雷擊輸電線路對地上油氣管道干擾影響

陳登義，謝林峰

（1.廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧530001；2.廣西電網(wǎng)公司賀州供電局，廣西 賀州542899）

雷擊輸電線路對地上油氣管道干擾影響

陳登義1，謝林峰2

（1.廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧530001；2.廣西電網(wǎng)公司賀州供電局，廣西 賀州542899）

輸電線路與油氣管道的建設(shè)經(jīng)常出現(xiàn)并行，必須分析雷擊輸電線路對地上油氣管道的電磁干擾。分析了雷擊輸電線路對管道電磁耦合作用?？紤]線路與管道間感性耦合、容性耦合和阻性耦合作用，在ATP-EMTP中建立線路、桿塔和管道模型。分析線路與管道間距、管道參數(shù)、防腐層電阻率對管道防腐層過電壓影響。仿真結(jié)果表明：距離雷擊點(diǎn)越遠(yuǎn)的管道，耦合產(chǎn)生過電壓越??；管道防腐層過電壓隨線路與管道間距的增加而衰減；管道外徑和壁厚對過電壓影響較??；防腐層電阻率對過電壓影響較大。需要確定安全距離保護(hù)管道防腐層和管道本體。

雷擊；輸電線路；油氣管道；防腐層；感應(yīng)電壓

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對能源的需求日益增大。相比較于其他能源運(yùn)輸方式，管道運(yùn)輸方式因其快捷性、便利性和安全性得到廣泛采用[1-2]。為了節(jié)約土地資源，高壓輸電線路和油氣管道往往在同一傳輸走廊中建設(shè)，并行或交叉跨越情況屢有發(fā)生，對油氣管道的電磁影響較為嚴(yán)重[3-4]。

以往有關(guān)輸電線路對管道影響的研究主要集中于交流輸電線路對油氣管道的穩(wěn)態(tài)干擾[3-5]和輸電線路發(fā)生故障情況下對油氣管道的電磁干擾[6-7]，包括對人身安全的影響、對管道安全的影響和對管道的交流腐蝕影響。但是對于雷擊輸電線路對油氣管道的電磁暫態(tài)干擾相關(guān)研究較少[8]。

筆者分析雷擊輸電線路對臨近管道的電磁干擾影響，在ATP-EMTP中建立輸電線路模型和油氣管道模型，同時(shí)考慮管道防腐層影響。分析輸電線路與管道間距、管道參數(shù)和防腐層電阻率對管道防腐層過電壓的影響。

1 雷擊輸電線路對管道的干擾分析

雷擊輸電線路時(shí)對油氣管道的電磁影響主要包括3個(gè)方面：容性耦合、感性耦合和阻性耦合[9-10]。輸電線路遭受雷擊時(shí)，并行的線路和管道間存在電位差，線路導(dǎo)體電場的變化會影響管道電位，這種影響稱為容性耦合。遭受雷擊的線路中流過變化的雷電流，會在周圍空間產(chǎn)生變化的電磁場，變化的電磁場會引起管道回路磁通量變化，將在管道上產(chǎn)生縱向電動勢，并進(jìn)一步在防腐層兩側(cè)產(chǎn)生電位差，這種影響稱為感性耦合。雷擊線路后，雷電流通過桿塔接地裝置泄散入地，因阻性耦合引起桿塔及管道電位抬升。同時(shí)由于管道附近區(qū)域和管道金屬部分電位變化，管道防腐層兩側(cè)會產(chǎn)生電位差。當(dāng)電位差超過防腐層的沖擊耐受電壓時(shí)，將擊穿管道防腐層，加速管道的腐蝕，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生漏氣爆炸。

2 仿真模型

2.1 雷電流模型

雷電流波形采用Heidler函數(shù)[11]表示，表達(dá)式為

式中：I0為峰值電流，kA；τ1和τ2分別為波頭時(shí)間常數(shù)和波尾時(shí)間常數(shù)，μs；n為電流陡度因子，一般情況下取n=2或10。雷電流通道的波阻抗和雷電流幅值緊密相關(guān)，根據(jù)GB50064—2014給出的波阻抗隨雷電流幅值變化規(guī)律圖[12]確定。

2.2 線路及桿塔模型

為減小輸電線路參數(shù)受雷電流中高頻成分的影響，選用Jmarti線路模型來反映頻率與線路參數(shù)的關(guān)系以及分布的損耗特性。在EMTP中建立9基桿塔的線路模型，線路全線架設(shè)雙回避雷線，線路檔距為500 m，線路全長4 km。導(dǎo)線型號為LGJ-630/55，避雷線型號為LHAGJ-150/25。

