CN116029244A - 一种在直流入地电流影响下埋地金属管道等效电路模型 - Google Patents

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孟晓波
杨旭洋
王晓刚
曹针洪
舒华
张�杰
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杨平
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Abstract

本发明涉及埋地管道领域，且公开了一种在直流入地电流影响下埋地金属管道等效电路模型，防护措施等效成相应的电路模型。管道防腐层相当于在管道金属和大地之间加了一个电阻；绝缘接头隔断两侧管道的电气连接；局部接地、牺牲阳极和强制排流都有广义的接地装置，其接地装置按照普通接地导体的方式来处理。局部接地装置通常是通过固态去耦合器与管道相连，在分析直流接地极对管道的影响时，固态去耦合器处于导通状态，等效成连接管道与接地装置之间的一个电压源。牺牲阳极与被保护管道接触时会在两种金属表面产生接触电位差，连接管道的牺牲阳极等效成一个连接管道和牺牲阳极导体之间的电压源。

Description

一种在直流入地电流影响下埋地金属管道等效电路模型
技术领域
本发明涉及埋地管道领域，具体为一种在直流入地电流影响下埋地金属管道等效电路模型。
背景技术
直流输电系统也会对附近的埋地管道产生安全影响，在直流接地极与管道均十分密集的地方，直流接地极入地电流对附近的埋地管道的影响会非常大。由于两者的选址原则基本一致，直流输电工程接地极和输油气管道接近的情况时有发生。特别是在南方人口密集且较为发达的地区，为了减少土地的占用，直流输电工程和输油气管道甚至共用走廊，使得直流接地极对附近埋地金属管道的电磁干扰影响日益突出。有数据表明，管道泄漏事故中，80％是由交直流干扰腐蚀造成的。
目前直流输电系统单极运行难以避免，管道上的防护措施还不完善，接地极入地电流对管道的影响问题十分突出。进一步细化研究直流接地极入地电流对埋地油气管道的影响是消除安全生产隐患的关键。由于大容量、远距离直流输电工程国内外并不多，且直流输电系统与管道共用走廊的情况也是最近几年才开始出现，因此到目前为止国内外缺乏相关的研究成果，迫切需要开展直流接地极入地电流对埋地金属管道影响的理论研究，并通过测试获得直流接地极入地电流对管道影响的真实情况，来验证理论分析的正确性。通过接地极电流对管道的影响因素研究，得到接地极电流影响下管道的各种防护措施的效果及适用性，研究成果对未来管道的选址及防护措施的使用有重要参考意义。
输油输气管道常年埋设于土壤中，除了受直流接地极电流影响外，还受土壤腐蚀、交流输电线路干扰、雷击、电气化铁路干扰和自然地质灾害等因素的影响。工程中常用的管道防护措施有局部接地法、分段绝缘法、牺牲阳极法和强制阴极电流法等，这几种方法主要是用于防雷和抑制管道腐蚀，后来研究发现这几种方法对削弱直流接地极对管道影响也有较好的效果。直流输电工程国内外并不多见，直流接地极与管道相距较近且对管道造成较大干扰的情况更是少见，国外目前还没有专门的文献来进行直流接地极电流影响下的管道防护措施使用研究。国内的相关研究主要针对具体的工程，没有进行各种措施防护机理的分析，未得到各种防护措施的等效电路模型，无法建立仿真计算模型，模拟计算各个防护措施的效果。这些防护措施的存在都会改变接地极入地电流对管道的影响情况。若要准确求解管道各处的电位和电流分布，需要考虑这些防护措施的影响，为此我们提出了一种在直流入地电流影响下埋地金属管道等效电路模型。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种在直流入地电流影响下埋地金属管道等效电路模型，解决了上述的问题。
(二)技术方案
