輸電線路短路電流對埋地管道電位抬升及抑制方法研究

段紹輝,宗偉,周靈杰,阮江軍,黃道春,陳輝榮

(1.深圳供電局有限公司,廣東 深圳 518010; 2.武漢大學 電氣與自動化學院,武漢 430072)

0 引 言

隨著我國新型城鎮化的快速發展,以前人煙稀少的地區現在可能成為新的工業區或居民區,導致出現高壓輸電線路與埋地輸油輸氣管道接近和交叉跨越的情況,而高壓輸電線路在發生接地短路故障時在埋地金屬管道上產生的電位抬升會對管道安全產生危害[1-2]。以深圳為例,深圳電網范圍內110 kV～500 kV高壓輸電線路與埋地油氣管道存在96處臨近或交叉跨越,其中按照GB 50545—2010《110kV～750kV架空輸電線路設計規范》可知,有34處不滿足間隔距離要求,輸電線路對埋地油氣管道的電磁影響問題日益凸顯。

當輸電線路發生接地短路故障時,一部分故障電流通過桿塔接地網入地,對埋地金屬管道產生阻性耦合影響;另一部分通過架空地線分流,架空地線、導線中流過的電流對埋地金屬管道產生感性耦合影響。感性耦合與阻性耦合綜合向量即輸電線路發生接地短路故障時短路電流在金屬管道上產生的電位升,而金屬管道與相鄰大地間的電位差即管道防腐層的耐受電壓[3-4]。在桿塔接地網處,由于故障入地電流導致接地體周圍大地電位大幅抬升,而管道防腐層的存在使得金屬管道電位相對較低,即此時臨近桿塔接地網的管道防腐層將耐受極大電壓。特別是當管道防腐層存在凹凸、破損等缺陷時,此電壓可能擊穿防腐層從而使金屬管道與大地腐蝕介質接觸,危害管道安全[5-7]。

國內外在輸電線路對臨近埋地油氣管道的影響方面已開展了大量研究工作[8-19],并制定了相應的電磁影響限值標準[20-23],但研究多基于路模型,當埋地管道與桿塔相鄰較近時采用等效路的方法使得計算結果存在較大誤差。且文獻中提出的管道電位升抑制方法大多集中于在管道上增設排流措施,投資大且不切實際。

文中采用CDEGS軟件建立架空導/地線-桿塔-接地網-埋地管道一體化電磁場模型,該可以考慮輸電線路發生接地短路故障時,故障電流在架空地線上的分流以及通過接地網在大地中散流的過程,計算分析了輸電線路與埋地管道臨近距離、交叉角度、土壤電阻率、管道參數等因素對金屬電位及防腐層耐受電壓的影響,并研究管道電位升抑制方法,可為電力部門與石油管道部門提供安全防治參考。

1 架空導/地線-桿塔-接地網-埋地管道一體化模型

1.1 輸電線路模型的建立

以深圳某220 kV輸電線路桿塔為例,在CDEGS中建立實際桿塔模型,按照桿塔幾何結構尺寸,采用等周長法按照1:1比例將50 mm×50 mm×7 mm的L型角鋼等效為半徑15 mm的圓柱形導體,忽略桿塔橫元、豎元以及斜元,如圖1所示建立簡化桿塔模型?？紤]到輸電線路發生單相接地短路故障時故障相電流為非故障相電流的十幾倍至數十倍,因此基本可以忽略非故障相導線對埋地管道的影響,在模型中僅建立一相導線。通過架空地線連接各基桿塔,桿塔接地裝置采用根開加射線的形式布置,構建起架空導/地線-桿塔-接地網的一體化模型。

圖1 典型桿塔模型示意圖

該模型中線路總長32 km,桿塔共計建立81基,檔距400 m,塔高40 m,故障相導線對地高度25.87 m,架空地線兩端入地并連接0.5 Ω變電站地網等值電阻。接地網為方框10 m,射線15 m圓鋼接地網,相對銅的電阻率為10,磁導率636。當地土壤電阻率取300 Ω·m。通過在導線兩端施加工頻電流并在故障點桿塔采用短導體連接導線與架空地線模擬單相接地短路故障,如圖2所示。

