雷击输电杆塔时埋地管道感应电压的影响因素及防护措施

寇晓适， 李 纯， 李元杰， 文习山， 鲁海亮， 张 科， 董曼玲， 郭 磊

(1.国网河南省电力公司电力科学研究院，郑州450052；2. 武汉大学电气与自动化学院，武汉，430072)

0 引言

当雷电击中输电杆塔时，入地电流会抬升管道附近地电位，使管壁外侧电位高于内侧电位，而地线电流又会在空间电磁场的作用下，抬升金属管体的电位，使管壁内侧电位高于外侧电位。虽然两者造成的绝缘层电压极性相反，但在两者的综合作用下，防腐层仍可能承受较高的电压，使防腐层被击穿[1-3]，形成多个破损点，使泄漏电流增大，加速管壁金属的腐蚀。同时，雷电流会击穿接地导体周围的土壤，若击穿通道上存在易燃物质时，容易引发爆炸和火灾[4-5]。

雷击输电杆塔引起的管道安全问题已经引起了人们的重视，在多个管道工程中，均对雷击输电杆塔时，在附近管道防腐层上形成的冲击电压进行了核算[6-8]。采用电路模型计算杆塔附近管道的电磁干扰[9-10]，具有建模简单，计算速度快的优点，但在计算中空间电磁场被假设为TEM波，而实际雷击杆塔时，空间的电磁场分布复杂，继续采用电路模型难以反映真实的情况，因此主要利用空间电磁场的数值计算方法来研究防腐层上的电压问题[11-13]。为了降低防腐层上的电压，则主要采用排流带进行防护[14]，也有学者提出通过外延杆塔接地装置射线的方法[15]。

本研究采用频域矩量法结合时频转化的计算方法，给出了土壤电阻率、管道尺寸、防腐层电阻率和防腐厚度及管道与线路的间距对防腐层电压的影响。然后对管道的防护措施进行了计算，对排流带的布置方式和杆塔接地装置的结构进行了研究。

1 雷击输电杆塔时附近管道电位计算

1.1 计算模型

由于雷电流每经过一个档距，就会有部分电流从途经的杆塔流入大地，在经过约5个档距后，地线上的雷电流几乎可以忽略[16]。因此，在在遭受雷击杆塔顶部施加100 kA的1.2/50 μs电流激励，两侧各取10基杆塔。埋地管道长50 km，与线路平行3 km，间距为30 m，如图1，模型的参数见表1，土壤电阻率为1 000 Ω·m。

图1 仿真模型示意图Fig.1 Schematic diagram of simulation model

表1 模型参数Table 1 Model parameters

利用Fourier正变换，将时域的电流波形转化为频域响应：

(1)

式中：ω为角频率；I(ω)为频域雷电流。

导体线电荷和轴线电流在空间产生的散射电场强度为

ES=-jωA-▽φ

(2)

式中：A为轴向电流产生的矢量磁位；φ为导体表面线电荷产生的标量电位。

计算导体对象总共分为n段，则有：

(3)

式中：Uj和Ii分别为第j段导体中点的电位以及第i段导体上的电流；式(3)可改写为矩阵形式：

Z-1U=I

(4)

因为注入导体段的电流向量I已知，通过式(4)可求出其他未知电流和支路电压，得到空间的电磁场场分布。最后通过Fourier反变换，求得时域中的电压：

(5)

式中：U0(ω)为单位电流源产生的频域中的标量电压。

1.2管道电位

管道防腐层两侧的电位存在区别，一侧是金属管道的电位，另外一侧是防腐层接触土壤的电位，在本研究中用防腐层电位来指代，因此防腐层承受的电压应为两者的差值。计算得到管道防腐层电位和金属电位的瞬态峰值沿线分布见图2，防腐层电压瞬态峰值的沿线分布见图3。离雷击点最近的管道段受到的影响最大，管道电位和防腐层电压随着远离雷击点的方向迅速减小。

图2 管道沿线防腐层电位及金属电位Fig.2 Coating potential and metal potential along the pipeline

图3 防腐层电压沿线分布Fig.3 Coating voltage along the pipeline

以距离雷击点最近处的管道段为例，仿真得到防腐层电位、金属电位和防腐层电压的时域波形见图4。可知，防腐层电压最大值出现的时刻要晚于防腐层电位和金属电位最大值出现的时刻。

