梁 毅,杜艳霞,唐德志,李 伟

(北京科技大学 新材料技术研究院，北京 100083)

水平锌带地床交流缓解效果的影响因素

梁 毅,杜艳霞,唐德志,李 伟

(北京科技大学 新材料技术研究院，北京 100083)

利用数值模拟计算技术对水平锌带地床交流缓解效果的影响因素及其影响规律进行了研究。结果表明：水平锌带地床的交流缓解效果随着地床与管道间距的增大而逐渐降低，但存在一个最大的地床安装间距；随着地床埋深的增加，地床覆盖范围内管道交流干扰电压升高，地床覆盖范围外管道的交流干扰电压降低，且地床的整体有效影响范围增加；在一定范围内，地床的缓解效率随地床长度的增加而增大，但超过一定长度后，其缓解效率增加缓慢；地床铺设时应尽可能将其中心接近管道最大交流干扰电压处；随着地床与管道连接间距的增大，管道的交流干扰电压逐渐增大，经济有效的连接间距为500 m，连接位置最好选择交流干扰最大的地方。

城镇燃气管道；交流缓解；影响因素；水平锌带地床

近年来，随着我国城市建设的快速发展，埋地燃气管道的建设里程日益增加[1-4]。以北京燃气为例，2012年北京运行的天然气管线已达到15 000 km以上，并以网状辐射到北京各城区和大部分郊区县[5]。与此同时，高压输电线路的建设规模也在日益加大。在城镇地区由于土地紧张、“路径择优”等原则使得埋地燃气管道常与高压输电线路长距离并行或多次交叉，形成长距离的共用走廊带。国内外大量案例表明[6-9]，与埋地金属管道并行的高压输电线路会通过电磁感应、电阻耦合等方式在埋地管道上感应出交流电压和电流，对管道造成严重的交流干扰，从而对管道产生不可忽视的危害，如引起交流腐蚀，导致管道穿孔泄漏，加速防腐蚀层的剥离，影响阴极保护系统的正常运行，造成保护电位不满足保护要求，牺牲阳极发生“极性逆转”等问题。同时，还会对工作人员产生电击危害，严重威胁着工作人员的人身安全[10-11]。因此，在共用走廊带需要施加相应的防护措施才能保障管道的安全运行。

目前国内外关于交流干扰的主要防护措施是安装排流地床。其中，最常用的地床形式是与管道同沟铺设的水平锌带[12]。但目前有关水平锌带地床交流缓解效果的影响因素及影响规律的研究较少，急需对其开展相关研究，为地床的缓解设计提供参考。为了解决以上问题，本工作利用交流干扰数值模拟软件(CDEGS)，围绕城镇高压输电走廊带燃气管道水平锌带地床的影响因素开展研究，获得各因素对水平锌带地床的影响规律与设计原则，为城镇燃气管道交流干扰的缓解提供参考。

1 计算模型与参数设置

埋地管道受交流干扰的几何模型如图1所示。由图1可见，管道全长30 km，与高压输电线并行10 km，管道与高压输电线相距10 m，管道两端均有绝缘法兰。高压输电线路采用三相供电的方式，三相之间的不平衡电流为50 A。

图1 埋地管道受交流干扰的几何模型Fig. 1 The geometric model of AC interference to buried pipeline

利用目前国内外最常用的交流干扰数模计算软件(CDEGS)进行水平锌带地床的缓解设计。模型中的管道参数如表1所示；输电线高度为20 m，不平衡电流为50 A；土壤电阻率为50 Ω·m。在后续计算中，这些参数保持不变。

表1 计算模型中的管道参数的设置

2 交流缓解效果的影响因素

通过CDEGS数值模拟软件，对水平锌带地床(以下称地床)进行建模，分析了地床与管道间距、地床埋深、地床长度、地床安装位置、连接位置和连接间距等因素对地床交流缓解效果的影响规律。

2.1 地床与管道间距

为了弄清地床与管道间距对地床缓解效果的影响，在不同间距下进行了数模计算。分别在高压输电线的两个拐角处铺设700 m锌带，地床直径为0.008 m，相对电导率为3.42，相对磁导率为1。地床与管道间距分别为1，3，5，10，30，50，70，100，150，200，300 m，结果如图2所示。

(a) 整体图

(b) 局部放大图图2 地床与管道间距对管道交流干扰电压的影响Fig. 2 Effect of the distance between ground bed and pipeline on AC voltage of pipeline: (a) overall view; (b) partially enlarged view