圖2 架空導/地線-桿塔-接地網一體化模型示意圖

當在第10#桿塔發生單相接地短路故障時,導線兩端注入工頻1 kA的電流,計算得到故障點桿塔通過接地網流入大地的電流為120.42 A,架空地線分流系數0.88,與GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設計規范》中含兩條避雷線輸電線路單相接地短路故障分流系數推薦值接近。

1.2 埋地管道模型的建立

根據深圳市220 kV濟騰甲線10號塔臨近埋地燃油(氣)管道輸電線路桿塔實地調研,該處管道參數如表1所示,金屬管道相對電阻率10,相對磁導率300。管道在建設時采用分段犧牲陽極的鋅帶排流裝置,鋅帶通過電纜與管道相連,通過自身優先發生解離,從而抑制金屬管道的腐蝕[12],管道模型如圖3所示。

表1 埋地管道參數表

圖3 埋地管道模型示意圖

1.3 輸電線路接地短路對埋地管道電磁影響分析模型

綜合以上輸電線路模型與埋地管道模型,建立輸電線路發生接地短路故障對埋地管道電磁影響分析模型,如圖4所示。管道建模長度20 km,中間段與線路平行長度2 km,隨后逐漸遠離線路,平行段與接地體臨近距離為5 m。若在線路正中間桿塔處發生接地短路故障,在故障相兩端注入1 kA工頻電流,得到管道平行段電位分布如圖5所示。

圖4 輸電線路接地短路對埋地管道電磁影響分析模型

圖5 管道電位沿線分布

其中導體段金屬GPR即為金屬管道電位升,涂層GPR為防腐層外側大地電位升,涂層耐受電壓是金屬管道電位與防腐層外側大地電位差值的絕對值,即防腐層耐受電壓。

由于短路點桿塔位于管道平行段的中點,此處桿塔接地網入地電流最大,因此在管道中間處阻性耦合電壓最大,同時故障桿塔處避雷線流過的電流最大,在管道中間點感性耦合最強,導致管道中點阻性耦合電壓與感性耦合合成向量最大,從而金屬管道電位最大值出現于中點處。隨著與故障點距離增大,線路對管道的阻性耦合與感性耦合減弱,且由于排流裝置的存在,金屬管道電位急劇下降。經過管道平行段與遠離線路段的拐點處,金屬管道電位減小幅度進一步增大。直至管道距離線路足夠遠時,金屬管道電位減小趨勢逐漸趨于平緩。

2 輸電線路接地短路故障對埋地管道電位升影響計算

2.1 線路與管道臨近距離對管道電位升影響

輸電線路與埋地管道平行接近,中間桿塔處發生接地短路故障,管道與桿塔接地體在不同間距情況下,金屬管道電位峰值與防腐層耐受電壓峰值情況如圖6所示?？梢钥闯?隨著臨近增大,管道逐漸遠離輸電線路,此時管道所受的電磁干擾減小。金屬管道電位升與防腐層電壓變化趨勢相同,但防腐層耐壓值隨臨近距離增大其減小幅度更明顯,在土壤電阻率取300 Ω·m,此模型下在臨近距離為7 m時管道電位升與防腐層耐壓值近似相等。

圖6 管道峰值電位隨間距變化關系

在臨近距離為1 m時,管道電位峰值為1.73 kV,防腐層耐壓峰值2.50 kV;在臨近距離為5 m時,管道電位峰值為1.63 kV,防腐層耐壓峰值1.81 kV;根據GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》可知,220 kV輸電線路桿塔接地體與管道臨近距離為5 m,若實際桿塔接地體與管道臨近距離僅1 m,此時管道上電位升是國家標準規定距離下電位升的106%,防腐層耐壓是國家標準規定距離下電壓值的144%,可以看出臨近距離對防腐層耐壓的影響相對嚴重。

鑒于國家標準GB 50545—2010中對于輸電線路桿塔接地體與管道臨近距離在施工空間充足情況時,臨近距離要求不小于桿塔塔高,施工空間受限時,220 kV線路臨近距離不小于5 m。因此,在設計輸電線路時需嚴格調研擬規劃地區地下管線,盡量避開管線走廊。對于已建工程,則需針對輸電線路桿塔施加管道電位升的抑制措施降低管道所受電磁影響。