图4 防腐层电位、金属电位和防腐层电压波形Fig.4 Waveform of coating potential, metal potential and coating voltage

2 防腐层电压的影响因素

2.1 土壤电阻率的影响

分别计算了土壤电阻率在100～2 000 Ω·m变化时的防腐层电压，计算结果见图5。随着土壤电阻率的增加，管道沿线防腐层的电压也会逐渐增加并趋于饱和。

图5 防腐层电压随土壤电阻率的变化Fig.5 Variation of coating voltage with soil resistivity

2.2 管道与输电线路间距的影响

实际工况中，管道与输电线路平行时的接近距离不尽相同，为了分析管道与输电线间距对防腐层电压的影响，笔者以30～200 m的范围内选择了6组数据，分析管道与输电线路间距对防腐层电压的影响，计算结果见图6。随着管道与输电线路间距的增加，管道防腐层电压有明显的降低，当间距从30 m增加到200 m后，防腐层电压最大值从58.48 kV下降到了7.52 kV，下降了87%。

图6 防腐层电压随间距的变化Fig.6 Variation of coating voltage with distance

2.3 管道尺寸的影响

对于实际工况，管道的尺寸是多种多样的，笔者选取了几种典型的管径，来研究管径对防腐层电压的影响，计算结果见图7。管道半径越小，防腐层电压越大。这是因为半径的减小导致了表面积的减小，使泄漏电阻增大。

图7 防腐层电压随管道半径的变化Fig.7 Variation of coating voltage with pipeline radius

2.4 防腐层的影响

埋地管道防腐层面电阻率能较好的反应其质量及老化状况，以管道上常用的3PE防腐材料为例，由于加工工艺的差别和运行年限的增加，材料面电阻率达不到标准要求的105Ω·m2。本研究以102Ω·m2、103Ω·m2、105Ω·m2以及完全绝缘这4种情况为例，计算结果见图8。防腐层电压随防腐层电阻率的增大而增加。这是因为防腐层电阻率越低，电流就越容易流入到管道内部，使得管道金属电位增加而防腐层电位下降，造成防腐层电压的下降。

图8 防腐层电压随防腐层电阻率的变化Fig.8 Variation of coating voltage with coating resistivity

以3PE材料为例，在面电阻率保持一定的情况下(105Ω·m2)，选取1～4 mm厚度范围内的防腐层来研究防腐层厚度对防腐层电压的影响，计算结果见图9。在防腐层面电阻率保持不变时，随着防腐层厚度的增加，管道防腐层电压以近似于线性的趋势增加，当厚度从1 mm增加到4 mm后，防腐层电压增加了147%。分析其原因可知，在面电阻率一定时，增加防腐层的厚度虽然不会增加管道的泄漏电阻，但防腐层厚度的增加会减小防腐层的电容值，增大防腐层的电抗值，导致了防腐层电压的增大。

图9 防腐层电压随防腐层电阻率的变化Fig.9 Variation of coating voltage with coating thickness

3 雷击输电杆塔对埋地油气管道安

全影响的防护措施

3.1 接地排流防护

以管道与输电线路平行时为例，计算在管道上并联铜排的防护效果。其中，管道的半径设定为203 mm，土壤电阻率为600 Ω·m，管道与输电线路的平行接近距离为8 m，防腐层材料为3PE。

在雷击点对应的位置，将一根长200 m，半径1 cm，埋深1.5 m的铜排通过固态去耦合器与管道连接，固态去耦合器的一端与管道的金属部分焊接在一起，焊接处重新敷设防腐层，另一端通过电缆与铜排相连。计算得到安装铜排前后，管道防腐层电压的变化，结果见图10和图11。

图11 管道沿线防腐层电压Fig.11 Voltage of anticorrosive coating along pipeline

在管道上安装了铜排以后，由于铜排的存在，降低了地中场强，且将地中的高电位引入到了管道内部，使防腐层电位降低，同时增大了金属电位。而管道防腐层电压取决于防腐层电位和金属电位之间的差值，两者的逆向变化，就使得防腐层电压出现了明显的降低。在连接了铜排以后，管道并联段的防腐层电压最大值会有明显的降低，降幅达到了57.05%。

