基于低感石墨復(fù)合接地材料的油氣管道絕緣層的防護(hù)效果

王鑫宇,安韻竹,胡元潮,向 真,黃 濤,黃士君

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

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需求與日俱增，然而，工業(yè)用地資源日益緊張，為節(jié)省土地資源，輸電線路和油氣管道通常共用走廊。因此，若輸電線路經(jīng)受雷擊就會(huì)在土壤中產(chǎn)生雜散電流，鄰近的管道會(huì)感應(yīng)出高幅值的電壓，管道的絕緣層也會(huì)承受高幅值電壓，這將對(duì)管道的正常運(yùn)輸構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1-2]?？紤]到管道的安全問(wèn)題，必須采取相應(yīng)措施以減小雜散電流對(duì)油氣管道的電磁影響。通過(guò)采用低感石墨復(fù)合接地材料替代傳統(tǒng)鍍鋅鋼材料，并采用換向接地的方式，可以降低桿塔接地電阻，減小管道絕緣層承受的電壓，這將對(duì)油氣管道的安全運(yùn)輸以及絕緣層的防護(hù)提供有效幫助。

關(guān)于由雷擊輸電線路引起的管道安全問(wèn)題，國(guó)內(nèi)的研究多關(guān)注于正常運(yùn)行情況下，輸電線路電磁耦合作用對(duì)管道雜散電流的影響，對(duì)于雷擊線路或者線路短路故障情況下入地高幅值沖擊電流對(duì)于管道潛在影響的研究則鮮見(jiàn)報(bào)道。文獻(xiàn)[3-4]詳細(xì)分析了不同條件下油氣管道與交流輸電線之間應(yīng)該保持的安全距離。文獻(xiàn)[5]詳細(xì)介紹了輸電線路對(duì)油氣管道的電磁影響，并提出了管道安全電壓、對(duì)地泄漏電流密度等參量的限值。文獻(xiàn)[6-8]詳細(xì)分析了不同條件下，雷擊輸電線路對(duì)油氣管道過(guò)電壓的影響，并提出了相應(yīng)的防護(hù)措施。綜上，目前研究主要集中在管道過(guò)電壓的幅值及安全距離的界定問(wèn)題，對(duì)于管道絕緣層防護(hù)本身承受的電位差以及絕緣層材料過(guò)電壓預(yù)防措施等尚未進(jìn)行系統(tǒng)論述。

本工作首先分析了土壤電阻率、外延接地體與桿塔距離等因素對(duì)絕緣層承受電壓的影響，對(duì)比了鍍鋅鋼和低感石墨復(fù)合接地材料在高頻電流作用下的散流特性差異，進(jìn)而提出采用新型低感石墨復(fù)合接地材料進(jìn)行雷電流換向引流的過(guò)電壓防護(hù)優(yōu)化方案，并通過(guò)仿真計(jì)算驗(yàn)證了方案的可行性。

1 管道臨近處接地散流計(jì)算

1.1 雷擊輸電線路下的散流

當(dāng)雷電擊中輸電線路時(shí)，雷電流將會(huì)經(jīng)由輸電線路桿塔的接地網(wǎng)注入大地，產(chǎn)生的雜散電流致使走廊附近的油氣管道和其附近的土壤電勢(shì)發(fā)生明顯改變，導(dǎo)致管道絕緣層承受高幅值電壓。由于雷電流的頻率極高，傳統(tǒng)的鍍鋅鋼接地材料會(huì)因?yàn)殡姼行?yīng)出現(xiàn)散流不充分的情況，雜散電流注入點(diǎn)附近的土壤電勢(shì)會(huì)明顯提高，由此絕緣層兩側(cè)的電勢(shì)差近一步增大。當(dāng)電勢(shì)差超過(guò)絕緣層材料的耐受電壓時(shí)，會(huì)擊穿油氣管道的絕緣層，加劇油氣管道腐蝕[9]，這將對(duì)石油、天然氣傳輸產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。因而如何降低雷擊輸電線路所產(chǎn)生的雜散電流對(duì)油氣管道絕緣層的影響，維持油氣管道安全可靠運(yùn)行，成為一項(xiàng)亟待解決的課題。

1.2 仿真模型與參數(shù)

本工作研究的是電力線路接地體迫近油氣管道的場(chǎng)景，圖1(a)為電力線路與油氣管道并行的實(shí)際情形。在實(shí)際工程施工中，這種情況經(jīng)常出現(xiàn)，會(huì)對(duì)油氣管道的安全運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，故應(yīng)對(duì)其進(jìn)行深入研究。

