輸電線路雷擊接地散流與附近管道過電壓防護研究

高曉東， 安韻竹， 畢斌， 牛景光， 咸日常， 韓正新

(1. 國網山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250118；2. 山東理工大學電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049；3. 國網山東省電力公司淄博供電公司，山東 淄博 255030)

0 引言

由于我國輸電線路架設走廊占地面積較大，架空線路沿途與石油天然氣行業的油氣管道時有臨近和交叉，輸電線路和油氣管道“兩線一地”(即輸電線路與油氣管道在同一架設走廊敷設)帶來的電磁干擾問題日益突出[1—3]，管道安全運行與防護問題愈發受到關注[4—5]。輸電線路對埋地油氣管道的電磁影響主要包括感性、阻性耦合2個方面。不同于正常工況下的感性耦合，雷擊時阻性耦合占據主導作用[6]，大部分雷電流沿著距離雷擊點最近的桿塔及其接地網流入大地，不僅會在桿塔附近的土壤中形成地電位升，還會對臨近油氣管道產生強烈的電阻耦合干擾[7—8]。若油氣管道、外防腐層感應出較高的電壓，有可能造成局部防腐層缺陷，從而加速管道的腐蝕，嚴重時超過防腐層的耐受電壓安全限值，甚至可能擊穿防腐層并對管道本體造成損傷。

雷擊不僅是造成輸電線路故障的主要自然原因[9—10]，還會對臨近埋地管道產生威脅。但目前高壓輸電線路對埋地管道的電磁干擾研究多集中于正常運行工況下的穩態干擾和輸電線路發生故障情況下的干擾，有關雷擊線路的研究較少。此外，桿塔接地裝置可以將雷電流泄流入大地，是電力系統防雷接地的重要部分[11—12]。直流偏磁是接地體對附近電力設備的主要影響[13—15]。目前針對桿塔接地網雷電流散流過程對線路附近埋地管道雷電過電壓影響的研究較少，且主要考慮雷電流、檔距、管線間距對臨近管道雷電過電壓的影響[6，16—19]，未充分考慮桿塔接地網形狀對散流過程的影響。

文中主要研究桿塔接地網散流過程對輸電線路桿塔迫近埋地油氣管道的過電壓影響。通過仿真計算分析了“管-線”間距、地質條件及接地網形狀對輸電線路桿塔迫近油氣管道情況下管道雷擊過電壓的影響規律。相關結論可為共用走廊的管道-線路工程設計、施工與改造提供參考。

1 仿真模型及參數

雷電直擊輸電線路時，雷擊點一般位于距離輸電線路桿塔50 m的范圍內。文獻[6]研究了雷擊超高壓交流輸電線路對管道的電磁影響，結果表明，距離桿塔50 m范圍內，雷擊點對桿塔入地電流和避雷線分流基本無影響，且當管道十分接近輸電線路某一基桿塔時，分析管道上的電磁干擾可不考慮該線路其他桿塔的入地電流影響。因此文中設定油氣管道和輸電線路的間距為50 m。

利用電磁分析軟件CDEGS建立模型時忽略其他桿塔地網和地面以上部分，僅考慮1基桿塔的接地網和臨近管道。雷電流采用標準雷電流波形，即波頭時間為2.6 μs，半峰值時間為50 μs 。采用#字型接地網結構，如圖1所示，將其命名為#A型。LgA1為方框地網的邊長；LgA2為外沿線長度；Dg為臨近管道側接地體末端與管道之間的水平距離，管道由相對地網對稱的中心位置分別向兩側延伸2 km后遠離線路。具體參數為：接地體埋深0.8 m，LgA1=LgA2=18 m，材料為直徑10 mm的鍍鋅圓鋼，相對電阻率為109.7，相對磁導率為636；油氣管道埋深為2 m，外直徑為1 016 mm，壁厚為20 mm；外側防腐層厚度為3 mm，管道材料為低碳鋼，相對電阻率為100，相對磁導率為300，防腐層為3層聚乙烯結構(3PE)，電阻率為105Ω·m，相對介電常數為3。