考慮到雷電波在傳播過程中的衰減與畸變，選用有損多波阻抗模型作為桿塔模型，并在EMTP中建立的多層桿塔模型[13-14]。桿塔的有損多波阻抗模型見圖1。 圖1 中，Zt1、Zt2、Zt3、Zt4為桿塔從上至下各段的波阻抗，根據(jù)試驗(yàn)直接測量的數(shù)據(jù)[15]：Zt1=Zt2=Zt3=ZT1=220 Ω，Zt4=ZT2=150 Ω；h1、h2、h3和 h4為 桿 塔從上至下各段的長度；模型中用R-L并聯(lián)電路來模擬波在傳播過程中的衰減和畸變，桿塔各段電阻Ri和電感 Li的值可以由式（2）—（5）求出：

式中：vt為雷電波在桿塔中的傳播速度，取光速；上下部衰減系數(shù) γ1=γ2=0.8。

圖1 桿塔有損多波阻抗模型Fig.1 The lossy multi wave impedance model of transmission tower

2.3 管道及絕緣層模型

油氣管道一般都采用鋼質(zhì)材料，考慮電路模型時(shí)將其看作π型電路[16]。油氣管道截面見圖2。rg1和rg2分別為管道內(nèi)半徑和外半徑，rg3為考慮防腐層后管道半徑。ρg為金屬管道電阻率，μg為金屬管道磁導(dǎo)率。

圖2 管道截面Fig.2 Cross-section of an aboveground pipeline

2.4 線路與管道間的干擾與耦合

輸電線路與管道布局見圖3，R1、h1和 R2、h2分別為線路與管道的高度和半徑，s為二者水平間距。

輸電線路與管道間的電容耦合系數(shù)可以根據(jù)馬氏靜電方程和鏡像法來確定[17]：

圖3 耦合參數(shù)計(jì)算示意圖Fig.3 Calculation of coupling parameters

式中，Cc為單位長度耦合電容。

由于線路和管道自感不影響二者間感性耦合，只考慮線路和管道間的互感作用?；ジ邢禂?shù)計(jì)算需要考慮電場強(qiáng)度水平分量的有限積分，較為復(fù)雜，這里取Georgios等人提出的近似計(jì)算公式[18]：

式中，Lc為單位長度互感。

將桿塔接地極簡化為點(diǎn)接地極，則輸電線路桿塔接地與管道接地的阻性耦合根據(jù)下式確定：

式中：Rc為單位長度電阻；ρ為土壤電阻率，Ω·m。

3 仿真結(jié)果分析

仿真中桿塔參數(shù)如下：h1=2 m、h2=11 m、h3=11 m、h4=33 m，桿塔接地電阻取10 Ω。 管道參數(shù)：ρg=1.5×10-7Ω，μg=280，εg=2.30， 外徑×壁厚/mm 取典型值φ1 420×18.4，管道離地面高度為2 m。管道與輸電線路并行長度4 km，每隔500 m接地一次，接地電阻取10 Ω。土壤電阻率取100 Ω·m。防腐層采用3層 PE，絕緣電阻率 100 kΩ·m，厚度 2.5 mm[1]。

3.1 管道感應(yīng)電壓

注入雷電流波形為2.6/50 μs，幅值為50 kA，管道與線路間距為100 m。雷擊點(diǎn)對應(yīng)0號桿塔。右側(cè)各基桿塔入地電流見圖4。圖5給出管道沿線防腐層感應(yīng)電壓波形。

由圖4可看出，越靠近桿塔雷擊點(diǎn)的桿塔入地電流越高。電流峰值到達(dá)時(shí)間也隨著距離的增加而推遲。圖5表明，臨近雷擊點(diǎn)處的管道防腐層感應(yīng)電壓明顯高于遠(yuǎn)處管道。桿塔入地電流對線路與管道間的阻性耦合影響較大，遠(yuǎn)離雷擊點(diǎn)線路與管道間的阻性耦合減小。同時(shí)雷電流在線路中傳播受到避雷線的分流作用及線路對高頻分量的衰減作用，線路與管道間的容性耦合作用減小。雷擊線路產(chǎn)生的電磁場向遠(yuǎn)處傳播過程中也受到衰減，同樣減少了線路與管道的感性耦合。