(a) 實(shí)際工程

(b) 仿真模型圖1 實(shí)際工程和仿真模型Fig. 1 Actual scene (a) and simulation model (b)

低感石墨復(fù)合接地材料是最近新興起的新型接地材料。外層由石墨線編織而成，內(nèi)層為絕緣填充材料[10]。低感石墨復(fù)合接地材料有良好的耐蝕性，降低了接地體全壽命周期成本[11]。相較傳統(tǒng)的鍍鋅鋼材料，低感石墨復(fù)合接地材料相對(duì)磁導(dǎo)率低，高頻電流下的趨膚效應(yīng)和電感效應(yīng)小于鍍鋅鋼材料，有更好的散流特性，能有效降低沖擊接地電阻[12-13]。

采用CDEGS接地計(jì)算軟件搭建輸電線路桿塔接地網(wǎng)模型，此模型為方框單根外延射線型接地網(wǎng)。根據(jù)工程應(yīng)用實(shí)際，方框接地體材料選用φ10 mm鍍鋅鋼，外延接地體采用不同材料，參數(shù)如表1所示。方框接地體邊長(zhǎng)為18 m，外延接地體長(zhǎng)度為20 m。在外延接地體右側(cè)有長(zhǎng)度為100 m的油氣管道，該管道為φ272mm無(wú)縫鋼管，壁厚8mm，采用的絕緣層材料為熔結(jié)環(huán)氧粉末FBE，絕緣層厚度為0.4 mm，電阻率為3×104Ω·m。管道的首尾兩端接地，用于模擬管道上的雜散電流和陰極防護(hù)接地線，該仿真模型如圖1(b)所示。

表1 不同外延接地體材料的參數(shù)Tab. 1 Parameters of different epitaxial ray materials

針對(duì)圖1所示模型以及表1所示參數(shù)，研究了不同因素對(duì)絕緣層承受電壓的影響，在此基礎(chǔ)上，近一步對(duì)比了低感石墨復(fù)合接地材料和鍍鋅鋼兩種不同外延接地材料在絕緣層防護(hù)中的優(yōu)劣，得出管道絕緣層防護(hù)的最優(yōu)方案，以減小雷擊輸電線路產(chǎn)生的雜散電流對(duì)管道絕緣層的危害。

1.3 接地體的散流特性與有效散流長(zhǎng)度

輸電線路遭受雷擊時(shí)，雷擊電流通過(guò)桿塔接地網(wǎng)將高幅值、高頻率的雷電流泄至土壤中。接地體在高頻電流作用下并非純電阻，而是呈現(xiàn)出感抗特性，與常用工頻接地的電阻值差別較大。接地體感抗值由接地體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等材料參數(shù)決定，并且影響著雷電流沿接地體向遠(yuǎn)端散流的最大散流距離，即接地體的有效散流長(zhǎng)度，這往往是影響臨近土壤介質(zhì)及埋地管道電位的重要因素。對(duì)比了常見(jiàn)金屬接地材料和新型低感非金屬接地材料，進(jìn)一步分析了內(nèi)芯絕緣材料填充后非磁性導(dǎo)體的散流特性，計(jì)算了兩種接地材料的結(jié)構(gòu)與尺寸，如圖2所示。

圖2 兩種接地材料的結(jié)構(gòu)和尺寸Fig. 2 Structure and size of different grounding materials

圖2中，低感石墨復(fù)合接地體的直徑為40 mm，外層為 4mm厚的環(huán)狀高導(dǎo)電率石墨層，電阻率為3.25×10-5Ω·m，內(nèi)芯填充材料為尼龍，直徑為36 mm，接地材料采用此結(jié)構(gòu)的益處在于能夠減小材料在高頻電流作用下的自感與互感，降低材料自身的趨膚效應(yīng)，增大高導(dǎo)電率石墨導(dǎo)體的材料利用率及通流密度。為了直觀對(duì)比兩種材料的散流特性，采用COMSOL Multiphysics有限元仿真計(jì)算軟件，選取水平“一”字型接地體作為散流計(jì)算模型：水平接地體的長(zhǎng)度為50 m，材料分別為φ10 mm鍍鋅圓鋼和φ40 mm低感石墨復(fù)合接地材料，固定土壤電阻率為300 Ω·m，入地沖擊電流頻率為10 kHz，可得“一”字型接地體末端截面的電流密度分布如圖3所示。

