一种输电杆塔雷击电流作用下临近埋地金属管道电磁干扰分析方法

技术领域

本发明涉及电磁干扰分析技术领域，尤其涉及一种输电杆塔雷击电流作用下临近埋地金属管道电磁干扰分析方法。

背景技术

随着全球经济的不断发展，人民生活需求的不断增加，输电线路与油气管道的建设数量逐年增多。由于两者均需占用大量工程用地，且铺设均遵循路权优先原则，故输电线路和埋地金属管道经常组成公共走廊。当公共走廊内的输电杆塔受到雷击时会对临近埋地金属管道造成严重的电磁干扰，其干扰类型主要包括电容耦合、电感耦合、电阻耦合三种。电容耦合为雷电的静电感应现象，当雷电流即将产生时，输电杆塔上方的雷云会向地面感应出大面积的电荷，当雷电流击中铁塔时，土壤中的电荷会迅速被雷电流和雷云中的反向电荷中和，由于管道表面涂层的高绝缘性，雷击发生时管道中的电荷留存在管道内与外界形成电势差，从而导致管道腐蚀；电感耦合为输电线路中流入的雷电流与管道产生的电磁感应现象，当雷电流击中输电杆塔时，流入输电线路上的雷电流会使管道内部产生感应电流，从而对管道造成干扰；电阻耦合为雷电流通过杆塔接地装置流入土壤直接对管道造成影响，由于接地导体的电感效应，高频率雷电流不能在接地极上充分散流，导致杆塔附近土壤和涂层的电位升高，造成管道涂层的损坏和剥离。此外，雷电流也可能电离管道周围的土壤形成脉冲电弧，若与管道内易燃易爆介质相接触则会发生爆炸事故，造成严重的生命财产损失。因此，针对雷击输电杆塔情况下临近埋地金属管道受到的电磁干扰程度进行分析至关重要。

目前，针对雷击杆塔情况下临近埋地金属管道电磁干扰的分析还未形成有效的研究方法，由于雷击发生时输电杆塔周围电磁环境复杂，分析管道电磁干扰程度的研究大多集中于输电线路正常运行和故障运行工况，鲜有对雷击输电杆塔工况的研究。而随着国家输电系统的不断建设，输电杆塔遭受雷击的概率逐年增加。因此，寻求一种输电杆塔雷击电流作用下临近埋地金属管道电磁干扰分析方法对于保障埋地金属管道运行安全具有重要意义。

发明内容

针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种输电杆塔雷击电流作用下临近埋地金属管道电磁干扰分析方法，包括：

获取输电杆塔的参数数据、埋地金属管道的参数数据以及所述输电杆塔和所述埋地金属管道所在位置的不同深度的土壤电阻率数据；

基于所述输电杆塔的参数数据、所述埋地金属管道的参数数据和所述土壤电阻率数据，按照实际情况等比例建立所述输电杆塔和所述埋地金属管道的三维模型；

基于雷电流波形函数，获得雷电流推荐频率；

将所述雷电流推荐频率施加在所述三维模型的输电杆塔上，预测雷击发生时所述埋地金属管道受到的电磁干扰程度。

优选的是，所述输电杆塔的参数数据包括输电线杆塔高度、杆塔材料参数、杆塔接地极长度、杆塔接地极材料参数、各输电相线和架空地线高度、输电相线材料参数、架空地线材料参数；所述埋地金属管道的参数数据包括管道材料参数、管道涂层材料参数、管道外径、管道壁厚和管道埋深，所述土壤电阻率数据通过Wenner法测量获得。

