土壤特性對(duì)埋地金屬管道沿線電流密度的影響

張康偉譚 波童雪芳郭軼磊牛浩然

(1. 三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，宜昌 443002； 2. 三峽大學(xué) 新能源微電網(wǎng)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，宜昌 443002；3. 中國電力科學(xué)研究院有限公司武漢分院，武漢 430074)

相比于高壓交流輸電，高壓直流輸電具有高效、低線路損耗等優(yōu)點(diǎn)，在長距離輸電中有著較高的經(jīng)濟(jì)效益。我國國土面積廣闊且電力資源分布極不均衡，因此需建設(shè)大量特高壓直流輸電線路以滿足我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。高壓直流輸電系統(tǒng)主要分為單極系統(tǒng)和雙極系統(tǒng)。我國的高壓直流輸電系統(tǒng)常用的是雙極對(duì)稱的運(yùn)行模式。但在雙極系統(tǒng)建成初期或故障檢修時(shí)，通常會(huì)采用單極系統(tǒng)的大地回流方式運(yùn)行。此時(shí)，高達(dá)數(shù)千安的電流將會(huì)流入大地。這些流入大地的電流極有可能對(duì)埋地金屬管道造成巨大影響，如管道防腐蝕層存在破損時(shí)，泄漏到管道上的電流密度就會(huì)增大，管道將發(fā)生較強(qiáng)烈的電化學(xué)腐蝕。大地作為高壓直流輸電系統(tǒng)單極運(yùn)行回路中的重要組成部分，土壤特性與埋地金屬管道的電流密度之間存在著密不可分的聯(lián)系，因此研究土壤特性對(duì)受到直流接地極入地電流干擾的埋地金屬管道電流密度的影響，及埋地金屬管道的安全防護(hù)具有重大意義[1-2]。

目前,對(duì)于埋地金屬管道受直流接地極影響的報(bào)道比較多。劉昌等[3]通過建立直流接地極與埋地金屬管道的電磁仿真模型，分析了造成管道上設(shè)備異常、以及發(fā)生電化學(xué)腐蝕等問題的原因；張建賓等[4]通過相關(guān)軟件模擬了后建接地極對(duì)埋地管道的影響，探討了后建接地極與管道的距離對(duì)管道電位分布的影響規(guī)律；陳水明[5]通過建立管道的傳輸線等值模型討論了均勻土壤中管道與直流接地極的距離以及接地極埋深對(duì)埋地金屬管道腐蝕的影響；曹方圓等[6]通過建立相關(guān)的管道電路模型，得到了管道在各種保護(hù)措施下直流接地極對(duì)金屬管道管地電位的影響和計(jì)算方法，并用實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。以上研究大部分是在均勻土壤中討論直流接地極對(duì)金屬管道的影響。目前，關(guān)于土壤特性對(duì)受直流接地極入地電流干擾的埋地金屬管道電流密度的影響，還鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。

本工作主要應(yīng)用CDEGS軟件對(duì)直流接地極與附近埋地金屬管道建立仿真模型，通過均勻土壤模型、水平兩層土壤模型以及改變分層土壤中各層土壤電阻率大小、表層土壤厚度來對(duì)比分析土壤特性對(duì)埋地金屬管道電流密度的影響，可供電力和石油相關(guān)部門參考。

1 CDEGS計(jì)算軟件有效性驗(yàn)證

CDEGS軟件MALZ模塊是功能強(qiáng)大的接地分析工具，可準(zhǔn)確模擬不同復(fù)雜結(jié)構(gòu)土壤中大型金屬接地網(wǎng)，并能夠計(jì)算土壤中任意導(dǎo)體單位面積的泄漏電流密度。為了驗(yàn)證CDEGS軟件所建立的模型的有效性，在特高壓試驗(yàn)基地接地實(shí)驗(yàn)室的矩形水槽中搭建高壓直流接地極和金屬管道的縮比試驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示，進(jìn)行模擬試驗(yàn)。矩形水槽尺寸為30 m×27 m×3 m，水槽四周及底部布滿了回流銅網(wǎng)；管道長7.5 m，水平支撐放置在離水槽底部2 m處；接地極與管道放置在同一水平面上，通過接地極注入30 A的直流電流。水槽中注入自來水，水面沒過管道約10 cm，用自來水模擬均勻土壤，其電阻率約為40 Ω·m，采用uDL2管道陰保斷電電位記錄儀測量距管道中點(diǎn)3 m兩個(gè)對(duì)稱點(diǎn)處的電流密度。用CDEGS建立該試驗(yàn)平臺(tái)的仿真模型，進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖1 模擬試驗(yàn)平臺(tái)示意圖(俯視)Fig. 1 Schematic diagram of the simulation test platform (top view)

