金属管道附近电力杆塔混凝土桩基散流优化研究

2022-10-24姜志鹏董祥庆胡元潮崔洪刚

电瓷避雷器 2022年5期

姜志鹏,董祥庆,曾菲,胡元潮,袁驰,崔洪刚,刘雯

(1.国网湖北省电力有限公司鄂州供电公司，湖北鄂州436000； 2.山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博 255000)

0 引言

由于国土资源日益紧张，构建“综合能源走廊”已成为当下重要的发展模式，电能与其他能源的关联也更为紧密，油气金属管道与输电线路并行的情况也屡有发生[1]。当雷击输电线路时，杆塔附近土壤中会产生杂散电流，致使电力杆塔临近的金属管道感应出高幅值电压，进而危害油气金属管道的安全运行[2-3]。因此，需要针对临近金属管道的电力杆塔混凝土桩基的散流问题，提出一种金属管道过电压防护措施，减少雷击杂散电流对管道的侵蚀，为金属管道的可靠运行提供保障[4-5]。

对于金属管道附近电力线路的相关研究，国内多为输电线路对管道电磁干扰方面的研究，而在雷击线路情况下，电力杆塔的垂直散流特性以及雷击散流对管道影响的相关研究却较少。文献[6]研究了高压线路对地下输油管道中杂散电流的影响规律。文献[7]分析了特高压交、直流输电线路同走廊正常运行时对邻近埋地油气管道的交流腐蚀影响以及人身安全的影响。文献[8]利用数值模拟技术结合现场测试校正，预测了新建高压输电线路对管道的交流干扰程度，并根据管道周围环境特点设计了深井地床排流缓解措施。文献[9]针对不同的实际情况提出了不同的管道安全防护措施。综合目前研究文献，针对油气金属管道附近输电线路的设计、施工问题尚未提及，对输电线路杆塔建造时如何降低对附近金属管道的雷击风险缺少系统性的研究。

本研究采用有限元软件COMSOL Multiphysics对金属管道临近电力杆塔的柔性面状塔基外敷进行仿真计算。首先，基于单桩式塔基外敷，在塔基与管道不同距离d的条件下，分析了雷击杂散电流对管道过电压的影响。然后，通过改变塔基外敷方式，研究不同外敷半径和外敷面积下塔基的散流特性。最后，基于四桩式混凝土基础，提出两种塔基外敷建筑结构：逐桩外敷和四桩外敷。并与传统塔基外设人工接地体方案进行对比，通过改变土壤电阻率，研究金属管道附近电力杆塔的散流特性，以及雷击散流对管道的影响。

1 管道临近处塔基自然接地计算模型

1.1 钢管塔接地网模型

电力杆塔基础是输电线路的重要组成部分，杆塔基础中的钢筋作为自然接地极，当线路发生故障时，故障电流经过杆塔自然接地极进行垂直散流。对于杆塔基础临近的金属管道而言，部分杂散电流会导致管道上的电位发生变化，从而在管道绝缘层上产生较大的电位差。当绝缘层上的电位差超过其耐受值而发生击穿时，可能会导致金属管道中的油气泄漏等一系列危险事故的发生，严重威胁着油气管道的正常运行和人员的生命安全[10-11]。电力线路与金属管道并行分布实际场景及其模型见图1。

图1 电力线路与管道并行Fig.1 Power lines parallel to pipelines

输电线路钢管塔接地网一般包括水平与垂直接地体两种结构方式，其中，前者一般为人工开网接地沟敷设的接地散流装置，后者为钢管塔组建时混凝土桩基内部钢筋骨架金属材料[12]，见图2。一般情况下，钢管塔混凝土桩基内的钢筋导体包覆在混凝土介质中，由于混凝土电阻率超过上万欧姆·米，钢筋骨架导体的散流密度较低，这使得混凝土桩基内钢筋骨架垂直接地体接地电阻普遍偏高。当钢管混凝土桩基自身接地电阻不能满足要求时，需要人工开挖接地沟敷设水平接地体从而增加接地体的散流路径，降低钢管塔的接地电阻值，增加了输电线路耕地占用面积及施工成本。

图2 电力线路与管道并行架设模型Fig.2 Power line and pipeline parallel model

考虑到钢管塔传统桩基接地散流密度低的问题，笔者提出在钢管塔混凝土桩基外层敷设柔性导电材料的接地散流优化方案。新型柔性面状导电材料由高纯度鳞片石墨为基体导电材料，具有导电性能良好(其电阻率达到10-6Ω·m～10-5Ω·m级别)、易弯曲折叠、耐腐蚀、生产成本较低等特点。由其制成的接地材料降阻效果优于传统的钢接地材料[13]，柔性面状导电材料的结构见图3。

