陈登义，谢林峰

（1.广西工业职业技术学院，南宁530001；2.广西电网公司贺州供电局，广西 贺州542899）

雷击输电线路对地上油气管道干扰影响

陈登义1，谢林峰2

（1.广西工业职业技术学院，南宁530001；2.广西电网公司贺州供电局，广西 贺州542899）

输电线路与油气管道的建设经常出现并行，必须分析雷击输电线路对地上油气管道的电磁干扰。分析了雷击输电线路对管道电磁耦合作用。考虑线路与管道间感性耦合、容性耦合和阻性耦合作用，在ATP-EMTP中建立线路、杆塔和管道模型。分析线路与管道间距、管道参数、防腐层电阻率对管道防腐层过电压影响。仿真结果表明：距离雷击点越远的管道，耦合产生过电压越小；管道防腐层过电压随线路与管道间距的增加而衰减；管道外径和壁厚对过电压影响较小；防腐层电阻率对过电压影响较大。需要确定安全距离保护管道防腐层和管道本体。

雷击；输电线路；油气管道；防腐层；感应电压

0 引言

随着我国经济的不断发展，对能源的需求日益增大。相比较于其他能源运输方式，管道运输方式因其快捷性、便利性和安全性得到广泛采用[1-2]。为了节约土地资源，高压输电线路和油气管道往往在同一传输走廊中建设，并行或交叉跨越情况屡有发生，对油气管道的电磁影响较为严重[3-4]。

以往有关输电线路对管道影响的研究主要集中于交流输电线路对油气管道的稳态干扰[3-5]和输电线路发生故障情况下对油气管道的电磁干扰[6-7]，包括对人身安全的影响、对管道安全的影响和对管道的交流腐蚀影响。但是对于雷击输电线路对油气管道的电磁暂态干扰相关研究较少[8]。

笔者分析雷击输电线路对临近管道的电磁干扰影响，在ATP-EMTP中建立输电线路模型和油气管道模型，同时考虑管道防腐层影响。分析输电线路与管道间距、管道参数和防腐层电阻率对管道防腐层过电压的影响。

1 雷击输电线路对管道的干扰分析

雷击输电线路时对油气管道的电磁影响主要包括3个方面：容性耦合、感性耦合和阻性耦合[9-10]。输电线路遭受雷击时，并行的线路和管道间存在电位差，线路导体电场的变化会影响管道电位，这种影响称为容性耦合。遭受雷击的线路中流过变化的雷电流，会在周围空间产生变化的电磁场，变化的电磁场会引起管道回路磁通量变化，将在管道上产生纵向电动势，并进一步在防腐层两侧产生电位差，这种影响称为感性耦合。雷击线路后，雷电流通过杆塔接地装置泄散入地，因阻性耦合引起杆塔及管道电位抬升。同时由于管道附近区域和管道金属部分电位变化，管道防腐层两侧会产生电位差。当电位差超过防腐层的冲击耐受电压时，将击穿管道防腐层，加速管道的腐蚀，严重时甚至会发生漏气爆炸。

2 仿真模型

2.1 雷电流模型

雷电流波形采用Heidler函数[11]表示，表达式为

式中：I0为峰值电流，kA；τ1和τ2分别为波头时间常数和波尾时间常数，μs；n为电流陡度因子，一般情况下取n=2或10。雷电流通道的波阻抗和雷电流幅值紧密相关，根据GB50064—2014给出的波阻抗随雷电流幅值变化规律图[12]确定。

2.2 线路及杆塔模型

为减小输电线路参数受雷电流中高频成分的影响，选用Jmarti线路模型来反映频率与线路参数的关系以及分布的损耗特性。在EMTP中建立9基杆塔的线路模型，线路全线架设双回避雷线，线路档距为500 m，线路全长4 km。导线型号为LGJ-630/55，避雷线型号为LHAGJ-150/25。

考虑到雷电波在传播过程中的衰减与畸变，选用有损多波阻抗模型作为杆塔模型，并在EMTP中建立的多层杆塔模型[13-14]。杆塔的有损多波阻抗模型见图1。 图1 中，Zt1、Zt2、Zt3、Zt4为杆塔从上至下各段的波阻抗，根据试验直接测量的数据[15]：Zt1=Zt2=Zt3=ZT1=220 Ω，Zt4=ZT2=150 Ω；h1、h2、h3和 h4为 杆 塔从上至下各段的长度；模型中用R-L并联电路来模拟波在传播过程中的衰减和畸变，杆塔各段电阻Ri和电感 Li的值可以由式（2）—（5）求出：

式中：vt为雷电波在杆塔中的传播速度，取光速；上下部衰减系数 γ1=γ2=0.8。

图1 杆塔有损多波阻抗模型Fig.1 The lossy multi wave impedance model of transmission tower

2.3 管道及绝缘层模型

油气管道一般都采用钢质材料，考虑电路模型时将其看作π型电路[16]。油气管道截面见图2。rg1和rg2分别为管道内半径和外半径，rg3为考虑防腐层后管道半径。ρg为金属管道电阻率，μg为金属管道磁导率。

图2 管道截面Fig.2 Cross-section of an aboveground pipeline

2.4 线路与管道间的干扰与耦合

输电线路与管道布局见图3，R1、h1和 R2、h2分别为线路与管道的高度和半径，s为二者水平间距。

输电线路与管道间的电容耦合系数可以根据马氏静电方程和镜像法来确定[17]：

图3 耦合参数计算示意图Fig.3 Calculation of coupling parameters

式中，Cc为单位长度耦合电容。

由于线路和管道自感不影响二者间感性耦合，只考虑线路和管道间的互感作用。互感系数计算需要考虑电场强度水平分量的有限积分，较为复杂，这里取Georgios等人提出的近似计算公式[18]：

