電力架空線路與管道交叉點雷電沖擊防護措施研究

高曉晶,胡元潮,姜志鵬,柯方超,周秋鵬,段志強,周 蠡

(1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，武漢 430000；2.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255000；3.國網(wǎng)湖北省電力有限公司鄂州供電公司，湖北 鄂州 436000)

0 引言

隨著社會對油氣、電力等多種能源需求的逐漸增加，“西電東輸”、“西氣東送”等國家跨區(qū)域能源輸送工程逐步建設(shè)，多種能源供應(yīng)因節(jié)省耕地面積而多采用綜合能源走廊的建設(shè)方式[1-2]。油氣管道與電力架空線路存在較多的并行臨近或交叉跨越的設(shè)計及施工情況。當(dāng)油氣管道臨近電力架空線路時，電力導(dǎo)線電壓等級往往達到數(shù)百甚至上千千伏，通流達到幾百上千安培，電力架空線在正常情況下因靜電感應(yīng)與電磁感應(yīng)使得油氣管道上產(chǎn)生感應(yīng)電壓和電流分量[3]，給油氣管道的電化學(xué)腐蝕帶來潛在威脅。目前，針對電力架空線路在正常情況下的雜散電流防護問題，油氣行業(yè)先后采用了大量的排流或屏蔽方式，一些措施在實際油氣管道防腐工程中取得較好的應(yīng)用效果[4]。由于電力架空線路在運行時容易遭受雷擊，當(dāng)雷電流沿避雷線和鐵塔塔身流入大地時，若臨近油氣管道與電力線路間距較小，且油氣管道雜散電流引流線較多，流入土壤中的幅值較高的沖擊電流使得油氣管道上產(chǎn)生較高的沖擊電壓幅值，管道絕緣層的擊穿風(fēng)險較高，絕緣層因擊穿破損一定程度上加劇了管道的腐蝕。

近年來，隨著國內(nèi)外油氣管道燃爆事故的發(fā)生，無論是電力行業(yè)還是油氣行業(yè)，對于電力線路雷擊故障下臨近管道過電壓防護問題越來越重視，一些研究人員針對此問題開始進行深入研究，典型的研究成果包括：文獻[5]提出了雷擊輸電線路對油氣管道的影響，并分析了油氣管道絕緣層產(chǎn)生過電壓的具體原因；文獻[6]通過仿真計算分析了雷擊入地電流作用于油氣管道的主要因素；文獻[7]提出了一種在油氣管道兩側(cè)平行敷設(shè)鋅排流帶的方式，能起到較好的降壓效果，不過這種方式需要沿管道平行敷設(shè)，距離較長且需要較多的連接點，施工難度大同時敷設(shè)鋅帶的腐蝕速率過快；文獻[8]也指出了雷擊架空線路時，雷擊點附近的輸氣管道有擊穿和燃爆的可能；文獻[9]采用CDEGS軟件模擬了雷擊線路后的散流過程，指出運行一定年限的油氣管道絕緣層有擊穿的隱患。文獻[10]通過仿真計算指出，雷擊電流為100 kA時，油氣管道與輸電線路的間距應(yīng)大于30 m。從目前研究看，針對管道臨近處桿塔接地裝置的散流特性分析，進而對電力架空線路入地接地電流的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化等方面的研究相對較少。

本研究針對管道臨近處架空線路接地散流特性與結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行研究，分別對水平散流和垂直散流兩種方式進行仿真計算，進而提出適用于油氣管道附近電力線路接地散流設(shè)計與施工方案，為實際燃氣管道防爆及電力線路的雷電防護提供參考。

1 仿真模型與計算參數(shù)

1.1 仿真模型

雷擊架空線路之后，高幅值的雷電流沿著 “避雷線-塔身-接地引線-桿塔接地體”這一路徑流入到土壤中，土壤中的雷電流流向油氣管道方向時，會造成管道絕緣層上的電位差。因此，在土壤條件、間隔距離、雷電流幅值等難以改變的客觀因素之外，桿塔接地體的散流特性是影響管道絕緣層過電壓的重要因素，也是人工可干預(yù)的油氣管道安全防護措施之一。

