基于分布式辅助散流接地网的天然气管道过电压防护

孙建平，胡元潮，李勋，黄涛，安韵竹，向真

(1.山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博255000；2.深圳供电局有限公司，广东 深圳518000；3. 国网江苏省电力工程咨询有限公司，南京210000)

0 引言

近年来随着城市建设，土地资源日益紧缺，建设城市地下管道综合走廊成为热门的重要举措[1 - 2]。综合走廊的建设，使得局部地段输电线路与天然气管道相邻(并行或交叉)，当输电线路遭受到雷击时，将在接地网上注入强电流，会在天然气管道上产生巨大的感应电势，会对天然气管道产生不同程度上的损耗，严重时会对管道本体产生损坏。2017年，南方电网公司深圳供电局有限公司对部分临近500 kV输电线路的天然气管道进行现场开挖，发现其中2段管道的绝缘层出现孔洞损坏，最终由燃气行业对其进行修复。近年来，综合能源走廊条件下天然气管道的防损、防漏和防爆问题引起油气行业、电力行业以及社会公众的广泛关注[3]。研究输电线路与天然气管道相邻时，输电线路对天然气管道的影响进而提出有效的安全防护措施具有现实意义。

文献[4]中研究了接地系统对附近构筑物的传导干扰，分析了接地系统对邻近天然气管道的影响；文献[5]中研究国家标准得出了天然气管道与电力及通信线路的最小安全间距；文献[6 - 7]研究了直流接地极电流对埋地金属管道腐蚀影响；文献[8]研究了同走廊正常运行时特高压交直流输电线路对邻近埋地天然气管道的电磁影响；文献[6]利用仿真模拟软件CDEGS仿真得出了雷击输电线路时天然气管道接地位置和与输电线路与天然气管道距离对天然气管道电压的分布规律；文献[9 - 15]构建输电线路和平行敷设的天然气管道模型，研究了电压等级、平行间距、土壤电阻率等因素对天然气管道的交流腐蚀性影响。现有的研究对于正常情况下输电线路对埋地金属管道的研究较多，但是较少涉及雷击状况下的管道过电压防护。

本文采用仿真软件COMSOL Multiphysics建立了输电线路及平行敷设的天然气管道模型，研究了辅助接地网的外延长度、面积、敷设方向、敷设角度、连线数量以及土壤电阻率的等综合因素对接地系统接地电阻和天然气管道上电压峰值的影响，进而提出敷设杆塔辅助地网进行天然气管道防护方案。研究结果将为以后的工程实施提供参考。

1 仿真模型与参数设定

输电线路杆塔接地网中以方框外延接地网类型最为常见，在计算杆塔接地网散流特性时，考虑到杆塔接地网结构对于接地散流有影响，仿真根据实际输电线路杆塔接地网模型，本文采用COMSOL Multiphysics仿真软件针对临近天然气管道的杆塔接地网进行1:1建模，典型的根开外侧方框射线型接地网如图1(a)所示。

仿真时取接地体材料为直径10 mm的镀锌圆钢，其相对电阻率为109.7，相对磁导率为636，接地网是边长为15 m的正方形框架，外延射线长度为L1，引下线长度为h，取0.8 m，地管间距为d，m。

图1(a)仿真模型中，天然气管道采用直径600 mm、壁厚8 mm的钢管。图1(b)所示的实际管道绝缘层厚度为8 mm。主体管道长度取100 m的带绝缘层的钢管，两端外加1 m的无绝缘层的管道模拟接地极。天然气管道和接地网埋深均为1.7m。

图1 杆塔与天然气管道的仿真模型Fig.1 Simulation model of the tower and gas pipeline

雷击电流的仿真采用函数输入，选择幅值为100 kA的2.6/50 μs的标准雷电流波形，表达式为双指数函数形式[16]，如式(1)所示。

I(t)=111 570×(e(-15 900t)-e(-712 000t))

(1)

式中：I为雷电流等效值，A；t为时间，μs。

2 方框外延接地网对管道电压的影响

针对常见根开外围方框射线型接地网进行计算，仿真取土壤电阻率ρ=200 Ω·m，接地网外延射线长度L1为15 m，地管间距d取30 m。分别计算得到导体及其土壤电位分布、管道过电压幅值如图2—3所示。

由图2中导体及其周围土壤电压分布计算结果可以得出：雷击输电线路时，雷击电流沿杆塔向下散流，会给接地网注入高幅值电流，外延接地体可以有效地将电流散向附近土壤，外延接地体末端的散流能力尤其突出，导致雷击电流被引向天然气管道的方向，从而增加了管道过电压，可能对天然气管道产生严重危害。天然气管道上将产生47 kV的感应电压，该感应电压峰值出现在接地网外延接地体指向的管道处，并向管道两端逐渐降低。