2.2 線路與管道交叉角度對管道電位影響

管道與線路交叉示意圖如圖7所示。

圖7 管道與線路交叉示意圖

其中d為故障桿塔接地體至埋地管道最短距離,α為線路與管道交叉角度。保持雷擊桿塔接地體至埋地管道最短距離d為5 m不變,改變兩者交叉角度α。管道與線路交叉角度變化下管道電位分布如圖8所示,跨越角度為30°時,管道電位峰值為522.5 V,防腐層耐壓峰值1 961.5 V;跨越角度為60°時,管道電位峰值為454.3 V,防腐層耐壓峰值1 476.5 V。在僅考慮跨越角度30°、45°、60°、90°時,在30°情況下金屬管道電位與防腐層耐受電壓達到最大,在60°時最小。整體幅值順序為E30>E45>E90>E60,隨交叉角度增大管道電位升呈現先減小后增大趨勢。

圖8 管道與線路交叉角度變化下管道電位分布

因此,線路與管道在交叉角度小時管道電位升更大,驗證了GB/T 21447《鋼質管道外腐蝕控制規范》中高壓交流輸電線路與埋地管道間交叉角度不宜小于55°的規定。

2.3 土壤電阻率對管道電位影響

輸電線路與埋地管道相互平行,兩者相距5 m。分別取土壤電阻率100 Ω·m、300 Ω·m、500 Ω·m、1 000 Ω·m、2 000 Ω·m進行計算。圖9給出了管道峰值電位隨土壤電阻率變化關系。

圖9 管道峰值電位隨土壤電阻率變化關系

可以得出:隨著土壤電阻率的增大,管道電位也相應變大。在土壤電阻率為100 Ω·m時,金屬管道電位峰值為881.25 V,防腐層耐壓峰值1.005 kV;在土壤電阻率為1 000 Ω·m時,金屬管道電位峰值為2.87 kV,防腐層耐壓峰值3.47 kV;土壤電阻率1 000 Ω·m相對100 Ω·m管道金屬電位升增大226%,防腐層耐受電壓增大244%,增幅顯著。通過對深圳城市地區300多基輸電線路桿塔調研可知,81%桿塔所在地表層土壤電阻率在50 Ω·m～500 Ω·m區間,15%桿塔表層土壤電阻率在500 Ω·m～1 000 Ω·m間,僅4%桿塔表層土壤電阻率大于1 000 Ω·m。因此,若考慮最大限度降低線路故障對管道的干擾,在設計輸電線路時可盡量走低土壤電阻率走廊。若線路與管道工程已建成,則考慮在接地裝置改造時將接地體引向土壤電阻率小的地方,同時可利用城市建筑地網散流,即將接地體朝向建筑進行敷設。

2.4 管道參數對電位影響

輸電線路與埋地管道相互平行,兩者相距5 m。管道埋設深度分別取1 m、2 m、3 m、4 m、5 m,管道峰值電位隨埋深變化如圖10所示。管道電位隨埋深增大有一定減小,但減小幅度可忽略不計,埋深5 m相對埋深1 m的防腐層電壓降低5%,考慮到實際工程中管道埋深一般不超過5 m,因此基本可以忽略管道埋深對管道電位升的影響。

圖10 管道峰值電位隨埋深變化關系

保證管道埋深不變,改變管道外徑,分別計算外徑219 mm、408 mm、660 mm、813 mm、1 016 mm下管道電位峰值,計算結果如圖11所示。管道外徑為219 mm時,管道電位峰值為1.65 kV,防腐層耐壓峰值1.97 kV;管道外徑為1 016 mm時,管道電位峰值為1.62 kV,防腐層耐壓峰值1.73 kV;管道外徑219 mm時電位升是外徑為1 016 mm電位升的102%,外徑219mm時防腐層耐壓為外徑1 016 mm的114%,可以看出外徑對防腐層耐壓值影響更顯著。

圖11 管道峰值電位隨外徑變化關系

3 實際輸電線路管道電位升抑制方法研究

3.1 線路桿塔環境

以深圳電網220 kV濟騰甲線為例,進行管道電位升抑制措施工程設計。220 kV濟騰甲線10號塔位于高速公路旁,線路桿塔周圍環境如圖12所示。鄰近埋地金屬管道為深圳市燃氣集團股份有限公司管轄的燃氣管道,以26°角接近輸電線路并與線路平行長約600 m,隨后逐漸遠離線路;管道參數經調研外徑813 mm,埋深2 m,防腐層類型為3層PE,厚度為3 mm。實測得桿塔塔腳距離埋地管道22 m,而接地體與埋地管道距離最近處僅2 m,小于國家標準規定此電壓等級下臨近距離5 m的要求;該處桿塔土壤電阻率經測量為463.2 Ω·m。