(a) 鍍鋅圓鋼接地體(b) φ40 mm低感石墨圖3 兩種接地體材料的截面電流密度分布Fig. 3 Current density distribution of two grounding materials: (a) galvanized steel; (b) low-sensitivity graphite

由圖3可見(jiàn)：相對(duì)于鍍鋅鋼材料，低感石墨復(fù)合材料的有效散流截面積更大，表明低感石墨材料擁有更好的散流特性。這主要是因?yàn)殄冧\鋼材料的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)高于低感石墨復(fù)合接地材料，導(dǎo)致其受趨膚效應(yīng)的影響更加明顯。為了進(jìn)一步研究這兩種接地體在有效散流長(zhǎng)度方面的差異，采用不同長(zhǎng)度(20，40，60，80，100，120 m)接地體，將其分為10段，計(jì)算最末一段與第一段的通流比，見(jiàn)圖4。

圖4 兩種接地體的通流比Fig. 4 Flow current ratios of two materials

由圖4可見(jiàn)：相同長(zhǎng)度下，低感石墨復(fù)合接地的通流比明顯高于鍍鋅鋼，即低感石墨復(fù)合接地的對(duì)外散流能力更強(qiáng)。且隨著接地體長(zhǎng)度的增加，通流比逐漸降低，這是因?yàn)樵黾咏拥伢w長(zhǎng)度，可以使更多雷電流通過(guò)接地體向周圍土壤泄散，從而降低接地體末端的電流密度。當(dāng)接地體長(zhǎng)度大于100 m時(shí)，低感石墨復(fù)合接地的通流比仍遠(yuǎn)高于鍍鋅鋼，說(shuō)明其仍可向外散流，即其擁有更長(zhǎng)的散流長(zhǎng)度。鍍鋅鋼受趨膚效應(yīng)和電感效應(yīng)影響明顯，相比于鍍鋅鋼，低感石墨復(fù)合接地由于較低的相對(duì)磁導(dǎo)率，在散流方面比更具優(yōu)勢(shì)。并且石墨材料不易腐蝕，在實(shí)際改造工程中可考慮采用低感石墨復(fù)合材料取代鍍鋅鋼作為臨近桿塔接地網(wǎng)的外延接地材料。

2 桿塔附近接地網(wǎng)對(duì)管道過(guò)電壓的影響

在圖1的接地體模型基礎(chǔ)之上，研究桿塔接地網(wǎng)外延接地體與管道距離、土壤電阻率等因素對(duì)管道絕緣層承受電壓的影響規(guī)律。仿真試驗(yàn)所取桿塔接地網(wǎng)外延接地體為傳統(tǒng)鍍鋅鋼，其臨近管道端與油氣管道的距離為10 m，雷電沖擊電流為80 kA，頻率取100 kHz，土壤電阻率取300 Ω·m，通過(guò)CDEGS計(jì)算可得觀測(cè)面(距地面0.8 m)上接地網(wǎng)附近土壤的電位分布如圖5所示。

圖5 方框單根外延射線接地體附近土壤電位Fig. 5 The soil potential of the square grounding body with a single epitaxial ray

由圖5可見(jiàn)：接地體在散流過(guò)程中，外延接地體附近的電位非常高，即其引流效果十分明顯，泄放到土壤中產(chǎn)生的雜散電流導(dǎo)致管道絕緣層承受較高的電壓，可能會(huì)對(duì)管道本身產(chǎn)生危害。通過(guò)CDEGS軟件計(jì)算接地體及管道周圍的泄漏電流如圖6所示。

圖6 方框單根外延射線接地體泄漏電流分布Fig. 6 Leakage current distribution of square grounding body with a single epitaxial ray

由圖6可見(jiàn)：外延接地體可向附近土壤有效散流，尤其外延接地體末端的散流能力極強(qiáng)，泄漏電流最高可達(dá)到124.74 A。但是，外延接地體會(huì)將雷電流引向管道方向，由此加劇了管道絕緣層的過(guò)電壓，對(duì)管道安全產(chǎn)生不利影響。

2.1 外延接地體與油氣管道間距的影響

在圖1模型基礎(chǔ)之上，分別改變外延接地體臨近管道端與管道之間的距離d為10，20，30，40，50 m。設(shè)定土壤電阻率為300 Ω·m，其余參數(shù)同上。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可得管道電位的幅值和絕緣層耐受電壓幅值如圖7所示。

