通過CDEGS數(shù)值模擬軟件，對(duì)水平鋅帶地床(以下稱地床)進(jìn)行建模，分析了地床與管道間距、地床埋深、地床長(zhǎng)度、地床安裝位置、連接位置和連接間距等因素對(duì)地床交流緩解效果的影響規(guī)律。

2.1 地床與管道間距

為了弄清地床與管道間距對(duì)地床緩解效果的影響，在不同間距下進(jìn)行了數(shù)模計(jì)算。分別在高壓輸電線的兩個(gè)拐角處鋪設(shè)700 m鋅帶，地床直徑為0.008 m，相對(duì)電導(dǎo)率為3.42，相對(duì)磁導(dǎo)率為1。地床與管道間距分別為1，3，5，10，30，50，70，100，150，200，300 m，結(jié)果如圖2所示。

(a) 整體圖

(b) 局部放大圖圖2 地床與管道間距對(duì)管道交流干擾電壓的影響Fig. 2 Effect of the distance between ground bed and pipeline on AC voltage of pipeline: (a) overall view; (b) partially enlarged view

從圖2 (a)可以看出，隨著地床與管道間距的增加，管道交流干擾電壓逐漸增大。將圖2(a)中橢圓形內(nèi)區(qū)域放大，結(jié)果如圖2(b)所示。從圖2(b)可以看出，當(dāng)?shù)卮才c管道間距大于70 m時(shí)，部分管段的交流干擾電壓大于15 V，其緩解效果已不能滿足安全要求。因此，在該算例下，緩解地床與管道之間允許安裝距離最大不超過70 m。

2.2 地床埋深

在進(jìn)行地床埋深對(duì)其緩解效果影響的數(shù)模計(jì)算時(shí)，地床鋪設(shè)位置、長(zhǎng)度、直徑、相對(duì)電阻率以及相對(duì)磁導(dǎo)率等參數(shù)和計(jì)算地床與管道間距時(shí)采用的參數(shù)值相同。地床與管道間距設(shè)置為1 m，地床埋深分別為0.1，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，5.0，10.0，20.0，30.0，50.0 m，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出:隨著地床埋深的增加，地床覆蓋范圍內(nèi)管道交流干擾電壓升高，地床覆蓋范圍外管道交流干擾電壓降低，地床的整體有效影響范圍增加；當(dāng)埋深小于2.0 m時(shí)，部分管段的交流干擾電壓大于15 V，不滿足安全電壓。因此，在該算例下，地床的最小埋深為2.0 m。

(a) 整體圖

(b) 局部放大圖圖3 地床埋深對(duì)管道交流干擾電壓的影響 Fig. 3 Effect of the buried depth of ground bed on AC voltage of pipeline: (a) overall view; (b) partically enlarged view

2.3 地床長(zhǎng)度

為了弄清地床長(zhǎng)度對(duì)其緩解效率的影響，選取了不同長(zhǎng)度的地床進(jìn)行了數(shù)模計(jì)算。地床鋪設(shè)位置、直徑、相對(duì)電導(dǎo)率、相對(duì)磁導(dǎo)率以及埋深等參數(shù)和地床與管道間距計(jì)算時(shí)采用的參數(shù)值相同。地床與管道的間距為1 m。從圖4中可以看出:隨著地床長(zhǎng)度的逐漸增加，管道最大交流干擾電壓和接地電阻逐漸降低；當(dāng)?shù)卮查L(zhǎng)度為0～500 m時(shí)，管道最大交流干擾電壓和接地電阻降低幅度較大，地床長(zhǎng)度大于500 m后，降低幅度逐漸趨于平緩，受地床長(zhǎng)度的影響不大。

圖4 地床長(zhǎng)度對(duì)管道最大交流干擾電壓和接地電阻的影響Fig. 4 Effects of length of ground bed on AC peak voltage of pipeline and grounding resistance

按式(1)計(jì)算不同地床長(zhǎng)度下地床的緩解效率，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出:一定范圍內(nèi)，隨著地床長(zhǎng)度的增加，緩解效率增大；當(dāng)超過一定長(zhǎng)度，緩解效率的增加緩慢。