圖4 桿塔入地電流Fig.4 Currents emanating to the earth along the towers

圖5 管道防腐層感應(yīng)電壓波形Fig.5 Waveforms of induced overvoltage on the pipeline

3.2 線路與管道間距

注入雷電流波形為2.6/50 μs，分析在不同雷電流幅值和土壤電阻率情況下，線路與管道間距對管道防腐層感應(yīng)電壓的影響，計(jì)算結(jié)果見圖6。

圖6 距離對感應(yīng)電壓影響Fig.6 Influence of separated distance on the induced overvoltage

由圖6可看出，隨著線路與管道間距的增大，感應(yīng)電壓迅速減小，但并不是按照距離比例相應(yīng)減少。感應(yīng)電壓隨土壤電阻率和雷電流幅值的增加而增大。考慮較為極端情況時(shí)，雷電流幅值為100 kA，土壤電阻率為1 kΩ·m時(shí)，線路與管道間距30 m時(shí)，管道感應(yīng)電壓達(dá)89.7 kV。采用3層PE防腐層的管道50%放電電壓[9]為93 kV。如果線路與管道間距進(jìn)一步縮小，感應(yīng)電壓就會對管道安全產(chǎn)生威脅。即輸電線路與管道的安全距離大于30 m時(shí)即可全部防腐層安全，該值存在一定安全裕度。

3.3 管道參數(shù)變化影響

注入雷電流波形為2.6/50 μs，幅值為50 kA，管道與線路間距為100 m。分析管道外徑、壁厚和防腐層電阻率對管道防腐層感應(yīng)電壓的影響。計(jì)算結(jié)果見圖7和圖8。

圖7 管道外徑和壁厚的影響Fig.7 Influence of pipe diameter and pipe thickness

圖8 防腐層電阻率的影響Fig.8 Influence of anticorrosion coating insulation resistivity

由圖7可看出，管道外徑越大，管道防腐層感應(yīng)電壓減小，但是影響不大。管道壁厚對感應(yīng)電壓基本沒有影響。由圖8可看出，防腐層電阻率對感應(yīng)電壓影響較大，防腐層電阻率越大，感應(yīng)電壓越大。

4 結(jié)論

通過分析雷擊輸電線路對油氣管道的電磁干擾，在ATP-EMTP中建立輸電線路及油氣管道模型，計(jì)算管道防腐層感應(yīng)電壓，得到以下結(jié)論：

1）雷擊輸電線路對油氣管道的電磁影響體現(xiàn)在感性耦合、阻性耦合和容性耦合三方面。

2）線路和管道間距越大，管道防腐層感應(yīng)電壓越小。為保護(hù)管道防腐層和本體安全，需要考慮線路與管道間安全距離。

3）管道外徑和壁厚對管道防腐層電壓感應(yīng)電壓影響不大，防腐層電阻率對感應(yīng)電壓影響較大，防腐層電阻率越大，管道感應(yīng)電壓越大。

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Disturbance and Influence of Transmission Line Struck by Lightning on Above-Ground Oil and Gas Pipeline

CHEN Dengyi1，XIE Linfeng2
（1.Guangxi Vocational&Technical Institute of Industry,Nanning 530001,China； 2.Hezhou Power Supply Bureau,Guangxi Power Grid Corporation,Hezhou 542899,China）

In view of the fact that transmission lines may often parallel with oil and gas pipeline,it is necessary to analyze the disturbance of transmission line struck by lightning on above-ground oil and gas pipelines reasonably.The electromagnetic coupling effect of lightning transmission line on pipeline is analyzed.Considering the effects of inductive coupling，capacitive coupling and resistive coupling between lines and pipes， the equivalent models of transmission line， tower and pipeline are established based on ATP-EMTP.The influence of separated distance between transmission line and pipeline，parameters of the pipe and anticorrosion coating insulation resistivity on overvoltage on the pipe are researched.The results show that:overvoltage on the pipeline decreases with longer separated distance between transmission line and pipeline.In contrast with anticorrosion coating insulation resistivity，pipe diameter and pipe thickness have little impact on the overvoltage.Safety distances need to be acquired to protect of pipeline anticorrosion coating and pipe body.

lightning strike;transmission line;oil and gas pipeline;anticorrosion coating;induced overvoltage

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.02.017

2016-07-15

陳登義 （1979—），男，博士研究生，講師，主要研究方向：電力系統(tǒng)分析，電力系統(tǒng)控制及保護(hù)等。