图3 柔性面状导电材料Fig.3 Flexible planar conductive material

1.2 仿真计算模型与参数

采用柔性面状导电材料外敷后，钢管塔混凝土桩基垂直接地仿真模型见图4。单个混凝土桩基半径为0.5 m，埋深为29 m。单桩内部有24根直径φ22 mm的钢筋组成垂直部分，其顶端沿着半径为0.39 m的圆环排列。将该部分等效为内半径0.38 m，外半径0.395 m的圆筒形垂直接地体，材料选取为钢。在塔基的外围间隔0.5 m处敷设柔性面状导电材料，其厚度为2 mm。

图4 桩基垂直接地模型Fig. 4 Vertical grounding model of tower foundation

钢管塔混凝土桩基与柔性面状导电材料采用接地引下线连接，桩基内部的钢筋骨架与外敷柔性面状电极共同构成了雷电流散流通道。本研究仿真计算所取的相关材料参数见表1。

表1 材料参数Table 1 Material parameters

计算模型取金属管道长度为200 m，对称分布在杆塔基础两侧，管道埋深为1.5 m，管道首尾两端各设置长度为1 m的排散杂散电流和阴极保护用的接地引流线，油气管道及绝缘层材料及尺寸参数见表2[14]。

表2 金属管道相关参数Table 2 Related parameters of metal pipes

2 不同“管-塔”间距下的管道过电压计算

为了更好的说明临近电力杆塔产生的杂散电流对管道过电压的影响，通过仿真计算对比采用塔基外敷和塔基加设人工水平接地体两种施工方法。水平接地体为“一”字型接地体，见图5，长度为10 m，埋深0.8 m。设置管道与塔基间的距离d(简称：管塔间距d)由20 m变化至120 m。雷电流幅值为10 kA，频率设置为10 kHz。

图5 单桩基人工接地施工方法Fig. 5 Artificial ground construction method for single pile foundation

采用有限元仿真计算软件，计算杆塔混凝土桩基与外延水平接地体的散流特性，同时计算杆塔接地散流对临近处油气管道电位分布的影响规律。仿真分别取管道与桩基的水平间距d为20 m和60 m，管道所在平面的电流密度分布情况见图6。

图6 管道所在平面的电流密度Fig. 6 Current density in the plane of the pipe

由图6可以看出：塔基周围的电流密度要高于管道周围的，且在管道首尾两端以及管道中部的电流密度要高于管道其他部分的。这是由于管道首尾两端的接地引流线，能够“吸引”更多的杂散电流。而管道中部由于靠近塔基更易受到杂散电流的侵蚀。对比图6(a)和图6(b)可得：当增大管道与塔基之间距离d时，塔基中钢筋的垂直散流对管道的影响将逐渐减小。

对上述现象进一步分析，通过仿真计算，管道电压和绝缘层耐受电压的峰值见表3和表4。

表3 不同间距d下的管道电压峰值Table 3 Peak voltage of the pipeline at different distances d

表4 不同间距d下的绝缘层耐受电压峰值Table 4 Peak voltage of insulating layer at different distances d

根据表3和表4计算结果可以得出：当增大管道与塔基间的距离d时，管道电压和绝缘层耐受电压峰值均随之减小。距离管道越远，数值减少趋势逐渐放缓。其原因是当“管-塔”间距逐渐增大时，参与导电的土壤介质随之增多，使流向管道的电流分量越来越少。此外，由于钢筋在垂直方向上的散流更为明显，对于管道所在平面而言，距离的增加使得垂直散流对其的影响逐渐减弱。因此，在二者距离逐渐增大的情况下，管道电压和绝缘层耐受电压的峰值会随之减小且减少趋势逐渐放缓。对比两种施工方式，塔基外敷的管道电压和绝缘层耐受电压峰均小于塔基敷设水平接地体的，尤其是在塔基距离管道较近时，二者的差距也更为明显。这说明相比于塔基加设人工接地体，基于柔性面状导电材料的塔基外敷，通过其垂直方向上的散流更为有效的降低管道过电压，降低管道绝缘层耐受电压值。此外，表4中管道表层绝缘层两侧耐受电压相比于管道电压幅值较低，远小于管道涂层材料109 kV的极限击穿电压[15]，在此雷电流幅值及接地散流方式下，金属油气管道的绝缘层发生击穿的概率相对较低。

对不同距离下两种施工方法的接地电阻进行仿真计算，其结果见表5。由表5可以看出塔基有外敷的接地电阻明显小于加设人工水平接地体的接地电阻值。在土壤电阻率为300 Ω·m的条件下，钢管塔桩基外敷的接地电阻约为5.9 Ω，而塔基加设人工接地体的接地电阻却已经达到了15.1 Ω左右。由此说明，塔基外敷下的接地效果要优于人工接地方式。杆塔塔基中钢筋的垂直散流影响临近金属管道，从而产生管道过电压现象。使用塔基外敷的方法能有效的降低接地电阻和管道过电压，对管道起到一定的防护。

