Effect of grounding grid of power transmission line on buried pipeline under short circuit fault
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摘要: 为了研究输电线路故障运行时, 接地点短路电流对管道的电磁干扰程度, 利用防雷接地分析软件CDEGS建立了输电线路杆塔接地网与埋地管道模型, 计算分析了不同短路电流幅值、土壤电阻率、管道间距下管道冲击电压的变化规律。提出了两种新型管道防护措施: ①通过改变#形和方框射线形接地网形状参数, 计算分析了管道冲击电压的变化规律, 其表明接地网形状对接地电阻影响很大, 接地电阻越大, 管道冲击电压越小; ②沿管道敷设非金属屏蔽线(柔性石墨复合接地材料), 对管道进行过电压防护, 可以有效降低管道冲击电压, 对管道起到保护作用。研究结果可为油气管道设计施工及安全防护提供参考。
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关键词:
- 交流输电线路 /
- 石墨复合接地网 /
- CDEGS /
- 柔性石墨复合接地材料
Abstract: In order to study the electromagnetic interference of the short-circuit current of grounding point when power transmission line is in fault operation, a model for grounding grid of transmission line towers and buried pipelines was established with the lightning protection and grounding analysis software CDEGS. In the model, the variation rules of pipeline surge voltage were analyzed at different short-circuit current, soil resistivity and pipeline spacing. Two new protective measures for pipelines were proposed. ① The variation rules of pipeline surge voltage were calculated and analyzed by changing shape parameters of grounding grid with shapes of # and square ray. The shape of grounding grid has great influence on grounding resistance, i.e., the bigger the grounding resistance, the smaller the surge voltage. ② Non-metallic shielded wire(flexible graphite composite grounding material) was buried along pipelines to protect pipelines with over voltage. The results show that non-metallic shielded wire could effectively reduce the surge voltage and protect pipelines. The research results could provide reference for design, construction and safety protection of oil and gas pipelines. -
随着国民经济的不断发展，电力、燃油、天然气等能源需求日益增长，国家战略能源通道建设也在飞速发展[1]。由于中国资源分布不均匀、地形复杂、建设用地紧张，电力设施与管道设施在建设选址原则上十分相近，因此会不可避免地出现高压输电线路与埋地金属管道的“公共走廊”[2-4]，高压交流输电线路与管道间的电磁干扰问题日益突出[5-6]。
当交流输电线路发生接地故障时(其中单相接地故障占70%)[7-8]，故障电流一部分经架空地线回流，另一部分经杆塔接地装置流入大地[9-11]。由于故障电流幅值是正常相线电流的数倍，因此一部分故障电流会在其周围空间产生一个巨大的交变磁场，在管道上产生感应电压[12-13]；另一部分故障电流经杆塔接地装置流入大地，在土壤中向无穷远处扩散，使附近地电位抬高，对管道产生阻性耦合干扰[14-16]。两者共同作用造成了管道附近区域管地电位的变化，在管道涂层两侧产生电位差，当电位差超过涂层冲击电压时，会击穿涂层，加速管道腐蚀，严重时会引起管道爆炸[17-19]。
以下通过电力系统防雷接地仿真计算软件CDEGS，计算输电线路发生单相接地故障时邻近管道在不同条件下产生的冲击电压。通过改变接地装置参数、敷设柔性石墨复合接地材料[20]，研究交流输电线路对管道干扰的缓解效果。
1. 模型设置
1.1 输电线路模型
以500 kV高压单回交流输电线路单相接地发生短路故障为例，正常相运行电流取1.5 kA，线路与管道平行长度5 km，线路档距400 m，短路故障点位于A相中点位置，单相短路电流15 kA。图 1为500 kV交流输电线路A、B、C三相电流及短路点两侧线路电流分布图，图 2为高压输电线路杆塔结构示意图。