現(xiàn)行電力架空線路一般采用水平方向上的方框加外延接地體和垂直方向上的混凝土樁基接地。桿塔混凝土樁基承擔(dān)了垂直方向上的接地散流分量，這種垂直接地散流方式將入地電流引向了土壤深層，避免了雜散電流沿水平方向上的擴散，對抑制管道絕緣層過電壓作用明顯。但由于鋼筋混凝土樁基內(nèi)的鋼筋骨架包覆在混凝土介質(zhì)中，混凝土導(dǎo)電性差，散流分量較小，并且鋼筋底端因防腐、防水和力學(xué)強度要求往往不直接接觸底層土壤介質(zhì)，這使得桿塔混凝土樁基沿垂直方向上的散流受到影響，因此，有必要對桿塔接地裝置的垂直方向上的接地散流進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

為了研究雷擊電力架空線路針對油氣管道絕緣層過電壓的影響規(guī)律與防護措施，筆者采用COMSOL Multiphysics有限元仿真計算軟件，建立桿塔水平接地體與樁基垂直接地體，同時按照實際工程中油氣管道與電力桿塔間距建立1:1三維仿真計算模型，分析不同接地體分布方式下金屬管道電壓及絕緣層承受電位差的安全閾值，仿真建立的桿塔接地體與油氣管道模型見圖1。

圖1 電力桿塔接地散流與管道過電壓仿真模型Fig.1 Simulation model of tower grounding dispersion and pipeline overvoltage

圖1中以220 kV電力架空線路為例，桿塔接地網(wǎng)方框邊長為18 m，4個混凝土樁基高12 m、邊長1.2 m，在其內(nèi)部24根直徑20 mm的鋼筋以圓環(huán)型均勻排布，油氣管道與電力桿塔之間的水平方向上的間距為l，m。由于混凝土樁基內(nèi)的鋼筋骨架較為密集，并且考慮到單個鋼筋在有限元計算時剖分量較大，因此在仿真計算時，將樁基內(nèi)部的骨架等效為薄壁金屬鋼筒，其中鋼筒的內(nèi)半徑為0.492 m、外半徑為0.5 m，具體模型見圖2。

圖2 混凝土樁基等效模型Fig.2 Equivalent model of concretetower foundation

1.2 計算參數(shù)

目前國內(nèi)油氣管道多采用帶絕緣防腐層的金屬鋼管[11]。筆者采用COMSOL Multiphysics有限元計算軟件仿真計算時，取典型油氣管道的材質(zhì)為φ530 mm無縫鋼管[12]，壁厚13 mm，采用的絕緣層材料為3層聚乙烯，絕緣層厚度為3 mm，電阻率為1×105Ω·m。由于管道為金屬等電位體，計算取管道的長度為200 m，埋深為1.5 m。此外，實際油氣管道在臨近或交叉跨越電力線路時，通常在管道上加裝雜散電流接地排流引線，因此，建模時在管道的兩端分別加裝長度為1 m的接地排流引線。

在電力線路桿塔接地體建模時，目前常見的接地材料為鍍鋅鋼接地材料，仿真設(shè)置常用鍍鋅鋼接地體的直徑為12 mm，相對電阻率為109.7，相對磁導(dǎo)率為636[13]，根據(jù)不同地區(qū)的土質(zhì)特征，仿真計算時取典型土壤的電阻率為50～1 200 Ω·m。

2 水平接地散流對管道電位的影響

為分析水平接地體散流對其附近管道電位的影響，本文建立實際情形下的四根混凝土樁基接地模型，并在其周圍加設(shè)方框四根外延接地體型的人工輔助接地網(wǎng)(見圖1)，塔腳外圍方框接地網(wǎng)的邊長為18 m，其余材料參數(shù)同上。此外，仿真取電力線路桿塔混凝土樁基與油氣管道的水平間距為50 m，改變外延接地體長度，依次取0 m(即無外延接地體)、10 m、20 m、30 m。此外，仿真取雷電沖擊電流的幅值為20 kA，頻率為10 kHz[13]，通過有限元仿真計算可得在不同土壤電阻率、不同外延接地體長度條件下的管道電位峰值和管道絕緣層承受電壓峰值見圖3、圖4。

圖3 管道電位峰值變化Fig.3 Changes in pipeline potential peaks

圖4 管道絕緣層承受電壓峰值變化Fig.4 Peak voltage change of pipelineinsulating layer

通過分析圖3和圖4的變化趨勢可知，隨著外延接地體長度的增加，管道電位峰值和管道絕緣層承受電壓峰值相應(yīng)的增加。分析其原因是由于：隨著外延接地體長度增加，使其與管道的相對距離逐漸減小，由于外延接地體的“引流”效果，使得雷電流在附近土壤中產(chǎn)生的雜散電流向管道方向匯集，進而影響了管道的電位變化，這對于油氣管道的沖擊耐壓與絕緣層擊穿防護是不利的。