模擬試驗(yàn)的實(shí)測數(shù)據(jù)與模型計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示。結(jié)果表明：模型計(jì)算結(jié)果與模擬試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差在10%左右，并且對(duì)稱性良好。因此，CDEGS軟件所建立的接地極與埋地金屬管道模型具有較高的準(zhǔn)確性，可用于后續(xù)的相關(guān)研究。

表1 管道電流密度的模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果Tab. 1 Model calculation results and test results of current density of pipe

2 模型的建立

以±800 kV某特高壓直流接地極以及附近埋地金屬管道實(shí)際參數(shù)為例,用CDEGS軟件建立仿真模型，如圖2所示。所建立的模型中，特高壓直流接地極采用雙圓環(huán)結(jié)構(gòu):外環(huán)半徑為350 m，埋深3.5 m；內(nèi)環(huán)半徑為270 m，埋深3 m。接地極材料為半徑0.04 m的鋼材，采用陽極運(yùn)行模式，入地電流為4 kA。接地極附近埋地金屬管道與接地極中心距離為10 km，埋地金屬管道為裸管道，材料為鋼材，長度為一個(gè)絕緣段的長度(80 km)，管道外徑711 mm，壁厚9.5 mm，以管道長度的中心位置為坐標(biāo)零點(diǎn)。

圖2 接地極與埋地金屬管道示意圖Fig. 2 Schematic diagram of grounding electrode and buried metal pipe

3 結(jié)果與討論

3.1 均勻土壤

直流接地極與埋地金屬管道分別處于不同電阻率(100、300、500、1000、1 500、2 000 Ω·m)的均勻土壤中，依次對(duì)埋地金屬管道沿線電流密度進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同電阻率的均勻土壤中管道沿線電流密度Fig. 3 Current densities along the pipe in homogeneous soil with different resistivity

管道沿線電流密度可以從側(cè)面反映金屬管道腐蝕速率的大小。由圖3可知：在均勻土壤中，隨著土壤電阻率的增大，管道沿線電流密度大體呈增大趨勢(shì)，且增幅逐漸減小，呈非線性增長趨勢(shì)；在管道上存在電流密度為零的點(diǎn)，隨著土壤電阻率的增大，此零點(diǎn)的位置會(huì)稍微向管道端部偏移，且偏移量越來越小。整個(gè)管道沿線出現(xiàn)了3個(gè)極大值點(diǎn)，即管道中點(diǎn)及兩個(gè)端點(diǎn)，對(duì)極大值點(diǎn)進(jìn)行分析，如圖4所示。由圖4可見：當(dāng)土壤電阻率從100 Ω·m增大到1 000 Ω·m時(shí)，管道中點(diǎn)電流密度由1.059 mA·m-2增至2.059 mA·m-2，當(dāng)土壤電阻率從1 000 Ω·m增大到2 000 Ω·m時(shí)，其電流密度僅從2.059 mA·m-2增至2.206 mA·m-2，管道端點(diǎn)處變化趨勢(shì)亦是如此。由此可見，土壤電阻率較低時(shí)，土壤電阻率的變化對(duì)管道沿線電流密度的影響較大，當(dāng)土壤電阻率增大到一定程度后，電流密度大小會(huì)趨于穩(wěn)定。這是由于隨著土壤電阻率的增大，大地的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性變差，直流接地極入地電流在大地內(nèi)散流造成的歐姆壓降增大，而金屬管道電阻率小于土壤電阻率，構(gòu)成低電阻通道，使得更多電流流經(jīng)管道，造成金屬管道電流密度增大；而當(dāng)土壤電阻率遠(yuǎn)大于管道電阻率時(shí)，管道附近幾乎所有電流均通過金屬管道進(jìn)行散流，所以管道沿線電流密度幾乎不再受土壤電阻率的影響。

圖4 均勻土壤中管道中點(diǎn)與端點(diǎn)電流密度Fig. 4 Current densities at midpoint and end-point of the pipe in homogeneous soil

3.2 水平兩層土壤

水平兩層土壤是在接地極相關(guān)計(jì)算中常用的土壤模型。通常情況下，為了保證直流接地極入地電流產(chǎn)生的跨步電壓符合安全規(guī)定，雙圓環(huán)接地極埋深通常為3～5 m；而金屬管道施工需考慮到施工難易程度以及經(jīng)濟(jì)性，通常只需埋于較淺層土壤，埋深約1 m左右。因此,在分析水平兩層土壤中管道沿線電流密度時(shí)，不僅需要考慮不同土壤層電阻率的變化對(duì)管道電流密度的影響，而且需考慮表層土壤厚度的影響。