优选的是，所述三维模型包括所述输电杆塔、所述埋地金属管道、输电线路和等效土壤结构模型。

优选的是，基于雷电流波形函数，获得雷电流推荐频率：

式中：τ

优选的是，将所述雷电流推荐频率施加在所述输电杆塔上，预测雷击发生时所述埋地金属管道受到的电磁干扰程度包括计算所述埋地金属管道的标量电势V

设所述埋地金属管道周围的矢量势、电场、标量电势分别为A

式中：z

优选的是，所述埋地金属管道的阻抗包括内部阻抗z

z＝z

式中：I

优选的是，所述埋地金属管道在v点处的纵向电流为：

I(v)＝av+b；

当所求v点偏向所述埋地金属管道注入电流端时，a＝S/L，b＝I

当所求v点位于所述埋地金属管道流出电流端时，a＝-S/L，b＝I

式中：S为从所述埋地金属管道均匀泄漏到导电介质中的总横向电流；I

优选的是，将所述埋地金属管道分为n段，取其中第K段，其长度为dx，其在一点处产生的矢量势为：

式中：μ为所述埋地金属管道的磁导率；R为v点到K段的距离；

积分可得(x

总矢量势为流入电流两端矢量势的加和，为：

A

式中：A

优选的是，将所述雷电流推荐频率施加在所述输电杆塔上，预测雷击发生时所述埋地金属管道受到的电磁干扰程度还包括通过傅里叶反变换求得时域下雷电流在所述埋地金属管道上产生的标量电势V(t)、电场强度E(t)、磁场强度H(t)为：

式中：V

优选的是，通过傅里叶反变换求得时域下雷电流在所述埋地金属管道上产生的标量电势V(t)、电场强度E(t)、磁场强度H(t)，同时还获得一推荐频率，基于所述推荐频率，迭代预测雷击发生时所述埋地金属管道受到的电磁干扰程度，直至预测结果达到预设的精度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明可以实现多回击雷电流击中输电线路杆塔时临近埋地金属管道电磁干扰数值的高精度计算，支持针对不同的工程情况进行分析，支持不同种类的输电线路、输电杆塔、金属管道、杆塔接地装置、土壤结构、空间分布位置的电磁干扰计算，为工程上预测雷击情况时输电线路对临近钢质埋地管道电磁干扰提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明的输电线路杆塔结构示意图；

图2为本发明的雷电流波形函数曲线；

图3为本发明的雷电流正向FFT频域分解计算示意图；

图4为本发明的输电线路和埋地金属管道的三维模型示意图；

图5为本发明的等效土壤结构模型曲线；

图6为本发明的雷电流反向FFT时域计算示意图；

图7为本发明的不同回击雷电流击中输电杆塔时管道受到的涂层耐受电压曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图1-7对本发明做进一步的详细描述：

本发明提供一种输电杆塔雷击电流作用下临近埋地金属管道电磁干扰分析方法，包括：

获取输电杆塔的参数数据、埋地金属管道的参数数据以及输电杆塔和埋地金属管道所在位置的不同深度的土壤电阻率数据；

基于输电杆塔的参数数据、埋地金属管道的参数数据和土壤电阻率数据，按照实际情况等比例建立输电杆塔和埋地金属管道的三维模型；

基于雷电流波形函数，获得雷电流推荐频率；

将雷电流推荐频率施加在三维模型的输电杆塔上，预测雷击发生时埋地金属管道受到的电磁干扰程度。

具体地，输电杆塔的参数数据包括输电线杆塔高度、杆塔材料参数、杆塔接地极长度、杆塔接地极材料参数、各输电相线和架空地线高度、输电相线材料参数、架空地线材料参数；埋地金属管道的参数数据包括管道材料参数、管道涂层材料参数、管道外径、管道壁厚和管道埋深，土壤电阻率数据通过Wenner法测量获得。

进一步地，土壤电阻率基于Wenner法测量，该方法将两个外部电流注入电极A、B和两个内部电势电极C、D，电极等间距布置在同一条直线，电极间距均为a；设土壤电阻为ρ，距离A、B为x处的土壤电流密度为I/2πx

由此，C、D电极之间测得的电位差为：

测得电极间土壤电阻率为：

在本实施例中，本方法通过CDEGS软件实现：

基于CDEGS软件包中FFTSES模块建立雷电流波形函数，对建立的时域下雷电流波形进行正向FFT频域分解，得到雷电流推荐频率。

具体地，在FFTSES模块下的正向FFT界面设定计算的取样指数、雷电流持续时间和计算频域响应所需频率最大样本数；选择浪涌雷电流类型，包括标准雷电流函数、双Heidler函数和双指数函数；输入不同类型雷电流函数参数，以双Heidler函数为例，双Heidler函数的表达式为：