此外，由圖3和圖4可以看出：隨著土壤電阻率的增加，金屬油氣管道上的電位峰值和管道絕緣層承受電壓峰值呈現(xiàn)較明顯的增加趨勢，這是由于隨著土壤電阻率的增加，接地體向周圍的散流密度減小，電力桿塔僅依靠附近的接地體實現(xiàn)完全散流更為困難，更多的雷電流分量沿著接地體流向遠端，進而加劇了遠處油氣管道上的過電壓耐受值。

為了更加直觀地表征接地體散流效果對附近土壤電位的影響，選取土壤電阻率為200 Ω·m，在外延接地體長度為30 m和無外延接地體兩種條件下，土壤電位分布見圖5。

圖5 土壤電位分布云圖Fig.5 Cloud picture of soil potential distribution

圖5仿真計算結(jié)果直觀的呈現(xiàn)了桿塔外延接地體的“引流”效果，這使得油氣管道與外延接地體臨近處土壤電位發(fā)生明顯的改變，進而導(dǎo)致管道電位和管道絕緣層承受電壓增加。當(dāng)電力桿塔不采用外延接地體時，接地電阻值往往超過電力行業(yè)標準，電力線路雷擊跳閘風(fēng)險增加，但桿塔在此接地形式下，臨近管道避免了外延接地體的“引流”帶來的電位劇烈增加，管道絕緣層的擊穿風(fēng)險降低。

由以上分析可知：當(dāng)油氣管道臨近電力線路時，當(dāng)兩者不可避免的臨近或者交叉跨越時，減少電力線路桿塔沿管道方向上的外延“引流”是降低油氣管道電位的有效防護方法。減少水平接地引流、增加垂直方向上的散流一方面可以保證桿塔接地電阻要求，另一方面可以減少電力桿塔雷擊散流對臨近管道的過電壓影響。

3 桿塔樁基垂直接地散流計算

為了進一步分析桿塔采用垂直接地方式對降低臨近管道過電壓的作用，在圖1模型基礎(chǔ)上，減少外延接地體長度至25 m，其余參數(shù)保持不變。將混凝土樁基鋼筋骨架由上至下等分為4段，依次記為1～4，同時，取各段中心點的電流密度值，得到混凝土樁基內(nèi)部鋼筋骨架上的雷擊電流分布情況見圖6。

通過圖6曲線變化趨勢可知，樁基周圍的土壤電阻率能夠顯著影響混凝土樁基內(nèi)部鋼筋的散流特性：混凝土樁基鋼筋骨架的電流密度值隨著距地面深度的增加依次減小，這是由于雷擊電流在混凝土樁基內(nèi)部垂直向下散流時，流過鋼筋的電流還向樁基混凝土介質(zhì)泄流，越靠近接地引下線時，電流密度越高，越靠近混凝土樁基的底端，其電流密度降低幅度越大。并且當(dāng)土壤電阻率增加時，各段導(dǎo)體的電流密度并未呈現(xiàn)出與土壤電阻率等比例的線性變化，每段導(dǎo)體的電流密度的增加幅度趨緩，其原因是當(dāng)土壤電阻率增加時，雷電流向遠端散流難度增加，更多的雷電流分量沿著混凝土樁基垂直向地心深處散流，各段導(dǎo)體的通流容量增加，但由于樁基混凝土的電阻率遠遠高于周圍土壤的電阻率，在樁基中垂直向深處散流的難度更大，因此，樁基內(nèi)各段導(dǎo)體通流強度的增加幅度趨于緩和。

圖6 鋼筋電流密度Fig.6 Current density of steel bar

另一方面，當(dāng)土壤電阻率增大時，樁基內(nèi)雷擊電流的分量升高，與每段導(dǎo)體電流密度趨飽和的變化趨勢類似，各段鋼筋通流密度之間的絕對差距逐漸增加，但相對差距趨于穩(wěn)定。為更加直觀的表示不同條件下鋼筋骨架的電流密度分布，依次選取土壤電阻率為50 Ω·m、500 Ω·m、1 200 Ω·m時的鋼筋骨架電流密度分布云圖，見圖7。

圖7 樁基內(nèi)鋼筋電流密度分布情況Fig.7 Distribution of steel current density in concrete foundation