式中，Lc为单位长度互感。

将杆塔接地极简化为点接地极，则输电线路杆塔接地与管道接地的阻性耦合根据下式确定：

式中：Rc为单位长度电阻；ρ为土壤电阻率，Ω·m。

3 仿真结果分析

仿真中杆塔参数如下：h1=2 m、h2=11 m、h3=11 m、h4=33 m，杆塔接地电阻取10 Ω。 管道参数：ρg=1.5×10-7Ω，μg=280，εg=2.30， 外径×壁厚/mm 取典型值φ1 420×18.4，管道离地面高度为2 m。管道与输电线路并行长度4 km，每隔500 m接地一次，接地电阻取10 Ω。土壤电阻率取100 Ω·m。防腐层采用3层 PE，绝缘电阻率 100 kΩ·m，厚度 2.5 mm[1]。

3.1 管道感应电压

注入雷电流波形为2.6/50 μs，幅值为50 kA，管道与线路间距为100 m。雷击点对应0号杆塔。右侧各基杆塔入地电流见图4。图5给出管道沿线防腐层感应电压波形。

由图4可看出，越靠近杆塔雷击点的杆塔入地电流越高。电流峰值到达时间也随着距离的增加而推迟。图5表明，临近雷击点处的管道防腐层感应电压明显高于远处管道。杆塔入地电流对线路与管道间的阻性耦合影响较大，远离雷击点线路与管道间的阻性耦合减小。同时雷电流在线路中传播受到避雷线的分流作用及线路对高频分量的衰减作用，线路与管道间的容性耦合作用减小。雷击线路产生的电磁场向远处传播过程中也受到衰减，同样减少了线路与管道的感性耦合。

图4 杆塔入地电流Fig.4 Currents emanating to the earth along the towers

图5 管道防腐层感应电压波形Fig.5 Waveforms of induced overvoltage on the pipeline

3.2 线路与管道间距

注入雷电流波形为2.6/50 μs，分析在不同雷电流幅值和土壤电阻率情况下，线路与管道间距对管道防腐层感应电压的影响，计算结果见图6。

图6 距离对感应电压影响Fig.6 Influence of separated distance on the induced overvoltage

由图6可看出，随着线路与管道间距的增大，感应电压迅速减小，但并不是按照距离比例相应减少。感应电压随土壤电阻率和雷电流幅值的增加而增大。考虑较为极端情况时，雷电流幅值为100 kA，土壤电阻率为1 kΩ·m时，线路与管道间距30 m时，管道感应电压达89.7 kV。采用3层PE防腐层的管道50%放电电压[9]为93 kV。如果线路与管道间距进一步缩小，感应电压就会对管道安全产生威胁。即输电线路与管道的安全距离大于30 m时即可全部防腐层安全，该值存在一定安全裕度。

3.3 管道参数变化影响

注入雷电流波形为2.6/50 μs，幅值为50 kA，管道与线路间距为100 m。分析管道外径、壁厚和防腐层电阻率对管道防腐层感应电压的影响。计算结果见图7和图8。

图7 管道外径和壁厚的影响Fig.7 Influence of pipe diameter and pipe thickness

图8 防腐层电阻率的影响Fig.8 Influence of anticorrosion coating insulation resistivity

由图7可看出，管道外径越大，管道防腐层感应电压减小，但是影响不大。管道壁厚对感应电压基本没有影响。由图8可看出，防腐层电阻率对感应电压影响较大，防腐层电阻率越大，感应电压越大。

4 结论

通过分析雷击输电线路对油气管道的电磁干扰，在ATP-EMTP中建立输电线路及油气管道模型，计算管道防腐层感应电压，得到以下结论：

1）雷击输电线路对油气管道的电磁影响体现在感性耦合、阻性耦合和容性耦合三方面。

2）线路和管道间距越大，管道防腐层感应电压越小。为保护管道防腐层和本体安全，需要考虑线路与管道间安全距离。

3）管道外径和壁厚对管道防腐层电压感应电压影响不大，防腐层电阻率对感应电压影响较大，防腐层电阻率越大，管道感应电压越大。

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Disturbance and Influence of Transmission Line Struck by Lightning on Above-Ground Oil and Gas Pipeline

CHEN Dengyi1，XIE Linfeng2
（1.Guangxi Vocational&Technical Institute of Industry,Nanning 530001,China； 2.Hezhou Power Supply Bureau,Guangxi Power Grid Corporation,Hezhou 542899,China）

In view of the fact that transmission lines may often parallel with oil and gas pipeline,it is necessary to analyze the disturbance of transmission line struck by lightning on above-ground oil and gas pipelines reasonably.The electromagnetic coupling effect of lightning transmission line on pipeline is analyzed.Considering the effects of inductive coupling，capacitive coupling and resistive coupling between lines and pipes， the equivalent models of transmission line， tower and pipeline are established based on ATP-EMTP.The influence of separated distance between transmission line and pipeline，parameters of the pipe and anticorrosion coating insulation resistivity on overvoltage on the pipe are researched.The results show that:overvoltage on the pipeline decreases with longer separated distance between transmission line and pipeline.In contrast with anticorrosion coating insulation resistivity，pipe diameter and pipe thickness have little impact on the overvoltage.Safety distances need to be acquired to protect of pipeline anticorrosion coating and pipe body.

lightning strike;transmission line;oil and gas pipeline;anticorrosion coating;induced overvoltage

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.02.017

2016-07-15

陈登义 （1979—），男，博士研究生，讲师，主要研究方向：电力系统分析，电力系统控制及保护等。