圖1 #字型接地網與臨近管道模型Fig.1 # shaped grounding grid and closer pipeline module

2 Dg對防腐層感應過電壓Uci的影響

雷電流經桿塔入地會產生強烈的阻性耦合，由于地電場衰減速度很快，所以通常阻性耦合的作用范圍較小。因此，“管-線”間距Dg成為影響管道防腐層感應過電壓Uci的重要因素。為了分析Dg對Uci的影響，取管道周圍土壤電阻率ρ為200 Ω·m，Dg為5～80 m。不同Dg下，Uci沿線分布如圖2所示。文中所述Uci為管道防腐層感應過電壓的最大值。

圖2 Uci隨不同Dg的沿線分布Fig.2 Distribution of different Dg on Uci

由圖2可知，Uci沿線呈對稱分布，管道中心點處的Uci最高，由管道中心向管道兩側Uci逐漸降低。Dg對距桿塔接地網較近管道段的Uci影響非常大，Uci隨著Dg的增大而顯著減小。Dg由5 m增加至80 m時，Uci由107 kV降低至34 kV，降幅約68.22%。若采用3PE防腐層，其50%放電電壓為93 kV。若Dg過小，則Uci極可能導致防腐層損傷。增大Dg可以顯著降低Uci，是油氣管道過電壓防護的有效措施。另外，較高的感應電壓集中在管道中心及周圍區域，分析管道不同位置(距管道中心距離)的Uci隨Dg的變化規律，如圖3所示。

圖3 管道不同位置Uci隨Dg的變化Fig.3 Influence of Dg on Uci at different positions of pipeline

由圖3可知，距離管道中心越遠，管道段的Uci越小，且受Dg影響也越小。從管道中心向外延伸過程中，Uci降速很快，在距離中心0～300 m過程中，Uci從107 kV降低至約17 kV，說明雷擊對距雷擊點最近的管道段威脅最大，對遠處管道威脅較小。

3 地質條件對Uci的影響

地質條件是影響雷電流在大地中散流的重要因素之一，管道工程受雷電流沖擊的強烈程度因周圍地質環境而異。分析不同地質條件下的Uci，選取單層土壤模型進行仿真；ρ為50～1 500 Ω·m；Dg分別為5 m，20 m，35 m。不同地質條件下Uci計算結果如圖4所示。

圖4 單層土壤中Uci與ρ的變化關系Fig.4 Influence of single layer soilstructure ρ on Uci

由圖4可知，Uci隨著ρ的增大近似線性增長。這是由于ρ越高，其對雷電流向遠方散流的阻礙作用越強，管道防腐層外的電流密度越大，導致Uci升高。在ρ為1 500 Ω·m的極端土壤條件下，不同Dg的Uci高達631 kV，461 kV，364 kV，明顯超過了3PE防腐層的50%放電電壓93 kV。說明在較高ρ和較小Dg的情況下，管道防腐層易受雷電影響而損傷防腐層。

為了分析雙層土壤結構對Uci的影響，選取如表1所示的6種雙層土壤結構S1—S6。采用表1土壤結構參數，取Dg為20 m進行仿真。不同雙層土壤結構下，Uci的沿線分布如圖5所示。

表1 土壤結構參數Table 1 Soil structure parameters

圖5 Uci沿線分布與雙層土壤類型的關系Fig.5 Influence of two layer soil on Uci

由圖5可以看出，S1—S3結構中的Uci均高于S4—S6結構中的Uci，且隨著低電阻率土壤區域的擴大，結構中的Uci顯著降低。這是由于上、下層ρ差距非常大，S4—S6無窮大面積的優質土壤更有利于雷電流在大地中擴散，有效降低了雷電流對臨近管道的電磁干擾。實際工程中，當土壤的地表電阻率較高、深層電阻率較低時，可以通過鉆井構造垂直接地的方式，有效改善雷電流散流過程，從而降低Uci。