从图2 (a)可以看出，随着地床与管道间距的增加，管道交流干扰电压逐渐增大。将图2(a)中椭圆形内区域放大，结果如图2(b)所示。从图2(b)可以看出，当地床与管道间距大于70 m时，部分管段的交流干扰电压大于15 V，其缓解效果已不能满足安全要求。因此，在该算例下，缓解地床与管道之间允许安装距离最大不超过70 m。

2.2 地床埋深

在进行地床埋深对其缓解效果影响的数模计算时，地床铺设位置、长度、直径、相对电阻率以及相对磁导率等参数和计算地床与管道间距时采用的参数值相同。地床与管道间距设置为1 m，地床埋深分别为0.1，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，5.0，10.0，20.0，30.0，50.0 m，结果如图3所示。

从图3可以看出:随着地床埋深的增加，地床覆盖范围内管道交流干扰电压升高，地床覆盖范围外管道交流干扰电压降低，地床的整体有效影响范围增加；当埋深小于2.0 m时，部分管段的交流干扰电压大于15 V，不满足安全电压。因此，在该算例下，地床的最小埋深为2.0 m。

(a) 整体图

(b) 局部放大图图3 地床埋深对管道交流干扰电压的影响 Fig. 3 Effect of the buried depth of ground bed on AC voltage of pipeline: (a) overall view; (b) partically enlarged view

2.3 地床长度

为了弄清地床长度对其缓解效率的影响，选取了不同长度的地床进行了数模计算。地床铺设位置、直径、相对电导率、相对磁导率以及埋深等参数和地床与管道间距计算时采用的参数值相同。地床与管道的间距为1 m。从图4中可以看出:随着地床长度的逐渐增加，管道最大交流干扰电压和接地电阻逐渐降低；当地床长度为0～500 m时，管道最大交流干扰电压和接地电阻降低幅度较大，地床长度大于500 m后，降低幅度逐渐趋于平缓，受地床长度的影响不大。

图4 地床长度对管道最大交流干扰电压和接地电阻的影响Fig. 4 Effects of length of ground bed on AC peak voltage of pipeline and grounding resistance

按式(1)计算不同地床长度下地床的缓解效率，计算结果如图5所示。从图5可以看出:一定范围内，随着地床长度的增加，缓解效率增大；当超过一定长度，缓解效率的增加缓慢。

(1)

式中：f为缓解效率；U为无地床时管道最大交流干扰电压，V；UL为地床长度为L时管道最大交流干扰电压，V。

图5 地床长度对缓解效率的影响Fig. 5 Effect of length of ground bed on mitigation efficiency

2.4 地床安装位置

由于城镇地理位置的限制，给燃气管道安装地床时，常常会出现无法在高压输电线拐点处铺设地床的情况。为弄清地床安装位置对其缓解效果的影响，将地床安装位置设计成图6所示的5种模型,并进行了相关数模计算。地床长度为100 m，埋深为2 m，与管道的间距为1 m，地床与管道的连接位置均处于高压输电线拐点处。从图6可以看出：在模型1中，地床中心与高压输电线拐点处的水平距离为0.5 km，且地床中心处于锌带与高压输电线并行区域外侧；在模型2中，地床中心与高压输电线拐点处的水平距离为0.25 km，地床中心也处于并行区域外侧；在模型3中，地床中心刚好与高压输电线拐点处对齐；在模型4中，地床中心与高压输电线拐点处的水平距离也为0.25 km，但此时地床中心处于并行区域内侧；在模型5中，地床中心与高压输电线拐点处的水平距离为0.5 km，但地床中心处于并行区域内侧。

(a) 模型1 (b) 模型2 (c) 模型3

(d) 模型4 (e) 模型5图6 不同地床安装位置的计算模型Fig. 6 Calculation models with different installation positions of ground beds

试验测得采用上述5种模型的管道最大交流干扰电压分别为37，28，22，25，32 V。由此可见，从模型1到模型5，管道的最大交流干扰电压先减小后增大，采用模型3时，管道的最大交流干扰电压最小,此时地床的交流缓解效果最好。因此，在铺设地床时，最好将地床的中心置于其与高压输电线拐点处即交流干扰电压最大的地方。如果条件不允许，尽量将缓解地床向并行区域内移动，且其中心越接近管道交流干扰电压最大位置越好。

