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 新材料技術研究院，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 新材料技術研究院，北京 100083)

利用數值模擬計算技術對水平鋅帶地床交流緩解效果的影響因素及其影響規律進行了研究。結果表明：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，地床的緩解效率隨地床長度的增加而增大，但超過一定長度后，其緩解效率增加緩慢；地床鋪設時應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，經濟有效的連接間距為500 m，連接位置最好選擇交流干擾最大的地方。

城鎮燃氣管道；交流緩解；影響因素；水平鋅帶地床

近年來，隨著我國城市建設的快速發展，埋地燃氣管道的建設里程日益增加[1-4]。以北京燃氣為例，2012年北京運行的天然氣管線已達到15 000 km以上，并以網狀輻射到北京各城區和大部分郊區縣[5]。與此同時，高壓輸電線路的建設規模也在日益加大。在城鎮地區由于土地緊張、“路徑擇優”等原則使得埋地燃氣管道常與高壓輸電線路長距離并行或多次交叉，形成長距離的共用走廊帶。國內外大量案例表明[6-9]，與埋地金屬管道并行的高壓輸電線路會通過電磁感應、電阻耦合等方式在埋地管道上感應出交流電壓和電流，對管道造成嚴重的交流干擾，從而對管道產生不可忽視的危害，如引起交流腐蝕，導致管道穿孔泄漏，加速防腐蝕層的剝離，影響陰極保護系統的正常運行，造成保護電位不滿足保護要求，犧牲陽極發生“極性逆轉”等問題。同時，還會對工作人員產生電擊危害，嚴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的防護措施才能保障管道的安全運行。

目前國內外關于交流干擾的主要防護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的水平鋅帶[12]。但目前有關水平鋅帶地床交流緩解效果的影響因素及影響規律的研究較少，急需對其開展相關研究，為地床的緩解設計提供參考。為了解決以上問題，本工作利用交流干擾數值模擬軟件(CDEGS)，圍繞城鎮高壓輸電走廊帶燃氣管道水平鋅帶地床的影響因素開展研究，獲得各因素對水平鋅帶地床的影響規律與設計原則，為城鎮燃氣管道交流干擾的緩解提供參考。

1 計算模型與參數設置

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

利用目前國內外最常用的交流干擾數模計算軟件(CDEGS)進行水平鋅帶地床的緩解設計。模型中的管道參數如表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。在后續計算中，這些參數保持不變。

表1 計算模型中的管道參數的設置

2 交流緩解效果的影響因素

通過CDEGS數值模擬軟件，對水平鋅帶地床(以下稱地床)進行建模，分析了地床與管道間距、地床埋深、地床長度、地床安裝位置、連接位置和連接間距等因素對地床交流緩解效果的影響規律。

2.1 地床與管道間距

為了弄清地床與管道間距對地床緩解效果的影響，在不同間距下進行了數模計算。分別在高壓輸電線的兩個拐角處鋪設700 m鋅帶，地床直徑為0.008 m，相對電導率為3.42，相對磁導率為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)中橢圓形內區域放大，結果如圖2(b)所示。從圖2(b)可以看出，當地床與管道間距大于70 m時，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

在進行地床埋深對其緩解效果影響的數模計算時，地床鋪設位置、長度、直徑、相對電阻率以及相對磁導率等參數和計算地床與管道間距時采用的參數值相同。地床與管道間距設置為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；當埋深小于2.0 m時，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 地床長度

為了弄清地床長度對其緩解效率的影響，選取了不同長度的地床進行了數模計算。地床鋪設位置、直徑、相對電導率、相對磁導率以及埋深等參數和地床與管道間距計算時采用的參數值相同。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；當地床長度為0～500 m時，管道最大交流干擾電壓和接地電阻降低幅度較大，地床長度大于500 m后，降低幅度逐漸趨于平緩，受地床長度的影響不大。

圖4 地床長度對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)計算不同地床長度下地床的緩解效率，計算結果如圖5所示。從圖5可以看出:一定范圍內，隨著地床長度的增加，緩解效率增大；當超過一定長度，緩解效率的增加緩慢。

(1)

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

圖5 地床長度對緩解效率的影響Fig. 5 Effect of length of ground bed on mitigation efficiency

2.4 地床安裝位置

由于城鎮地理位置的限制，給燃氣管道安裝地床時，常常會出現無法在高壓輸電線拐點處鋪設地床的情況。為弄清地床安裝位置對其緩解效果的影響，將地床安裝位置設計成圖6所示的5種模型,并進行了相關數模計算。地床長度為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域外側；在模型2中，地床中心與高壓輸電線拐點處的水平距離為0.25 km，地床中心也處于并行區域外側；在模型3中，地床中心剛好與高壓輸電線拐點處對齊；在模型4中，地床中心與高壓輸電線拐點處的水平距離也為0.25 km，但此時地床中心處于并行區域內側；在模型5中，地床中心與高壓輸電線拐點處的水平距離為0.5 km，但地床中心處于并行區域內側。

(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算模型Fig. 6 Calculation models with different installation positions of ground beds

試驗測得采用上述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，管道的最大交流干擾電壓最小,此時地床的交流緩解效果最好。因此，在鋪設地床時，最好將地床的中心置于其與高壓輸電線拐點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域內移動，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

在城鎮燃氣埋地管道中，常常會出現管道與高壓輸電線并行區域內管道無法開挖的情況，這就使得地床無法在并行區域內與管道電連接。為了弄清地床與管道連接位置對地床緩解效果的影響，選取了圖7所示的5種模型進行了相關計算。在這5種模型中，地床長度為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處，但地床和管道的連接位置不同，分別設置在地床與高壓輸電線并行區域外側并與高壓輸電線拐點相距0.5，0.25，0 km處，及地床與高壓輸電線并行區域內側并與高壓輸電線拐點相距0.25，0.5 km處。

從表2中可以看出，采用模型C時，管道的最大交流干擾電壓最小，此時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，盡量將連接點選在并行范圍內，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算模型Fig. 7 Calculation models with different connecting locations of ground bed and pipeline

模型序號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太少，則會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。地床鋪設位置、長度、直徑、相對電阻率、相對磁導率以及埋深等參數和地床與管道間距計算時采用的參數值相同。

圖8 不同地床與管道連接間距的計算模型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。經濟有效的連接間距約為500 m。

圖9 地床與管道連接間距對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 結論

(1) 對于水平鋅帶地床，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) 一定地床長度范圍內，地床緩解效率隨鋅帶長度的增加而增大，但超過一定長度后，其緩解效率增加緩慢。

(4) 地床緩解效果最好的鋪設位置為管道交流干擾電壓最大處，如果條件不允許，應盡量將地床向并行區域內移動，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，經濟有效的連接間距為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，從事腐蝕與防護研究，15801429530，duyanxia@ustb.edu.cn

TE832

A

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