表5 不同间距d下的接地电阻Table 5 Grounding resistance at different spacing d

3 外敷半径对塔基散流的影响

仿真计算时进一步改变塔基外敷的半径与面积，计算分析管道临近杆塔的垂直散流特性。模型条件基本不变，金属管道与塔基之间的距离d为20 m，外敷半径r为1 m。雷电流幅值为10 kA，频率为10 kHz，土壤电阻率设置为300 Ω·m。分别将外敷半径r设置为0.8 m、1 m和1.2 m。计算出管道表面临近塔基侧观测线上电流密度，结果见图7。管道中心点对应于观测线水平坐标零点，管道两端对应于观测线水平坐标轴上的±100 m位置，仿真计算结果见图7。

图7 管道观测线上电流密度Fig. 7 Current density on pipeline observation line

由图7可以看出：外敷半径的改变对于管道上的电流密度的影响甚微。这是由于塔基外敷通过垂直散流减小了散流在水平方向对管道的影响，外敷半径改变而带来的影响更多的是体现在垂直方向上的散流。管道中心点和管道两端的电流密度较大，其中管道中心点的电流密度最大。除靠近管道首尾两端外，与管道中心点处的距离越小，电流密度越大。

通过仿真计算，3种外敷半径下的管道电压峰值、绝缘层耐受电压峰值和接地电阻见表6。

表6 不同外敷半径r下的观测数据Table 6 Observation data under different external application radius r

根据表6可得：随着外敷半径的增加，管道电压和涂层耐受电压峰值以及接地电阻值均呈现出减小的趋势，但管道电压和涂层耐受电压峰值的变化幅度却不大。这说明当改变桩基外敷材料的半径时，桩基外敷散流对水平方向上的散流分量影响较小，临近金属管道及绝缘层耐受电压值基本保持不变。此外，当外敷接地材料半径逐渐增加时，钢管塔的接地电阻值不断减小，这是由于增大柔性面状导电材料的外敷半径，相当于增加接地极的尺寸，有利于电流向土壤中散流，但接地电阻的整体降低幅度有限，这提示在实际施工中为了便于混凝土桩基外敷柔性面状材料的施工，可以直接将柔性面状材料紧贴在混凝土桩基的外侧，柔性面状材料的外敷半径对钢管塔接地电阻的影响较小。

4 外敷面积对塔基散流的影响

采用柔性面状导电材料能够提高杆塔桩基在垂直方向上与土壤的接触面积，增大雷击电流的散流路径。为了分析柔性面状导电材料覆盖面积对接地散流的影响规律，针对图8所示的3种不同塔基外敷方式，改变柔性面状导电材料的外敷面积，将其依次设置为1/3外敷、半外敷和全外敷。

图8 桩基不同外敷面积Fig. 8 Different external coverage area of foundation

通过辅助计算分析，得到金属油气管道所在水平切面上的土壤电流密度分布特征。对比混凝土桩基1/3外敷和全外敷条件下的电流密度分布见图9。

图9 两种不同外敷面积下的电流密度分布Fig. 9 Current density distribution under two different applied areas

根据图9计算结果可得：采用全外敷塔基周围的电流密度辐射范围小于1/3外敷的。相比于1/3外敷，采用全外敷方案下的杂散电流对管道的影响最小。这是由于全外敷的垂直散流特性优于1/3外敷等其他外敷面积下的。采用全外敷，能更为有效的在垂直方向上散流，从而降低杂散电流对临近金属管道的侵蚀。计算3种不同的塔基外敷的接地电阻可知：1/3外敷、1/2外敷和全外敷的接地电阻依次为10.078 Ω、8.547 Ω、5.872 Ω。临近管道处，塔基全外敷的降阻效果最优。由此可见，临近金属管道，电力杆塔塔基全外敷施工方法能有效降阻，并且减少散流对管道带来的不利影响。

根据以上分析可知：增大外敷半径，更利于塔基外敷的垂直散流，从而减小管道过电压，并且使接地电阻不断减少，起到降阻的作用；外敷面积的增大，会减小接地电阻，且全外敷下对管道散流的影响最小。在实际施工时，工作人员可根据场地等施工因素进行调整，选出最符合实际情况的塔基外敷方案。

通过对比不同接地方式下管道过电压及杆塔接地电阻可知：无论是油气管道雷击过电压防护需要，还是电力系统防雷工程对于接地电阻的最高限值要求，电力杆塔采用塔基外敷接地方式可以起到接地降阻和降低临近油气管道过电压幅值的效果。现行电力杆塔多采用人工外延外延接地方式，增加了接地施工难度和施工成本。当杆塔临近油气管道时，外延人工接地体使得临近处管道过电压的幅值增大，管道涂层击穿的风险相对较高。因此，在杆塔临近处的电力杆塔设计与施工时，采用本研究所述的桩基外敷接地方式能起到油气管道过电压防护和电力线路接地降阻双重效果，且该种施工方式可在桩基回填之前进行外敷施工，不会造成额外的施工成本，技术经济性优于传统接地施工方式。