4 接地網形狀對Uci的影響

接地網是雷擊線路散流的重要裝置，影響桿塔的散流過程。改變接地體的結構會影響雷電流的泄散方向，若雷電流向遠離油氣管道方向泄散，則會降低Uci。為了研究桿塔接地網形狀對Uci的影響，對#A型接地網進行改造：把垂直朝向管道一側的2根接地體分別移至背側2根接地體末端，命名為#B型；在#B型基礎上再將平行于管道并且距離較近的2根接地體移至較遠的接地體末端并連接，命名為#C型，如圖6所示。

圖6 2種形狀接地網Fig.6 Two types of grounding grids

為了分析不同Dg下，3種桿塔接地網模型對輸電線路臨近Uci的影響，取LgA1，LgA2，LgB1，LgB2，LgC1，LgC2相等且均為18 m，ρ為200 Ω·m，Dg為5～80 m進行仿真計算。Uci的降壓效率為η，計算結果如圖7和表2所示。

圖7 3種接地網在不同Dg下的UciFig.7 Uci at different Dg underthree types of grounding grids

表2 不同Dg下#B型和#C型接地網的ηTable 2 η of grounding grids #B and #C under different Dg

由圖7和表2可知，Dg較小時3種桿塔接地網形狀對Uci的影響較為明顯，采用改變接地網形狀的方式可以在一定程度上降低Uci。但是隨著Dg增大，Uci趨近相同。這是由于ρ值較低，為200 Ω·m，雷電流在土壤中的散流良好，絕大多數的雷電流已通過土壤散流，桿塔接地網結構對散流的實際影響并不大，所以對Uci的降低效果不夠明顯。

為了分析ρ對Uci的影響，選取間距Dg為20 m，ρ為50～1 500 Ω·m，Uci計算結果如圖8和表3所示。

圖8 不同ρ下的UciFig.8 Uci under different ρ

表3 不同ρ下#B型和#C型地網的ηTable 3 η of grounding grids #B and #C under different ρ

由圖8和表3可知，#B型和#C型接地網對Uci的降低效果非常明顯。這是由于高電阻率土壤會極大地阻礙雷電流向遠方散流，該情況下電阻較低的金屬接地體為雷電流提供相對容易通過的路徑，#B型和#C型接地網將靠近管道的接地體移至較遠的位置，使得雷電流更少朝著管道方向擴散，從而降低Uci。在實際工程中，可以通過改變接地網形狀降低雷擊線路時的Uci。

計算不同ρ的接地網接地電阻，如表4所示。RA，RB，RC分別為#A型、#B型和#C型接地網的接地電阻。由表4可知，接地電阻值均滿足我國電力行業的規程要求。可見，改變結構后，接地電阻減小，接地網防雷性能提升。

表4 不同ρ下#B型和#C型接地網的接地電阻Table 4 Grounding resistance of groundinggrids #B and #C under different ρ

5 結論

文中采用CDEGS軟件搭建雷擊輸電線路時“管-線”電磁干擾計算模型，計算分析了雷擊線路時Dg、地質條件、接地網形式對臨近埋地油氣管道的暫態影響，得到如下結論：

(1) 雷擊輸電線路時，距離桿塔最近的管道段受電磁干擾影響最為強烈，從該位置向管道兩側方向的Uci迅速降低。

(2) 增大Dg可以顯著降低管道Uci，降低線路對管道造成的電磁干擾，是管道過電壓防護的有效措施。

(3) 單層均勻土壤條件下，Uci與ρ近似呈線性關系；雙層土壤條件下，Uci則隨著低電阻率土壤區域的擴大而減小。

(4) 將接地網中靠近管道的接地體移至遠離管道的一側可以降低Uci，Dg越小且ρ越高，則降低效果越明顯。