從圖7可以進一步分析圖6仿真數(shù)據(jù)的變化趨勢：電流密度最大值位于接地引下線注流點附近，在低土壤電阻率條件下，雷電流更多地經(jīng)由人工接地體向外側(cè)散流。這是因為土壤的電阻率遠小于混凝土電阻率，同時，人工水平外延接地體散流面積更大，這使得雷電沖擊電流沿外延接地體的土壤散流分量遠遠超過樁基混凝土中的散流分量。而隨著土壤電阻率增加，鋼筋骨架的電流密度逐漸增加，這是由于土壤電阻率的增加使雷電沖擊電流通過人工接地體向土壤散流分量減少，一部分原本通過人工接地體向外散流的電流改為通過混凝土樁基鋼筋骨架散流，造成樁基內(nèi)鋼筋導(dǎo)體電流密度回升。

4 接地散流優(yōu)化與管道過電壓防護

由于混凝土電阻率遠高于土壤介質(zhì)，相較于混凝土介質(zhì)，雷電流更容易向土壤泄散，樁基內(nèi)部的鋼筋除了力學(xué)支撐作用外，其散流作用大為減弱。為了使樁基附近的散流強度加大，并且減小迫近接地體“引流”效果對管道電位的影響，在傳統(tǒng)接地方案的基礎(chǔ)上，本研究提出垂直方向上樁基散流結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法：在混凝土樁基周圍敷設(shè)輔助垂直接地體，作為混凝土樁基附近垂直散流路徑，其結(jié)構(gòu)模型見圖8(a)。相比于圖8(b)中傳統(tǒng)的方框外延接地結(jié)構(gòu)，圖8(c)所示的優(yōu)化方案I采用樁基輔助垂直接地體替代水平方向上朝向油氣管道的“引流”外延接地體；圖8(d)所示的優(yōu)化方案II同時取消了靠近管道側(cè)的所有外延接地體。

圖8 優(yōu)化桿塔接地方案Fig.8 Optimized grounding scheme of tower

為驗證桿塔樁基周圍外設(shè)輔助垂直接地體對臨近油氣管道過電壓的防護作用，采用COMSOL軟件計算接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后桿塔接地電阻值變化規(guī)律，同時與現(xiàn)行電力標準中對于不同土壤條件的接地電阻限值進行對比。仿真計算時采取的主要參數(shù)設(shè)置包括：各水平外延接地體長度均取25 m，取單根垂直接地體深度與樁基等高12 m，取土壤電阻率依次為50～1 200 Ω·m，其余計算參數(shù)與上文一致。以傳統(tǒng)方框外延接地網(wǎng)接地電阻為基準，可得兩種優(yōu)化接地方案接地電阻變化情況見表1。

對比表1計算數(shù)據(jù)可知：當(dāng)土壤電阻率從50～1 200 Ω·m增加時，3種結(jié)構(gòu)接地網(wǎng)的接地電阻值均逐漸增加。在相同土壤電阻率條件下，相比于傳統(tǒng)方框加四向外延的接地結(jié)構(gòu)，優(yōu)化方案I的接地電阻值變化不大，在800 Ω·m以下的土壤條件下，接地電阻相比較而言略有優(yōu)勢。當(dāng)土壤電阻率增加到1 200 Ω·m時，取消水平外延接地體使得接地電阻值增大了3.70%。分析其原因是由于：不同土壤電阻率條件下，樁基臨近的垂直接地體與水平外延接地體各自承擔(dān)的散流分量不同。當(dāng)土壤電阻率較低時，靠近樁基的輔助垂直接地體更有利于散流，此時，采用輔助垂直接地體一定程度上能夠完全取代朝向管道側(cè)的水平外延接地體。土壤電阻率升高時，遠端水平接地體的散流分量更多，并且垂直接地體的深度小于水平外延接地體，使得接地電阻值整體高于傳統(tǒng)方框外延接地結(jié)構(gòu)。對比優(yōu)化方案II可知：取消更多的管道側(cè)的水平外延接地體之后，不同土壤條件下的接地電阻值增高幅度為0.78%～12.75%。

表1 不同方案接地電阻Table 1 Grounding resistance of different schemes

進一步對比優(yōu)化方案II的接地電阻計算結(jié)果可知：取消更多的管道側(cè)的水平外延接地體之后，不同土壤條件下的接地電阻值增高幅度為0.78%～12.75%，但整體符合接地標準中的接地電阻要求限值。尤其考慮到實際工程中，具備油氣管道埋設(shè)條件的土壤層深度一般較大，在1 200 Ω·m的土壤條件下接地電阻仍有較大裕度，從輸電線路防雷角度來看，桿塔樁基周圍外設(shè)輔助垂直接地體能夠滿足電力防雷工程要求。