(1)

式中：f為緩解效率；U為無地床時(shí)管道最大交流干擾電壓，V；UL為地床長(zhǎng)度為L(zhǎng)時(shí)管道最大交流干擾電壓，V。

圖5 地床長(zhǎng)度對(duì)緩解效率的影響Fig. 5 Effect of length of ground bed on mitigation efficiency

2.4 地床安裝位置

由于城鎮(zhèn)地理位置的限制，給燃?xì)夤艿腊惭b地床時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)無法在高壓輸電線拐點(diǎn)處鋪設(shè)地床的情況。為弄清地床安裝位置對(duì)其緩解效果的影響，將地床安裝位置設(shè)計(jì)成圖6所示的5種模型,并進(jìn)行了相關(guān)數(shù)模計(jì)算。地床長(zhǎng)度為100 m，埋深為2 m，與管道的間距為1 m，地床與管道的連接位置均處于高壓輸電線拐點(diǎn)處。從圖6可以看出：在模型1中，地床中心與高壓輸電線拐點(diǎn)處的水平距離為0.5 km，且地床中心處于鋅帶與高壓輸電線并行區(qū)域外側(cè)；在模型2中，地床中心與高壓輸電線拐點(diǎn)處的水平距離為0.25 km，地床中心也處于并行區(qū)域外側(cè)；在模型3中，地床中心剛好與高壓輸電線拐點(diǎn)處對(duì)齊；在模型4中，地床中心與高壓輸電線拐點(diǎn)處的水平距離也為0.25 km，但此時(shí)地床中心處于并行區(qū)域內(nèi)側(cè)；在模型5中，地床中心與高壓輸電線拐點(diǎn)處的水平距離為0.5 km，但地床中心處于并行區(qū)域內(nèi)側(cè)。

(a) 模型1 (b) 模型2 (c) 模型3

(d) 模型4 (e) 模型5圖6 不同地床安裝位置的計(jì)算模型Fig. 6 Calculation models with different installation positions of ground beds

試驗(yàn)測(cè)得采用上述5種模型的管道最大交流干擾電壓分別為37，28，22，25，32 V。由此可見，從模型1到模型5，管道的最大交流干擾電壓先減小后增大，采用模型3時(shí)，管道的最大交流干擾電壓最小,此時(shí)地床的交流緩解效果最好。因此，在鋪設(shè)地床時(shí)，最好將地床的中心置于其與高壓輸電線拐點(diǎn)處即交流干擾電壓最大的地方。如果條件不允許，盡量將緩解地床向并行區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，且其中心越接近管道交流干擾電壓最大位置越好。

2.5 地床與管道的連接位置

在城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦毓艿乐?，常常?huì)出現(xiàn)管道與高壓輸電線并行區(qū)域內(nèi)管道無法開挖的情況，這就使得地床無法在并行區(qū)域內(nèi)與管道電連接。為了弄清地床與管道連接位置對(duì)地床緩解效果的影響，選取了圖7所示的5種模型進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算。在這5種模型中，地床長(zhǎng)度為100 m，直徑為0.008 m，地床與管道間距1 m，埋深2 m，地床中心位置處于高壓輸電線拐點(diǎn)處，但地床和管道的連接位置不同，分別設(shè)置在地床與高壓輸電線并行區(qū)域外側(cè)并與高壓輸電線拐點(diǎn)相距0.5，0.25，0 km處，及地床與高壓輸電線并行區(qū)域內(nèi)側(cè)并與高壓輸電線拐點(diǎn)相距0.25，0.5 km處。

從表2中可以看出，采用模型C時(shí)，管道的最大交流干擾電壓最小，此時(shí)地床的排流效果最好。因此,地床與管道最好的連接位置為交流干擾最大的地方。如果條件不允許，盡量將連接點(diǎn)選在并行范圍內(nèi)，且越接近交流干擾最大處越好。

(a) 模型A (b) 模型B (c) 模型C

(d) 模型D (e) 模型E圖7 不同地床和管道連接位置的計(jì)算模型Fig. 7 Calculation models with different connecting locations of ground bed and pipeline