图2 金属导体和土壤中电压分布Fig.2 Voltage distribution on metal conductor and soil

图3 天然气管道上的电压Fig.3 Voltage on gas pipelines

从图3计算结果可以得出：当输电线路遭受雷击时，在天然气管道上产生的感应电压峰值超过47 kV，将会对天然气管道产生严重影响，对天然气线路安全造成严重威胁。同时，为研究土壤电阻率对天然气管道感应电势的影响，使土壤电阻率在50 ～ 2 000 Ω·m之间变化，其他参数保持不变，再次进行上述模型的仿真，得到接地电阻R和管道上感应电势的峰值Up如表1所示。

由表1对不同土壤电阻率条件下杆塔接地电阻和管道过电压峰值的仿真结果可知，随着土壤电阻率的增加，杆塔接地电阻也随之增大，管道上感应电压的峰值也随之增大。这是由于随着土壤电阻率的增大，土壤的散流效果逐渐变差，因此土壤中的电压降会逐渐变小，导致接地电阻和管道上的电压峰值会随土壤电阻率的增大而增大。

表1 不同土壤电阻率ρ下接地电阻R及管道电压峰值UpTab.1 Ground resistance R and maximum voltage on oil and gas pipelines Upat different soil resistivity ρ

3 辅助地网敷设方式对管道电压的影响

由图2计算结论可知，由于杆塔方框射线型接地网朝向管道侧外延射线的“引流”作用，使得管道电压峰值变大。为此，本文提出基于辅助地网的临近电力线路的天然气管道过电压整改方案，输电线路杆塔辅助地网的仿真模型如图4所示。

图4 辅助地网敷设方式示意图Fig.4 Sketch diagram of the laying mode of auxiliary grounding grid

根据图4所示的辅助地网敷设方式，天然气管道与接地网之间的间距d取30 m，外延长度为L1，边长为L0的正方形辅助接地网，接地网与辅助接地网的连接数目为n，其他参数保持不变，构建仿真模型并分析外延长度L1、辅助接地网面积L0×L0、以及辅助接地网敷设方向、连线数量n的影响规律。其中，辅助地网敷设方向由图5(b)中的夹角α(外延射线与原方框接地网的夹角)决定。

3.1 辅助地网外延长度的影响

为了研究辅助接地网外延长度对接地电阻和管道电压峰值的影响，分别取外延长度L1为15、30、45、60、75、90 m，辅助地网边长L0取15 m，连接数目n取1，土壤电阻率取300 Ω·m，其他参数同上，构建如图4(a)所示的辅助接地网仿真模型，金属导体及其周围土壤中电压分布情况如图5所示。

图5 金属导体和土壤中电压分布(外延射线30 m) Fig.5 Voltage distribution on metal conductor and soil at 30 m of extended ray

根据图5金属导体及其周围土壤中电压分布情况仿真计算结果，原杆塔接地网会通过外延射线向辅助地网进行散流，电压值以整个接地网为中心，向四周逐渐降低。进一步计算不同辅助地网外延长度下的接地电阻和管道电压峰值如图6所示。

根据图6所示的辅助地网不同外延长度下杆塔接地电阻和管道电压峰值结果可知：随着辅助地网外延长度的加长，接地电阻和管道上电压峰值同时呈下降趋势，外延长度从15 m增加到90 m，管道电压峰值下降23%，这是由于原杆塔接地网通过向辅助地网向其周围散流，减小了管道方向的散流，因此管道上的电压峰值降低。同时，随着辅助地网外延长度的增加，背离管道侧的散流面积增加，因此，辅助地网外延长度越长，管道上的电压峰值越低。因此在实际的工程施工中，根据实际条件需求，尽可能将辅助地网远离管道敷设，对于天然气管道的防护效果会更优。

图6 不同外延长度下的接地电阻和管道电压峰值Fig.6 Grounding resistance and maximum voltage on pipe at different external extensions

3.2 辅助地网面积的影响

为了进一步研究辅助地网的最优敷设方式，保持外延长度L1为15 m，分别取辅助地网边长L0为5、8、10、12、15 m，计算杆塔接地电阻和天然气管道电压峰值如图7所示。

图7 不同辅助地网面积下的接地电阻和管道电压峰值Fig.7 Grounding resistance and maximum voltage on pipe at different auxiliary ground grid areas

通过图7所示不同辅助地网面积下杆塔接地电阻和管道电压峰值计算结果可以得出：增大辅助地网的面积会减小接地电阻和管道过电压的峰值，辅助地网边长从5 m增加到15 m，管道电压峰值降低15%。这是因为随着辅助地网面积的增大，更多的雷击电流可以通过辅助地网背向管道方向散流，因此天然气管道电压峰值会随着辅助地网面积的增大而减小。因此在实际的工程施工中，应考虑实际情况，尽可能增大辅助接地网面积，对于天然气管道的防护效果会更优。

3.3 辅助地网敷设方向的影响

为了研究辅助地网敷设方向的影响，构建如图5(b)所示模型，取角度α为90 °、135 °、180 °，保持其他参数不变，改变辅助地网敷设方向，土壤电阻率ρ在500～2 000 Ω·m变化时，计算接地电阻R和管道上电压的峰值Up如表2所示。

表2 不同敷设方向下的接地电阻R和管道电压峰值UpTab.2 Grounding resistance R and maximum voltage on pipe on pipes Up in different radiation directions