2.5 地床与管道的连接位置

在城镇燃气埋地管道中，常常会出现管道与高压输电线并行区域内管道无法开挖的情况，这就使得地床无法在并行区域内与管道电连接。为了弄清地床与管道连接位置对地床缓解效果的影响，选取了图7所示的5种模型进行了相关计算。在这5种模型中，地床长度为100 m，直径为0.008 m，地床与管道间距1 m，埋深2 m，地床中心位置处于高压输电线拐点处，但地床和管道的连接位置不同，分别设置在地床与高压输电线并行区域外侧并与高压输电线拐点相距0.5，0.25，0 km处，及地床与高压输电线并行区域内侧并与高压输电线拐点相距0.25，0.5 km处。

从表2中可以看出，采用模型C时，管道的最大交流干扰电压最小，此时地床的排流效果最好。因此,地床与管道最好的连接位置为交流干扰最大的地方。如果条件不允许，尽量将连接点选在并行范围内，且越接近交流干扰最大处越好。

(a) 模型A (b) 模型B (c) 模型C

(d) 模型D (e) 模型E图7 不同地床和管道连接位置的计算模型Fig. 7 Calculation models with different connecting locations of ground bed and pipeline

模型序号ABCDE峰值电压/V3026222427

2.6 地床与管道的连接间距

为了避免交流缓解地床引入直流杂散电流或由直流作用导致的消耗，通常情况下，常通过直流去耦合装置将地床与管道相连，地床与管道连接处的连接点越多(即连接间距越小)，需要的交流排流器也越多，交流缓解成本越大；但如果地床与管道的连接点太少，则会降低地床的缓解效果。不同连接间距(150～1 500 m)的模型,如图8所示。地床铺设位置、长度、直径、相对电阻率、相对磁导率以及埋深等参数和地床与管道间距计算时采用的参数值相同。

图8 不同地床与管道连接间距的计算模型Fig. 8 Calculation models with different interval distances of connection between ground bed and pipeline

图9显示了地床与管道连接间距对管道的最大交流干扰电压的影响。从图9可以看出，随着连接间距的增大，管道的最大交流干扰电压逐渐增大。经济有效的连接间距约为500 m。

图9 地床与管道连接间距对管道最大交流干扰电压的影响Fig. 9 Effect of interval distance of connection between ground bed and pipeline on AC peak voltage of pipeline

3 结论

(1) 对于水平锌带地床，其交流缓解效果随着地床与管道间距的增加而逐渐降低，但存在一个最大的地床安装间距。

(2) 随着地床埋深的增加，地床覆盖范围内管道交流干扰电压升高，地床覆盖范围外管道的交流干扰电压降低，且地床的整体有效影响范围增加。

(3) 一定地床长度范围内，地床缓解效率随锌带长度的增加而增大，但超过一定长度后，其缓解效率增加缓慢。

(4) 地床缓解效果最好的铺设位置为管道交流干扰电压最大处，如果条件不允许，应尽量将地床向并行区域内移动，且其中心越接近最大交流干扰电压位置越好。

(5) 随着地床与管道连接间距的增大，管道最大交流干扰电压逐渐增大，经济有效的连接间距为500 m，最好的连接位置为交流干扰最大的地方。

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Influence Factors of AC Mitigation Effectiveness of Zinc Ribbon Ground Bed

LIANG Yi, DU Yanxia, TANG Dezhi, LI Wei

(Institute for Advanced Materials and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

The influence factors and corresponding influence rules of AC mitigation effectiveness for zinc ribbon ground bed were studied by numerical simulation technology. Results show that AC mitigation effectiveness of horizontal zinc ribbon decreased with the increase in the distance between ground bed and pipeline, but there existed a maximum distance. With the increase in the buried depth of ground bed, the AC voltage of pipeline in the coverage of zinc ribbon ground bed increased, while the AC voltage of pipeline out of the coverage of zinc ribbon ground bed decreased, and the effective influence range of zinc ribbon ground bed increased. Within a certain length of zinc ribbon, the mitigation efficiency increased with the increase of zinc ribbon length. But there was no distinct increase for the mitigation efficiency when the zinc ribbon length exceeded a certain value. The center of horizontal zinc ribbon should be laid in the location close to the pipeline with maximum AC voltage. With the increase in interval distance of connection between ground bed and pipeline, the AC voltage of pipeline increased gradually. The economical and efficient connection distance was about 500 m, and the best connecting location was on the pipeline with maximum AC voltage.

urban gas pipeline; AC mitigation; influence factor; zinc ribbon ground bed

10.11973/fsyfh-201706012

2015-11-25

杜艳霞(1980-)，副研究员，博士，从事腐蚀与防护研究，15801429530，duyanxia@ustb.edu.cn

TE832

A

1005-748X(2017)06-0466-05