为实现上述所述目的，本发明提供如下技术方案：一种在直流入地电流影响下埋地金属管道等效电路模型，包括管道本体，管道本体由无包覆层的实心圆柱导体或可等效成无包覆层的实心圆柱导体所构成的接地装置；
基于每段导体上的电流分布导体上的电流分布满足下述公式：
Figure BDA0003990285550000021
Figure BDA0003990285550000022
是该段导体注入电流，
Figure BDA0003990285550000023
是该段导体漏电流，
Figure BDA0003990285550000024
和
Figure BDA0003990285550000025
是该段导体的轴向电流；
导体的漏电流在导体中点处产生的电位和为两端分别连接导体中点和无穷远之间的电压源，可表示为：
Figure BDA0003990285550000026
式中m为分段后的导体总段数，
Figure BDA0003990285550000027
是第i段导体的漏电流，Rei是第i段导体的单位漏电流在第e段导体中点上产生的电位。
优选的，所述管道本体为侧覆盖一层可以看作是连接土壤和导体之间电阻的包覆绝缘防腐层的空心圆柱导体；
导体漏电流在第k段；
Figure BDA0003990285550000031
式中m为接地极导体总段数、t为管道导体总段数、n为管道上防护措施对应的接地装置的导体总段数，
Figure BDA0003990285550000032
分别为对应接地极、管道和管道上防护措施对应的接地装置的漏电流，Rki、Rkj、Rkh分别为对应接地极、管道和管道上防护措施对应的接地装置的单位漏电流在第k段管道中点防腐层外表面产生的电位；
无防腐层的普通导体，可以看做防腐层电阻为零，防腐层两侧的电位差项和防腐层外表面电位合并：
Figure BDA0003990285550000033
导体的漏电流在导体中点处产生的电位和为两端分别连接导体中点和无穷远之间的电压源，可表示为：
Figure BDA0003990285550000034
式中Ve为所有导体漏电流在第e段接地极导体中点产生的电位。
优选的，所述绝缘接头在支线管道连接处、不同防腐层管道间、不同电解质、管道间、交直流干扰影响的管道上、实施阴极保护的管道和未保护设施之间使用，以隔断两侧管道的电气连接。
绝缘接头可以按照两段接地体没有重合点来处理，因此在输入接地体位置参数时，只需要保证连接绝缘接头的两段接地体没有重合部分即可。
优选的，所述管道本体为设置在与高压交直流线路及电气铁轨靠近的地方，局部接地装置通过固态去耦合器或者双向稳压二极管和电容并联的形式与管道本体相连，符号V″表示固态去耦合器的导通电压。
优选的，所述管道本体通过通过电缆或直连的方式与牺牲阳极相接，V′为牺牲阳极与所连管道之间的接触电位差。
优选的，所述管道本体通过双向强制排流装置连接阳极地床，管道本体为阴极，I′为该强制阴极排流装置的电流。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种在直流入地电流影响下埋地金属管道等效电路模型，具备以下有益效果：
1、该在直流入地电流影响下埋地金属管道等效电路模型，将防护措施等效成相应的电路模型，可以建立仿真计算模型，模拟计算各个防护措施的效果。
附图说明
图1为管道模型示意图；
图2为导体电流示意图；
图3为局部导体示意图；
图4为局部导体等效电路图；
图5为防腐层的电路模型；
图6为绝缘接头模型图；
图7为接地装置模型图；
图8为固态去耦合器电路图；
图9为牺牲阳极模型图；
图10为牺牲阳极电路图；
图11为强制阴极排流装置模型图；
图12为强制阴极排流装置电路图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