式中，A和B分别是衰减时间和上升时间内通道底部的峰值电流，单位为A；τ

正向FFT利用傅里叶变换将时域中的雷电流波形转换到频域，即

式中，ω为角频率，单位为rad/s。

利用CDEGS软件包中HIFREQ模块，基于实际情况等比例建立输电线路和临近埋地金属管道的三维模型，将雷电流推荐频率导入三维模型中的受雷击杆塔顶端，在管道目标位置设立电磁干扰观测点。

具体地，建立的输电线路和埋地金属管道的三维模型包括输电线路杆塔、输电线路相线和埋地金属管道；输电杆塔包括输电塔架和垂直接地极；输电线路规格包括三相输电导线和两根架空地线；埋地金属管道包括金属管道和管道表面涂层。为保证埋地金属管道电磁干扰参数计算结果的准确性，受雷击杆塔两侧外延的输电线路和杆塔至少为2倍塔距。在测试管道的目标位置上设置观测点，将观测点按照顺序进行编号，计算结果均为观测点处管道的电磁干扰情况。

输入收集到的输电线路和埋地金属管道的结构及电气参数，根据现场测定的土壤电阻率数据在CDEGS软件包中RESAP模块建立等效土壤结构模型，在HIFREQ模块中计算得到未调制且用频域表示的标量电势、电场强度和磁场强度。

具体地，等效土壤结构模型通过CDEGS软件包中RESAP模块建立，通过设定土壤层数，输入根据现场测定的土壤电阻率数据建立等效土壤结构模型。RESAP建立等效土壤模型的计算机理为最速下降法，其计算过程如下：

针对两层水平土壤，基于最小二乘法，定义Ψ(ρ

式中，ρ

为了获得精确的拟合结果，要求Ψ尽可能小，ρ

梯度向量中的各分量为

设△ρ

式中，τ的选择决定了Ψ最小值搜索的平滑程度，上述变化同样反应在误差函数Ψ中，在延梯度最陡方向上产生△Ψ，即

当△Ψ＝0或△Ψ小于目标精度时，Ψ可获得最小值，代表在这一点已经达到计算要求。可以选取新的起始计算点，直到完成全部点的计算。新计算点估算公式为：

K

h

HIFREQ模块计算埋地金属管道的计算机理如下：

埋地金属管道的阻抗包括内部阻抗z

z＝z

对于存在涂层且涂层半径远小于导体外径的导体，其内部阻抗表达式为：

对于埋地有限长导体来说，其外部阻抗为：

式中：I

阻抗计算完成后，建立从坐标原点向x轴向延申的长为l的短导体模型。设在坐标为(x,y,z)处存在某一点，A

宏观上，从导体中流入、流出的纵向电流分别为I

I(v)＝av+b；

当所求v点偏向导体注入电流端时，a＝S/L，b＝I

当所求v点位于导体流出电流端时，a＝-S/L，b＝I

S为从导体均匀泄漏到导电介质中的总横向电流，单位为A。

现将导体分为n段，每一段导体长度极小。取其中第K段，其长度为dx。其在一点处产生的矢量势为：

式中，μ为导体的磁导率，单位为H；R为该点到导体段K的距离，表示为：

因此，积分可得(x

总矢量势为流入电流两端矢量势的加和，即

A

在得出总矢量势后，导体段的磁场强度为

设导体k周围的矢量势、电场、标量势分别为A

E

当对埋地金属管道分析时，由于管道表面涂层厚度很小，A

管道与相邻点之间的电势差为

式中，Y

上述基本物理量计算完成后，可通过对应参数计算公式计算出不同的电磁干扰参数。

针对期望的计算结果在FFTSES中建立对应的数据库，可选计算结果包括标量电势、电场、磁场、导体电流/电势、接触电压、跨步电压；在反向FFT界面选择计算物理量，包括标量电势、接触电压、跨步电压、电场/电场分量、磁场/磁场分量、导体纵向电流、导体泄漏电流、导体GPR、涂层GPR；在反向FFT界面选定观测点，计算观测点处的目标参数。