圖12 線路桿塔周圍環境

3.2 抑制措施成效

主要考慮的抑制措施分為以下幾種,如圖13所示。

圖13 抑制措施示意圖

施加以上抑制措施后管道電位升計算結果如表2所示。

表2 施加各抑制措施管道電位計算結果

由表2可以看出,反向延長射線或增設垂直接地極時,桿塔接地電阻減小,此時故障入地電流增大,反而導致管道所受阻性耦合影響更加嚴重。通過增大接地電阻的方法可以抑制故障入地電流幅值從而降低管道電位升,但接地電阻的增大又會使桿塔防雷水平降低,從而增加桿塔遭受雷擊的風險,因此單獨延長射線的方法不可取。

增大架空地線的半徑可減小避雷線電阻從而使更多故障電流沿避雷線分流,這種方法通過增大避雷線分流系數使管道電位升得以限制。因此,在設計線路時在保證線路安全前提下選取半徑大的地線或光纖復合架空地線可使管道電位升得到抑制,但此方法對于已建工程投資太大,因此不可取。

在接地體與管道間布置高電阻率絕緣層可較大幅度降低防腐層耐受電壓,但其對于降低金屬管道電位幅并不明顯,且該措施需至少挖掘長40 m、深3 m、寬0.3 m的溝道進行絕緣層安置,投資大且實際操作不現實。

最有效措施是去除靠近管道一側的兩根射線,此時流向管道的故障電流大幅減小,從而使管道所受阻性耦合影響減小。去除靠近管道一側射線后,在剩余兩射線末端增補40 m長平行管道射線保證桿塔接地電阻不大于原來值,此時金屬管道電位相對無措施時降低22.7%,防腐層耐受電壓降低24.1%,兩者均降至國家標準規定距離計算值以下。根據桿塔所處位置來看,此改造措施擁有足夠的可施工空間。同時從投資經濟性角度考量,通常直徑為12 mm的圓鋼接地體材料價格為15 元/m,40 m材料費共計600元。2名工人2天即可完成40 m長溝渠的挖掘以及圓鋼接地體材料的敷設連接,以1人1天300元計,人工費共計1 200元。再計及其他材料運輸費等費用,每基桿塔的改造成本不超過3 000元,改造投資成本低。因此本措施為經濟有效的管道電位升抑制方法,具有普適性,適合在其他類似情況下的對桿塔接地裝置進行推廣改造。

4 結束語

(1)建立了架空導/地線-桿塔-接地網一體化分析模型,可考慮輸電線路發生接地短路故障時故障電流經架空地線的分流、經接地體在土壤中的散流過程。

(2)基于架空導/地線-桿塔-接地網一體化分析模型,研究了輸電線路發生接地短路故障埋地金屬管道電位升與防腐層耐受電壓計算方法,研究了不同因素影響下管道電位升變化規律。經計算分析可得:管道峰值電位隨著遠離故障桿塔而迅速降低;當輸電線路與埋地管道交叉跨越時,管道峰值電位隨著交叉角度的增大先減小后變大,在55°附近達到最小值;高土壤電阻率下短路電流向接地裝置散流困難,架空地線分流作用增強,隨著土壤電阻率的增大,管道電位也相應變大,故在選擇桿塔與管道布線位置時,可選擇土壤電阻率較低地區使兩者平行接近或交叉跨越。管道埋深、外徑的變化對管道金屬電位與防腐層耐受電壓影響較小,考慮實際工程中管道外徑與埋深變化范圍小,因此管道參數對金屬管道電位升與防腐層耐受電壓影響基本可以忽略不計。

(3)針對管道電位升的抑制措施開展討論,結果表明在管道與桿塔接地體臨近距離較近的情況下,采用延長管道與接地體間電氣距離,即通過接地裝置改造使接地體遠離管道是最有效、成本低、可操作性強的措施。其他抑制措施雖有一定降低管道電位效果,但大多投資大且不切實際。