3.2.1 表層土壤電阻率的影響

為了討論表層土壤電阻率變化對(duì)埋地金屬管道沿線電流密度的影響，保持表層土壤厚度為5 m不變，底層土壤電阻率始終為100 Ω·m，改變表層土壤電阻率(100、300、500、1000、1 500、2 000 Ω·m)得到如圖5所示管道沿線電流密度。

圖5 表層土壤電阻率變化時(shí)管道沿線電流密度Fig. 5 Current densities along the pipe in top soil with different resistivity

由圖5可知：在底層土壤電阻率固定不變的情況下，隨著表層土壤電阻率的增大，管道沿線大部分電流密度呈明顯減小趨勢(shì)。由圖6可知：當(dāng)表層土壤電阻率從100 Ω·m增大至2 000 Ω·m，管道中點(diǎn)處電流密度降低了66%，端點(diǎn)處降低了65%；隨著表層土壤電阻率的增大，管道中部和端部電流密度逐漸變小且變化幅度越來越小，表層土壤電阻率增加到一定程度后，電流密度會(huì)趨于穩(wěn)定。這是由于隨著表層土壤電阻率的增大，尤其當(dāng)表層土壤電阻率遠(yuǎn)大于底層土壤電阻率時(shí)，底層土壤為接地極的散流提供了低電阻通道，致使更多的電流流向了底層土壤，而管道處于表層土壤中，流經(jīng)表層土壤的電流變小，因此管道表面電流密度變小。

圖6 表層土壤電阻率變化時(shí)管道中點(diǎn)與端點(diǎn)處電流密度Fig. 6 Current densities at the midpoint and end-point of the pipe in top soil with different resistivity

3.2.2 底層土壤電阻率的影響

為了討論底層土壤電阻率的變化對(duì)埋地金屬管道沿線電流密度的影響，始終保持表層土壤厚度為5 m不變，表層土壤電阻率始終為100 Ω·m，改變底層土壤電阻率(100、300、500、1 000、1 500、2 000 Ω·m)得到如圖7所示管道沿線電流密度。

圖7 底層土壤電阻率變化時(shí)管道沿線電流密度Fig. 7 Current densities along the pipe in bottom soil with different resistivity

由圖7可知：當(dāng)接地極位于表層土壤中時(shí)，在表層土壤電阻率固定不變的情況下，隨著底層土壤電阻率的增大，管道沿線電流密度大部分呈增大趨勢(shì)，對(duì)比上述3.1.1中底層土壤電阻率不變時(shí)管道電流密度，在該種兩層土壤中，管道沿線電流密度明顯較大，可見在底層土壤電阻率較大的兩層土壤中，需特別注意對(duì)管道加強(qiáng)防護(hù)。由圖8可知：當(dāng)?shù)讓油寥离娮杪视?00 Ω·m增至2 000 Ω·m時(shí)，管道中點(diǎn)處電流密度從1.059 4 mA·m-2增大到3.666 8 mA·m-2，增幅為246%，端點(diǎn)處電流密度從0.550 2 mA·m-2增大到4.4880mA·m-2，增幅達(dá)716%，底層土壤電阻率的增大對(duì)管道端部電流密度大小影響更大。在均勻土壤以及表層土壤電阻率較高的兩層土壤中，管道中點(diǎn)處的電流密度一般高于兩端的，而在底層土壤電阻率遠(yuǎn)大于表層土壤電阻率的土壤結(jié)構(gòu)中(如圖7中曲線6)，電流密度呈現(xiàn)出管道兩端高于中間的態(tài)勢(shì)。由此可見，底層土壤電阻率的變化對(duì)管道端部電流密度的影響較大。這是由于底層土壤電阻率的增大阻礙了接地極入地電流向更深層土壤進(jìn)行散流，導(dǎo)致大部分電流流經(jīng)電阻率相對(duì)較低的表層土壤，而管道正是處于表層土壤中，使得管道沿線電流密度明顯增大；同時(shí)接地極在較低土壤電阻率的表層土壤中散流時(shí)，由于管道長度較長，低電阻的埋地金屬管道將匯集較多的電流流向大地遠(yuǎn)端，導(dǎo)致管道兩端的電流密度增大，甚至可能大于中點(diǎn)處電流密度。