圖7 不同距離下管道電位幅值和絕緣層承受電壓幅值Fig. 7 Amplitude of pipeline potential and insulation withstand voltage at different distances

由圖7可見(jiàn)：隨著外延接地體與油氣管道的距離d逐漸增大，管道電位和管道絕緣層承受的電壓逐漸下降。管道絕緣層承受的電壓起初隨距離d的增大變化較快，而后變化較緩。管道絕緣層承受最高電壓(248.13 V)遠(yuǎn)不及FBE材料遭受雷擊時(shí)的管道安全電壓極限值(28 kV)。然而，埋設(shè)在土壤內(nèi)的油氣管道可能會(huì)出現(xiàn)絕緣層破損和老化的現(xiàn)象，承受較高電壓會(huì)加速絕緣層老化，更甚者使絕緣層擊穿，加速管道腐蝕，對(duì)油氣運(yùn)輸產(chǎn)生不利影響[14]。管道電位最大值為27.18 kV，過(guò)高的電位也會(huì)對(duì)管道安全運(yùn)輸產(chǎn)生不利影響。隨著管道和外延接地體距離的增加，外延接地體的引流作用對(duì)管道的影響越來(lái)越小，這使得管道電位和管道絕緣層承受電壓呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

2.2 土壤電阻率的影響

土壤電阻率對(duì)接地電阻的影響較大，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致土壤中的電位發(fā)生改變，結(jié)果會(huì)對(duì)管道絕緣層承受電壓產(chǎn)生影響。取土壤電阻率為100，300，500，700，900，1 100 Ω·m進(jìn)行分析。不同土壤電阻率條件下的管道電位幅值和管道絕緣層承受電壓幅值如圖8所示。

由圖8可見(jiàn)：隨著土壤電阻率逐漸增大，管道電位幅值與管道絕緣層承受電壓幅值也逐漸增加。管道電位最高可達(dá)84.13 kV，絕緣層兩側(cè)承受電壓幅值為357.7 V，這會(huì)對(duì)管道及其絕緣層安全產(chǎn)生較大威脅，這是因?yàn)橥寥离娮杪实脑黾訒?huì)導(dǎo)致接地體在靠近桿塔處的散流分量減小，更多電流經(jīng)接地體流向遠(yuǎn)端。進(jìn)一步計(jì)算不同土壤電阻率與距離d下的接地電阻如表2所示。

圖8 不同土壤電阻率下管道電位和絕緣層承受電壓幅值Fig. 8 Amplitude of pipeline potential and insulation withstand voltage at different soil resistivities

由表2可知，隨著外延接地體末端與油氣管道的距離d逐漸增大，接地電阻變化不大。而土壤電阻率增加則會(huì)導(dǎo)致接地電阻值增大，過(guò)高的接地電阻值對(duì)于輸電線路的雷擊跳閘故障產(chǎn)生不利影響。這說(shuō)明實(shí)際工程中對(duì)于臨近管道的桿塔接地改造，需要同時(shí)兼顧管道過(guò)電壓防護(hù)，也要兼顧到桿塔接地電阻問(wèn)題。

3 臨近桿塔處油氣管道過(guò)電壓防護(hù)

3.1 接地方案優(yōu)化

分別采用鍍鋅鋼和低感石墨復(fù)合接地材料作為外延接地體材料，接地網(wǎng)采用換向接地方式，其模型如圖9所示，方框長(zhǎng)度為18 m，右側(cè)外延接地體起始長(zhǎng)度為95 m，依次遞減15 m，左側(cè)接地體起始0，依次遞增15 m。固定土壤電阻率為300 Ω·m，假定雷電流幅值80 kA，頻率100 kHz，通過(guò)CDEGS軟件可得接地電阻隨換向接地體長(zhǎng)度變化的趨勢(shì)如圖10所示。

表2 不同條件下的接地電阻值Tab. 2 Grounding resistance under different conditions Ω

由圖10可見(jiàn)：在相同接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)條件下，低感石墨復(fù)合接地可以有效降低接地電阻，這主要是由于在高頻條件下，鍍鋅鋼的電感效應(yīng)明顯增加了接地電阻，而兩端都存在外延接地體時(shí)會(huì)比單端外延接地體的接地電阻值低，即雙端外延接地體的散流效果明顯好于單端情況。