1.2 管道及接地网模型
选取中国典型油气管道作为管道参数(表 1)。输电线路杆塔接地网分别取常见的#形接地网(图 3, D#为#形接地网与油气管道间距，Lf#为#形接地网方框长度，Ls#为#形接地网射线长度)和方框射线形接地网(图 4, Df为方框射线形接地网与油气管道间距，Lf为方框射线形接地网方框长度，Ls为方框射线形接地网射线长度，模型中射线与方框边缘成45°向外延伸)，接地网采用直径28 mm的柔性石墨复合材料，其埋深1 m，由4根垂直引下线与杆塔连接。
表 1 中国典型油气管道参数
2. 仿真与计算
采用#形接地网仿真模型进行计算，接地网方框长度Lf#=12 m，接地网射线长度Lf#=10 m，杆塔接地网与管道间距D#=50 m，管道参数取表 1数据。
2.1 土壤电阻率的影响
假定其他条件相同，求得土壤电阻率分别为300Ω·m、500Ω·m、1 000Ω·m时管道涂层的冲击电压(图 5)。管道涂层冲击电压随着土壤电阻率的增大而显著增大。这是由于故障电流在土壤中产生的磁场镜像位置随土壤电阻率的增大而加深，镜像电流产生的磁场对相电流产生的磁场的抵消作用减小，两者共同作用产生的综合磁场增大。同时，土壤电阻率越高，故障电流在土壤中散流的阻碍越大，电流在土壤中产生的电位梯度越大。相对而言，管道防腐层冲击电压增大。因此，在实际工程中，土壤电阻率较小的地区管道所受冲击电压的影响也相应减小。
2.2 输电线路与管道间距的影响
将输电线路与管道并行区域土壤电阻率设置为800Ω·m，求得输电线路与管道间距分别为100 m、200 m、500 m时管道涂层的冲击电压(图 6)。可见，当输电线路发生单相短路故障时，涂层冲击电压随着间距的增大而显著降低。因此，设计输电线路和埋地管道时，应适当增大电力线路与管道的间距，可有效减小输电线路与管道间的电磁干扰。
2.3 输电线路短路电流的影响
在CDEGS软件中设置土壤电阻率为500Ω·m、输电线路与管道间距为100 m，求得短路电流分别为9 kA、12 kA、15 kA时管道涂层的冲击电压(图 7)。可见，涂层冲击电压随着短路电流的增大而显著增大。这是由于随着短路电流幅值的增大，其周围磁场强度增强，该磁场使邻近管道的感应电压增大，短路入地电流增大，阻性耦合作用增强，在管道上产生一定电位升，两者共同作用造成管道涂层冲击电压增大。
3. 管道防护措施
目前，中国常采用改变杆塔接地电阻、沿管道敷设缓解线等方式来减少输电线路对管道的干扰。
3.1 不同外延射线长度对管道的电磁干扰
利用CDEGS软件，按照图 3和图 4建立仿真模型，土壤电阻率取300Ω·m，其他参数保持不变。表 2列出了#形和方框射线形接地网不同外延射线长度对管道的故障干扰。为了对比相同间距条件下，两种类型接地网对管道的电磁干扰程度，方框射线形接地网射线长度取#形接地网射线长度的
表 2 两种接地网不同外延射线长度下的涂层冲击电压
随着接地网射线的增长，接地电阻随之减小，涂层冲击电压逐渐增大。这是由于经过接地网入地的故障电流随接地电阻的减小而增加，导致经由地线回流的电流减少，地线对相线的屏蔽效应减弱，增强了故障相中电流对管道的感性耦合作用。同时，由于经接地网的入地电流增加，输电线路对管道的阻性耦合作用增强。
3.2 敷设柔性石墨复合接地材料
目前，对管道强电防护的措施很多，国内外最常采用的方法是在输电线路与管道之间沿管道内侧敷设缓解线。考虑成本与腐蚀问题，常常采用柔性石墨复合接地材料作为缓解线代替裸铜线。采用方框射线形接地网仿真模型，射线长度14.14 m，与管道间距10 m，缓解线敷设在管道内侧1 m处。对于不同条件下的管道并行区域，缓解线长度应存在理论最佳值，可根据公式(1)进行估算：
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2021/1/href="yqcy-40-1-39-E1.png")
(1) 式中：L为缓解线长度，m; r为管道与输电线路间距，m; t为管道埋深，m; dp为管道直径，m; dm为缓解线直径，m。
根据式(1)计算得到缓解线最佳长度为42 m。由管道敷设缓解线前后管道涂层冲击电压分布对比结果(图 8)可见：当输电线路与管道间距较小时，敷设柔性石墨复合接地材料前后，管道涂层冲击电压由16 kV降至10 kV。这是由于柔性石墨复合接地材料具有良好的接地效果，管道相当于小电阻接地。当输电线路发生故障时，故障电流经接地网入地，地电位迅速升高，当石墨复合接地材料与管道连接后，部分故障电流经缓解线进入管道的阻抗减小，流经石墨复合接地材料进入管道的故障电流增多，经过大地回路的故障电流减小。这提高了管道电位，降低了管道表面地电位，管道涂层电位差减小，涂层冲击电压随之降低。可见，在管道内侧敷设石墨复合接地材料能够对管道起到防护作用。
4. 结论
(1) 管道涂层冲击电压随着土壤电阻率的增大而显著增大，因此在实际工程中，应尽量选择土壤电阻率小的地区敷设管道。
(2) 管道涂层冲击电压随着管道与输电线路间距的增大而减小，在输电线路与埋地管道施工设计时，应适当加大电力线路与管道的间距。
(3) 管道涂层冲击电压随着短路电流的增大而增大。
(4) 两种类型接地网增加射线长度均可降低接地电阻，管道涂层冲击电压随着接地电阻的增大而减小，但考虑到防雷要求，不应大范围增大杆塔接地电阻。
(5) 采用柔性石墨复合接地材料代替裸铜线，有效降低了管道涂层冲击电压，能够对管道起到防护作用，可为输电线路附近管道的过电压防护提供参考。
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