请参阅图1-12，一种在直流入地电流影响下埋地金属管道等效电路模型，包括以下内容：
管道电路模型的建立
为抑制管道受到杂散电流干扰而引起的腐蚀以及接地极电流及雷击而造成的绝缘层击穿和保护设备损坏，管道上通常会采用相应的防护措施，主要包括防腐层、绝缘接头、局部接地、牺牲阳极、强制排流等。
首先，管道的防腐层为管道提供基础的保护，在管道铺设和后期运行过程中，防腐层难免会出现破损的情况，在防腐层破损区域，腐蚀会尤为严重。通常在使用防腐层的基础上，配合使用其他防护措施来保证管道的正常运行。这些防护措施主要分为两类：阴极保护和干扰防护。阴极保护包括牺牲阳极法和强制电流法两种。牺牲阳极保护通常是在管道周围铺设锌带或镁带，强制阴极电流保护是在管道上增加电流装置(恒电位仪)，通过调节电流的大小，使管道对地电位保持在-0.8～-1.2V之间，以达到保护的效果。干扰防护主要包括局部接地和安装绝缘接头两种。为使阴极保护措施只在管道的某一段起作用而不影响其他管道，通常会在管道上加绝缘接头以使两边管道电气绝缘。为减缓电力故障对管道及其辅助设备的影响，给干扰电流提供一个泄放通道，会对管道采取局部接地措施，为防止管道上阴极保护电流通过局部接地装置流失，管道通常会通过固态去耦合器和局部接地装置连接。
在分析埋地金属管道受直流接地极入地电流的影响时，需要统一考虑以上措施。使用了以上防护措施的管道模型如图1所示。
从图1可以看到，管道本体是包覆了绝缘防腐层的空心圆柱导体，局部接地、牺牲阳极、强制排流等各种需要接地的措施所对应的接地装置可以视为没有防腐层的圆柱导体，因此这些部分可以视为是广义的接地体，其分析方法可以借鉴接地装置的数值分析方法。而相应的措施相当于是在管道和接地装置之间施加了额外的电路。同时，管道与土壤之间还存在极化效应，为了更精确的分析管道受接地极电流的影响，还需要考虑管道的极化效应。
因此，如果将管道和各种接地装置使用矩量法建立等效的电路模型，再将管道上所施加的每一种防护措施和管道的极化效应等效成合适的电路模型，就可以得到整个系统的场路耦合模型，进而求解出相关的电气参数。
下面针对以上每种措施和管道的极化效应，分析其原理和等效电路模型。由于管道上电流分布的不均匀性，本文以矩量法为基础进行建模。
普通接地装置的电路模型
这里的普通接地装置指的是由无包覆层的实心圆柱导体或可等效成无包覆层的实心圆柱导体(如扁钢和角钢)所构成的接地装置，如局部接地、牺牲阳极、强制排流等各种措施需要的接地装置以及直流接地极。
埋地导体周围土壤中任一点的电位是由所有导体的漏电流共同产生的，在进行接地装置数值计算时，需要先求出所有导体的漏电流分布。
首先将接地导体分段，每段导体上的电流分布如图2所示，图中
Figure BDA0003990285550000061
是该段导体注入电流，
Figure BDA0003990285550000062
是该段导体漏电流，
Figure BDA0003990285550000063
和
Figure BDA0003990285550000064
是该段导体的轴向电流，则每一小段导体都满足基尔霍夫电流定律：
Figure BDA0003990285550000065
对于由多个小段相交所构成的小型网络，可以做出图3所示的局部导体示意图，图中交点共连接q根导体，图4是以该交点为节点的等效电路图。
图4中R1-1、R2-2、…、Rk-k、…、Rq-q分别为第1、2、…、k、…、q段导体起点到中点之间的电阻，V1、V2、…、Vk、…、Vq为所有导体的漏电流在第1、2、…、k、…、q段导体中点处产生的电位和，可以认为是两端分别连接导体中点和无穷远之间的电压源：
Figure BDA0003990285550000071
式中m为分段后的导体总段数，
Figure BDA0003990285550000072
是第i段导体的漏电流，Rei是第i段导体的单位漏电流在第e段导体中点上产生的电位。