表3 不同连线数量下的接地电阻R和管道电压峰值UpTab.3 Grounding resistance R and maximum voltage on pipe Up at different numbers of wires

由表2辅助地网不同敷设方向的杆塔接地电阻和管道电压峰值计算结果可知：无论是接地电阻还是管道电压峰值，都以α为135 °时最小，且接地电阻和管道电压峰值同时随着土壤电阻率的增大而增大。因此在实际的辅助地网敷设时应选择α为135 °的敷设方式，这是因为导体间的屏蔽效应与两导体之间的距离有关，而对于有公共端点的，导体之间的角度决定了屏蔽效应的强弱，α为135 °敷设的辅助地网与原方框接地网两边的夹角最大，受导体屏蔽效应的影响最小，因此α为135 °敷设的接地网散流效果更好，接地电阻和管道电压峰值也较低。

为比较第3.1节中辅助接地网敷设方式与第3.3节中135 °敷设方式的散流效果，统一取土壤电阻率为300 Ω·m，外延长度为15 m，辅助接地网边长为15 m，进行仿真计算。根据仿真运行结果，无论是土壤电阻率还是天然气管道电压最大值，都是135 °敷设最佳(第3.1节中，背向管道散流辅助接地网接地电阻为5.246 Ω，天然气管道电压最大值为51.512 kV；135 °敷设辅助接地网接地电阻为5.159 Ω，天然气管道最大值为51.231 kV)。因此在实际的工程施工中，应选择135 °的敷设方式来敷设辅助接地网。

3.4 辅助地网连接线数量的影响

为研究辅助地网连接线数量n的影响，保持其他参数不变的情况下，分别取连线数量n为1、2、3，并在不同土壤电阻率条件下进行仿真计算，杆塔接地电阻R和管道电压峰值Up的仿真计算结果如表3所示。

由表3辅助地网不同连线数量下对接地电阻和管道电压峰值计算结果可知：当连线数量一定时，随着土壤电阻率升高，杆塔接地电阻和天然气管道电压峰值呈上升趋势，这是由于土壤电阻率增大，导致接地体向土壤的散流受阻。当土壤电阻率不变时，随着辅助地网连线数量的增加，杆塔接地电阻和天然气管道电压峰值呈下降趋势，这是由于连线数量的增加，流向辅助地网上的电流增大，辅助地网上的散流随之增大，背离天然气管道方向上的散流增加。

从上述仿真计算结果可知：敷设辅助接地网会降低天然气管道上的电压峰值。同时，比对不同辅助地网外延连接线数量条件下的计算结果，增加辅助地网连接线数量有助于降低杆塔接地电阻和管道过电压峰值，但降低幅度并不明显。考虑到辅助地网连接线数量的增多使得连接线之间的屏蔽效应增加，且材料与施工成本随之提高，实际工程中宜根据实际辅助地网的面积选择较少的连接线数量，使得外延辅助地网达到技术经济性的最优。

4 工程现场应用

采用本文所述杆塔接地散流方法，针对临近天然气管道的某500 kV输电线路杆塔进行接地散流改造。将原有杆塔朝向燃气管道的镀锌钢接地体切断，在相反方向敷设非金属石墨复合接地材料，同时，在石墨复合接地体的末端增加“单向”辅助接地网，实际接地改造工程如图8所示。

图8 油气管道邻近处杆塔非金属接地网接地改造Fig.8 Modification of non-metallic grounding grid of tower near oil and gas pipeline

采用非金属石墨复合接地体进行辅助接地网施工，同时，在杆塔桩基外围敷设方框接地网，通过外延石墨复合接地体连接“单向”辅助接地网，改造前后的接地测量结果如表4所示。

表4 施工改造前后接地电阻值 Tab.4 Grounding resistance values before and after construction

由表4测量结果可知：采用外延辅助接地网进行接地改造后可以保证电力行业进行杆塔接地改造，同时，通过石墨复合接地体的长距离散流，实现了杆塔接地网在单一方向侧的接地降阻施工，避免了潜在雷击或者短路故障电流朝向管道侧的引流，降低了管道过电压风险。该施工方案的工程量小，成本较低，可为实际输电线路及油气管道设计与过电压防护提供参考。

5 结论

本文通过COMSOL Multiphysics对邻近天然气管道的输电线路进行建模仿真，得出以下结论。

1) 土壤电阻率会对接地网散流产生影响。随着土壤电阻率的增高，天然气管道电压峰值逐渐增大。

2) 对比常见的根开外围方框射线型接地网，采用辅助接地网的优化散流方式，能够有效地降低接地电阻和天然气管道电压峰值。

3) 增加辅助接地网的外延长度、面积连线数量和改变辅助接地网的敷设方向，可以有效地优化天然气管道电压峰值防护效果。研究认为，在实际工程施工中，应选择135 °的敷设方式，同时增加外延射线的长度、面积，按照实际需求选择增加辅助接地网的连线数量，以达到最优的防护效果。

本文研究结论可为减少电力输电线路临近处天然气管道的安全防护提供参照，同时可为现行综合能源管廊的设计与施工提供参考。