以下分析铜排与管道连接点个数、铜排长度、铜排与管道间距和铜排埋深等因素对防护效果的影响，计算结果见表2～表5。

表2 铜排与管道连接点个数对防护效果的影响

表3 铜排长度对防护效果的影响Table 3 Influence of copper bar’s length on protection effect

表4 铜排与管道间距对防护效果的影响Table 4 Influence of spacing between copper bar and pipe on protection effect

表5 铜排埋深对防护效果的影响Table 5 Influence of copper drainage depth on protection effect

由计算结果可知不同连接数量下的防护效果依次是三点连接>单点连接>两点连接>无连接。当铜排不与管道相连时，其只能起到降低防腐层电位的作用，无法抬升管道金属电位，因此该防护效果最弱。两点连接的防护效果低于单点连接和三点连接是因为，铜排是在端部与管道相连接，在距离雷击点最近处并未连接，导致雷击点附近的防护效果较弱。实际应用时，建议采取三点连接的方式，虽然单点连接的防护效果与三点连接的效果差别不大，但考虑到金属存在腐蚀的现象，一旦连接点腐蚀断裂，则防护效果将会大为减弱，因此建议多点连接。

并联铜排的长度并不是越长越好，当铜排长度超过200 m后，继续增加铜排长度带来的防护效果增益不明显。这是因为，增大铜排的长度会使得铜排回路电阻和管道回路电阻的比值一直减小，当铜排的回路电阻小于管道的回路电阻时，更多的电流会通过铜排重新流入大地，导致防腐层电位的减小幅度和金属电位的增大幅度减小，防腐层电压呈现重新增大的趋势。

铜排与管道的距离越近防护效果越好，这是因为，距离越近越有利于降低管道防腐层外侧的电位。但铜排与管道的间距对防护措施的影响较小，实际中，可以根据现场的地形，以方便现场施工为准则合理选定铜排与管道的间距。

当铜排与管道的埋深相同时防护效果最好，但整体而言铜排埋深对防护效果的影响较小，为了减小现场施工的开挖量，建议将铜排浅埋。

3.2 改变杆塔接地装置的结构

通过改变管道穿越输电线路处故障杆塔接地装置的结构，研究接地装置结构对防腐层电压的影响。杆塔接地装置见图12，射线初始长度为20 m。管道的半径设置为203 mm，管道与接地装置末端和中心点的初始距离分别为5 m和16.5 m。

图12 计算模型Fig.12 Calculation model

为了降低管道防腐层上产生的电压，在保持靠近管道侧接地装置的接地电阻不变的情况下，通过增加缩短长度L1，同时增加远离管道侧的增加长度L2，以使雷电流向远离管道的一侧散流，起到降低管道防腐层电压的目的，L1和L2的具体取值见表6。

表6 接地装置不同结构取值

接地装置不同结构下对管道防腐层电压的防护效果，结果见图13。在不改变接地装置的接地电阻的前提下，缩短靠近管道侧的射线长度，可以有效地缓解防腐层上产生的电压，当缩短长度L1大于5 m时，管道防腐层电压已低于其击穿电压，且靠近管道侧的射线长度越短，防腐层上产生的电压越小，型式1对应的防腐层电压降幅为44.8%。因此，当管道穿越输电线路且间距不能满足安全距离的要求时，可以通过缩短靠近管道侧射线长度并增加对侧射线的长度的方式来进行防护。

图13 接地装置不同结构的防护效果Fig.13 Protection effect of different structure of grounding device

4 结论

本研究计算分析了防腐层电压的影响因素和防护措施，得到以下主要结论：

1)防腐层电压与土壤电阻率、防腐层面电阻率和防腐层厚度呈正相关，且随着土壤电阻率和防腐层面电阻率的增加管道防腐层电压趋于饱和；防腐层电压与输电线路到埋地管道的间距和管道半径呈负相关，即间距越大，管径越大，防腐层电压越低。

2)在管道旁并联裸铜排后，管道防腐层电压降幅可达57%，建议在铺设铜排时，缩短铜排与管道的距离并多点连接，可取得更好的防护效果。

3)改变接地装置的结构，通过减小管道方向的射线长度和增大背离管道方向的射线长度，在保持接地装置位置和接地电阻不变的前提下，能增加管道与输电线路的电气距离，防腐层电压降幅可达44.8%，具有较好的防护效果。