反向FFT通过傅里叶反变换求得时域下雷电流在埋地金属管道上产生的标量电势V(t)、电场强度E(t)、磁场强度H(t)为：

式中，V

在CDEGS软件包中AutoTransient工具中载入经过反向FFT计算的FFTSES文件和具有目标三维模型的HIFREQ文件，AutoTransient工具会自动迭代计算结果，直到达到精度要求。

在得到管道目标位置电磁干扰参数结算结果后，判断电磁干扰计算结果是否小于规定的安全限值，若小于安全限值则证明目标管道则符合安全需求。

实施例1

一种输电杆塔雷击电流作用下临近埋地金属管道电磁干扰分析方法，包括：

步骤1，收集输电杆塔、输电线路和埋地金属管道的电气参数、材料参数和结构参数，测量输电线路和埋地金属管道所在位置上的土壤电阻率数据；输电线路为220kV单回路，具有A、B、C三条相线和两条架空地线，工作频率为50Hz；相线采用JL/LB20A-400/35型号铝包钢绞线，架空地线采用OPGW-48B1-150光缆导线；输电杆塔高度为50m，杆塔材料为半径10mm的钢棒，接地材料为半径6mm的铜导体。与输电杆塔临近的埋地金属管道关键参数以表1为例，输电线路和埋地金属管道所在处的土壤电阻率以表2为例，输电杆塔的结构示意图以图1为例。

表1

表2

步骤2，基于CDEGS软件包中FFTSES模块建立雷电流波形函数，对建立的时域下雷电流波形进行正向FFT频域分解，得到雷电流推荐频率；以表3中所选的双Heidler雷电流函数关键参数为例，得到的雷电流函数波形曲线如图2所示；正向FFT计算界面如图3所示，取样指数n为12，计算频率相应所需频率样本最大值为30，浪涌持续时间为300微秒。

表3

步骤3，利用CDEGS软件包中HIFREQ模块，基于实际情况等比例建立输电线路和临近埋地金属管道的三维模型，得到模型如图4所示，将步骤2计算得到的雷电流推荐频率施加在目标杆塔顶端，以模拟雷击过程。

步骤4，在HIFREQ模块导入步骤1收集到的输电线路和埋地金属管道的电气、材料和结构参数，根据表2所示的土壤电阻率数据在RESAP模块建立等效土壤结构模型，得到等效土壤结构模型如图5所示，将等效土壤模型导入至HIFREQ模块中，计算得到未调制且用频域表示的标量电势、电场强度和磁场强度。

步骤5，在FFTSES模块带有的数据库中提取HIFREQ模块的计算结果，通过反向FFT计算时域下的标量电势、电场强度和磁场强度，同时得到精度更高的推荐频率。

步骤6，利用CDEGS软件包中AutoTransient工具将推荐频率再次导入HIFREQ模块中，重复步骤2、步骤3、步骤4和步骤5，反复进行HIFREQ和FFTSES之间的计算，直到计算结果达到足够的精度。图7展示了实施例中最终获得的，雷电流首次回击和继后回击时埋地金属管道受到的涂层耐受电压大小。

步骤7，根据步骤6计算得到的雷击输电线路杆塔时管道受到的涂层耐受电压大小，与相关标准中规定的雷击输电杆塔情况下临近埋地金属管道受到的涂层耐受电压限值做比对，预测雷击杆塔发生时临近埋地金属管道受到的电磁干扰程度，判断管道是否存在潜在的安全风险。对于管道涂层耐受电压而言，根据标准，熔结环氧粉末(FBE)防腐层的雷电冲击耐受电压为28kV，聚乙烯防腐层(3PE)防腐层的雷电冲击耐受电压为109kV。

如图7所示，原油运输管道和互供管道的最大涂层耐受电压分别约为6032V和1747V，小于规定的28kV和109kV的安全限值，证明当此输电塔遭受雷击时，杆塔周围的两条埋地金属管道可以正常运行，满足安全需求。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。