模型序號(hào)ABCDE峰值電壓/V3026222427

2.6 地床與管道的連接間距

為了避免交流緩解地床引入直流雜散電流或由直流作用導(dǎo)致的消耗，通常情況下，常通過直流去耦合裝置將地床與管道相連，地床與管道連接處的連接點(diǎn)越多(即連接間距越小)，需要的交流排流器也越多，交流緩解成本越大；但如果地床與管道的連接點(diǎn)太少，則會(huì)降低地床的緩解效果。不同連接間距(150～1 500 m)的模型,如圖8所示。地床鋪設(shè)位置、長(zhǎng)度、直徑、相對(duì)電阻率、相對(duì)磁導(dǎo)率以及埋深等參數(shù)和地床與管道間距計(jì)算時(shí)采用的參數(shù)值相同。

圖8 不同地床與管道連接間距的計(jì)算模型Fig. 8 Calculation models with different interval distances of connection between ground bed and pipeline

圖9顯示了地床與管道連接間距對(duì)管道的最大交流干擾電壓的影響。從圖9可以看出，隨著連接間距的增大，管道的最大交流干擾電壓逐漸增大。經(jīng)濟(jì)有效的連接間距約為500 m。

圖9 地床與管道連接間距對(duì)管道最大交流干擾電壓的影響Fig. 9 Effect of interval distance of connection between ground bed and pipeline on AC peak voltage of pipeline

3 結(jié)論

(1) 對(duì)于水平鋅帶地床，其交流緩解效果隨著地床與管道間距的增加而逐漸降低，但存在一個(gè)最大的地床安裝間距。

(2) 隨著地床埋深的增加，地床覆蓋范圍內(nèi)管道交流干擾電壓升高，地床覆蓋范圍外管道的交流干擾電壓降低，且地床的整體有效影響范圍增加。

(3) 一定地床長(zhǎng)度范圍內(nèi)，地床緩解效率隨鋅帶長(zhǎng)度的增加而增大，但超過一定長(zhǎng)度后，其緩解效率增加緩慢。

(4) 地床緩解效果最好的鋪設(shè)位置為管道交流干擾電壓最大處，如果條件不允許，應(yīng)盡量將地床向并行區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，且其中心越接近最大交流干擾電壓位置越好。

(5) 隨著地床與管道連接間距的增大，管道最大交流干擾電壓逐漸增大，經(jīng)濟(jì)有效的連接間距為500 m，最好的連接位置為交流干擾最大的地方。

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Influence Factors of AC Mitigation Effectiveness of Zinc Ribbon Ground Bed

LIANG Yi, DU Yanxia, TANG Dezhi, LI Wei

(Institute for Advanced Materials and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

The influence factors and corresponding influence rules of AC mitigation effectiveness for zinc ribbon ground bed were studied by numerical simulation technology. Results show that AC mitigation effectiveness of horizontal zinc ribbon decreased with the increase in the distance between ground bed and pipeline, but there existed a maximum distance. With the increase in the buried depth of ground bed, the AC voltage of pipeline in the coverage of zinc ribbon ground bed increased, while the AC voltage of pipeline out of the coverage of zinc ribbon ground bed decreased, and the effective influence range of zinc ribbon ground bed increased. Within a certain length of zinc ribbon, the mitigation efficiency increased with the increase of zinc ribbon length. But there was no distinct increase for the mitigation efficiency when the zinc ribbon length exceeded a certain value. The center of horizontal zinc ribbon should be laid in the location close to the pipeline with maximum AC voltage. With the increase in interval distance of connection between ground bed and pipeline, the AC voltage of pipeline increased gradually. The economical and efficient connection distance was about 500 m, and the best connecting location was on the pipeline with maximum AC voltage.

urban gas pipeline; AC mitigation; influence factor; zinc ribbon ground bed

10.11973/fsyfh-201706012

2015-11-25

杜艷霞(1980-)，副研究員，博士，從事腐蝕與防護(hù)研究，15801429530，duyanxia@ustb.edu.cn

TE832

A

1005-748X(2017)06-0466-05