進一步計算桿塔接地網(wǎng)優(yōu)化前后對于臨近管道電位升以及管道絕緣層耐受電壓的影響。對比3種接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)下臨近油氣管道電位與絕緣層耐受電壓的計算結(jié)果分別見圖9和圖10。

圖9 管道電位峰值Fig.9 Amplitude of pipeline potential

圖10 管道絕緣層耐受電壓峰值Fig.10 Voltage amplitude of pipeline insulation

由圖9可知：與上文仿真計算結(jié)果類似，隨著土壤電阻率的增加，3種接地散流模型的管道電位峰值和管道絕緣層耐受電壓峰值均相應(yīng)的增加。對比不同接地方案可知，優(yōu)化方案I和優(yōu)化方案II均能有效降低臨近油氣管道電位，并且土壤電阻率越高，管道電壓的降幅越大。兩種優(yōu)化方案取消水平外延接地體之后，管道側(cè)的接地引流分量減少。此外，化方案II取消水平外延接地體的數(shù)量更多，管道電位降低幅度更低，在1 200 Ω·m的土壤條件下管道電位降低幅度達到19.04%之多，兩種接地優(yōu)化方案的整體差別較小。

對比3種接地散流模型的管道絕緣層耐受電壓峰值可知：兩種優(yōu)化方案均能大幅度降低臨近管道絕緣層耐受電壓峰值，兩者整體差別較小。同時，土壤電阻率越高，管道絕緣層耐受電壓峰值降低幅度越明顯：在土壤電阻率由50 Ω·m上升到1 200 Ω·m時，優(yōu)化方案I管道絕緣層耐受電壓峰值的降低幅度分別由27.69%增加到34.48%，而優(yōu)化方案II的降低幅度分別由28.91%增加到35.24%。

進一步通過有限元仿真計算軟件對比分析土壤電阻率分別為200 Ω·m和1 200 Ω·m時，3種接地形式的地面電位分布情況見圖11。

由圖11電位分布云圖可以直觀地看出：兩種土壤條件下，優(yōu)化方案I和優(yōu)化方案II取消迫近管道側(cè)接地體后，雷電流在樁基附近的散流密度增大，尤其是優(yōu)化方案II接地形勢下，樁基垂直散流密度增大，地表電位更集中。在土壤電阻率由200 Ω·m上升到1 200 Ω·m時，樁基附近的地表電位均趨于均衡，這說明了高土壤電阻率下，遠端接地體的散流分量增加，此時樁基附近垂直接地體的散流分量相應(yīng)減弱，但遠離管道側(cè)的水平外延接地體散流分量的增加，有助于降低管道電位以及防止管道絕緣層的擊穿。特別是高土壤電阻率條件下，土壤電阻率對管道電位以及絕緣層耐受電壓的影響甚至達到數(shù)量級上的變化，這提示實際工程中，管道臨近處輸電線路桿塔接地網(wǎng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化更為必要。

圖11 不同接地方案的地表電位Fig.11 Surface potential of different scenarios

5 結(jié) 論

針對電力架空線路雷擊時臨近管道沖擊電位增高問題，通過對桿塔接地網(wǎng)接地散流路徑進行優(yōu)化，達到降低管道電位幅值的目的，結(jié)論包括：

1)迫近管道側(cè)的水平外延接地體存在“引流”效果，隨著外延接地體的迫近以及土壤電阻率的增加，使得油氣管道電位及絕緣層上的耐受電壓增高。減少水平外延接地體長度同時增加桿塔混凝土樁基的散流分量有助于降低管道電位。

2)由于混凝土電阻率高于土壤電阻率，使得混凝土樁基鋼筋骨架散流密度較低。隨著土壤電阻率增加，人工水平接地體散流受阻，混凝土樁基鋼筋骨架的電流密度一定程度上呈現(xiàn)上升趨勢。

3)提出兩種桿塔接地網(wǎng)散流優(yōu)化方案，對比傳統(tǒng)方框外延接地體，在50～1 200 Ω·m土壤電阻率下，所述兩種優(yōu)化方案接地電阻均滿足電力行業(yè)標準限值，并且能夠降低管道電位及絕緣層耐受電壓。其中，優(yōu)化方案II的過電壓降低幅度最大，且實際施工時可節(jié)省更多材料與施工成本。