圖8 底層土壤電阻率變化時(shí)管道中點(diǎn)與端點(diǎn)處電流密度Fig. 8 Current densities at the midpoint and end-point of the pipe in bottom soil with different resistivity

3.2.3 表層土壤厚度的影響

由于管道與接地極在實(shí)際工程中埋深不同，管道與接地極可能處于不同層土壤中，同時(shí)表層土壤電阻率和底層土壤電阻率的相對(duì)大小也可能不同。因此，在討論表層土壤厚度的變化對(duì)管道電流密度的影響時(shí)，需考慮表層土壤電阻率小于底層土壤電阻率(ρ1<ρ2)、表層土壤電阻率大于底層土壤電阻率(ρ1>ρ2)兩種情況。

模型計(jì)算中保持表層土壤電阻率與底層土壤電阻率不變，只改變表層土壤厚度(0.5～4.5 m)。當(dāng)ρ1<ρ2時(shí)得到的計(jì)算結(jié)果如圖9、圖10所示；當(dāng)ρ1>ρ2時(shí)得到的計(jì)算結(jié)果如圖11、圖12所示。

圖9 表層土壤厚度變化時(shí)管道沿線電流密度(ρ1<ρ2)Fig. 9 Current densities along the pipe in top soil with different thicknesses (ρ1<ρ2)

圖10 表層土壤厚度變化時(shí)管道中點(diǎn)和端點(diǎn)處電流密度 (ρ1<ρ2)Fig. 10 Current densities at the midpoint and end-point in top soil of the pipe with different thicknesses (ρ1<ρ2)

圖11 表層土壤厚度變化時(shí)管道沿線電流密度(ρ1>ρ2)Fig. 11 Current densities along the pipe in top soil with different thicknesses (ρ1>ρ2)

圖12 表層土壤厚度變化時(shí)管道中點(diǎn)和端點(diǎn)處電流密度(ρ1>ρ2)Fig. 12 Current densities at the midpoint and end-point of the pipe in top soil with different thicknesses (ρ1>ρ2)

由圖9和圖10可知，當(dāng)ρ1<ρ2時(shí)，隨著表層土壤厚度的增加，管道沿線電流密度增大；但由圖11和圖12可知，當(dāng)ρ1>ρ2時(shí)，隨著表層土壤厚度的增加，管道沿線電流密度減小。這主要是由于ρ1<ρ2時(shí)，表層土壤厚度增加使表層土壤中電流分流量增加，從而使進(jìn)入管道流通的電流也增加；ρ1>ρ2時(shí)，表層土壤厚度增加使底層土壤中電流分流增加，單位厚度表層土壤中的電流分流減小，從而使進(jìn)入表層管道的電流也減小。結(jié)合兩種情況下電流密度的變化幅度看，當(dāng)表層土壤厚度從0.5 m增至4.5 m時(shí)，在ρ1<ρ2的情況下，管道中點(diǎn)處的電流密度僅增加了21%，在ρ1>ρ2的情況下，管道中點(diǎn)處的電流密度僅減小了30%。相比于水平兩層土壤中土壤電阻率的變化對(duì)管道沿線電流密度的影響，兩種情況下表層土壤厚度變化對(duì)電流密度的影響均較小。

4 結(jié)論

(1) 在均勻土壤中，埋地金屬管道沿線電流密度隨著土壤電阻率的增大而增大，且在土壤電阻率較小時(shí)，土壤電阻率的變化對(duì)管道沿線電流密度大小影響較為明顯。

(2) 在水平兩層土壤中，隨著表層土壤電阻率的增大，管道沿線電流密度減小，且變化幅度越來越小；隨著底層土壤電阻率的增大，管道沿線電流密度增大，且底層土壤電阻率的變化對(duì)管道兩端電流密度的影響尤為明顯。在實(shí)際工程中，管道埋設(shè)應(yīng)選擇底層土壤電阻率較小的地區(qū)，在底層土壤電阻率較大的地區(qū)且采用接地極陽極運(yùn)行時(shí),需對(duì)管道兩端增設(shè)防護(hù)措施。

(3) 在水平兩層土壤中，表層土壤電阻率小于底層土壤電阻率時(shí)，隨著表層土壤厚度的增加，管道沿線電流密度呈增加趨勢(shì)；而當(dāng)表層土壤電阻率大于底層土壤電阻率時(shí)，隨著表層土壤厚度的增加，管道沿線電流密度呈減小趨勢(shì)。但總體來說，表層土壤厚度變化對(duì)管道沿線電流密度的大小影響較小。