根據(jù)CDEGS軟件可以求得基于圖9模型的管道電位幅值和管道絕緣層承受電壓幅值，見(jiàn)圖11和12。

對(duì)比圖11和12可知：臨近管道側(cè)接地體越短時(shí)，往管道方向的散流效果越小，可以顯著降低管道過(guò)電壓，而低感石墨復(fù)合接地材料在換向引流時(shí)，迫近側(cè)接地體從零到某一距離時(shí)降壓效果好于鍍鋅鋼。絕緣層承受電壓幅值隨著迫近管道側(cè)接地體長(zhǎng)度的減小而呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。因此，綜合以上考慮，為了有效降低絕緣層電壓并防止管道過(guò)電壓，實(shí)際工程中采用低感石墨復(fù)合接地材料進(jìn)行換向引流，可以有效降低施工難度及施工成本。

圖9 換向接地體模型Fig. 9 Reversing grounding body models

圖10 不同接地體長(zhǎng)度條件下的接地電阻Fig. 10 Grounding resistance under different grounding body length conditions

圖11 不同材料時(shí)管道電位幅值變化曲線Fig. 11 Potential amplitudes of pipelines with different materials

圖12 不同材料時(shí)管道絕緣層承受電壓幅值變化曲線Fig. 12 Withstands voltage amplitudes of pipeline insulation layer with different materials

3.2 埋地管道與交流接地體安全距離

針對(duì)油氣管道與電力線路交叉跨越問(wèn)題，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[15]中規(guī)定了埋地管道與高壓交流輸電線路桿塔接地體之間的最小安全距離限定值：在開(kāi)闊地區(qū)二者距離不宜小于桿塔高度，在土地受限區(qū)域，二者間最小距離見(jiàn)表3。

考慮到實(shí)際工程中油氣管道絕緣層所采用的材料有差異，在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的油氣管道與電力桿塔最小安全距離限定值的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步分析絕緣層采用3PE材料和FBE材料時(shí)管道與接地體應(yīng)保持的安全距離。由2.2節(jié)結(jié)論可知土壤電阻率增大會(huì)增加管道絕緣層承受電壓，綜合考慮選定土壤電阻率為500 Ω·m，接地體分別采用傳統(tǒng)方案和換向方案，選取外延接地體距離管道距離為7.5 m，管道絕緣層承受電壓如表4所示。

表3 管道與交流接地體最小距離Tab. 3 Minimum distance between pipeline and AC grounding electrode

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[16]所示的實(shí)際油氣管道絕緣防護(hù)層的沖擊耐壓試驗(yàn)結(jié)果：FBE材料金屬管道在雷電沖擊條件下耐壓值為28 kV，3PE材料金屬管道的沖擊耐壓值為109 kV。故從雷擊桿塔導(dǎo)致管道過(guò)電壓的角度來(lái)看，表4計(jì)算結(jié)果均遠(yuǎn)低于其材料沖擊耐受電壓值，并且采用換向方案可以有效地降低管道絕緣層承受電壓，故可知在考慮雷擊散流情況下，國(guó)標(biāo)規(guī)定的輸電線路與油氣管道的安全距離限值仍然適用。

表4 采用不同方案時(shí)的絕緣層承受電壓Tab. 4 Withstand voltage of insulation layer in different schemes

4 結(jié)論

通過(guò)CDEGS軟件，針對(duì)輸電線路臨近處的油氣管道絕緣層過(guò)電壓進(jìn)行仿真計(jì)算，可得到以下規(guī)律性結(jié)論：

(1) 油氣管道與接地體距離增加時(shí)，增大了土壤散流面積，降低了絕緣層承受電壓；土壤電阻率增加會(huì)阻礙散流過(guò)程，導(dǎo)致電流經(jīng)由接地體流向遠(yuǎn)端，使得管道絕緣層承受電壓幅值增大。

(2) 采用低感石墨復(fù)合接地材料進(jìn)行換向引流時(shí)，可以使雷電流向背離油氣管道的方向泄散，有效避免了因?yàn)閱胃庋咏拥伢w迫近管道時(shí)導(dǎo)致的油氣管道絕緣層承受高幅值電壓的問(wèn)題，隨著迫近管道側(cè)接地體長(zhǎng)度的減小，降壓效果越來(lái)越明顯。

(3) 在滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的油氣管道與接地體安全距離的情況下，管道絕緣層采用FBE、3PE材料時(shí)，其絕緣層承受電壓均遠(yuǎn)小于兩種材料的沖擊耐壓值，故考慮雷擊散流時(shí)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全距離仍然適用。