防腐层和绝缘接头的电路模型
管道本体是包覆了绝缘防腐层的空心圆柱导体。管道长期埋于地下，除了可能受到自然灾害和人为损坏之外，还会受到土壤的腐蚀。经验表明，土壤腐蚀是造成管道破裂、渗漏的主要原因。管道表面使用防腐层的作用就是将管道金属和腐蚀介质隔离，以保护管道金属不受腐蚀。管道防腐层有很高的电阻率，远远大于管道金属的电阻率且防腐层的厚度远小于管道半径，所以轴向电流几乎都从管道金属中流过，防腐层里的轴向电流可以忽略。分段后的每小段管道较短时，可认为漏电流均匀的向外流出，防腐层可以看作是连接土壤和管道金属之间的电阻。
管道的地电位升是由接地极、管道和管道上各种措施对应的接地装置的漏电流共同产生的，如图5所示。
图5中Rk-coat、R(k+1)-coat为第k段、第k+1段导体(管道)的防腐层等效电阻，
Figure BDA0003990285550000073
为所有导体(接地极导体、管道和管道上各种措施对应的接地装置)漏电流在第k段、第k+1段管道中点防腐层外表面产生的电位。以第k段管道为例：
Figure BDA0003990285550000074
式中m为接地极导体总段数、t为管道导体总段数、n为管道上防护措施对应的接地装置的导体总段数，
Figure BDA0003990285550000075
分别为对应接地极、管道和管道上防护措施对应的接地装置的漏电流，Rki、Rkj、Rkh分别为对应接地极、管道和管道上防护措施对应的接地装置的单位漏电流在第k段管道中点防腐层外表面产生的电位。
将防腐层两侧的电位差项和防腐层外表面电位合并，可得：
Figure BDA0003990285550000081
式中也包含了防腐层电阻项，对于无防腐层的普通导体，可以看做防腐层电阻为零，依然可以使用上述公式。实际上，普通接地装置的电路求解，除了应该考虑接地装置本身的影响，还应该考虑附近管道和管道上各种措施对应的接地装置的影响，公式(2-2)相应的变为：
Figure BDA0003990285550000082
式中Ve为所有导体(接地极导体、管道和管道上各种措施对应的接地装置)漏电流在第e段接地极导体中点产生的电位。
绝缘接头一般在支线管道连接处、不同防腐层管道间、不同电解质(如河流穿越处)管道间、交直流干扰影响的管道上、实施阴极保护的管道和未保护设施之间使用，以隔断两侧管道的电气连接。
绝缘接头可以按照两段接地体没有重合点来处理，因此在输入接地体位置参数时，只需要保证连接绝缘接头的两段接地体没有重合部分即可。
局部接地装置的电路模型
在管道与高压交直流线路及电气铁轨靠近的地方，管道容易受到持续高电压的耦合影响，这加大了管道的腐蚀及受到电危害的风险。局部接地装置可以减缓电力故障情况下，交直流系统及电气铁轨对附近埋地金属管道的影响，避免强电冲击对管道辅助设施、阴极保护设备或管道防腐层的损坏。局部接地装置通常不会直接与管道相连，而是通过固态去耦合器与管道相连，示意图如图7所示。
固态去耦合器具有在低压直流时的高电阻和交流时的低电阻特性。直流电流较小时，固态去耦合器两端的电压小于该装置的启动电压，所以该装置不导通，以此来有效隔离阴极保护电流，从而避免阴极保护电流的损失；直流电流较大时，固态去耦合器导通，可以为电流提供一个双向流通通道。交流时，启动电压低，可将感应交流电压降到允许的极限电压内。所以固态去耦合器可以等效成双向稳压二极管和电容并联的形式，可以根据所需隔离直流电流的大小来选择稳压二极管的型号，其等效电路如图8所示。
在分析直流接地极对管道的影响时，管道中直流电流通常较大，固态去耦合器处于导通状态，所以固态去耦合器就可以等效成连接管道与接地装置之间的一个电压源，其电压大小等于固态去耦合器的导通电压，用符号V″表示。
需要说明的是，接地装置的电位不是零电位，而是由接地极、管道和接地装置自身的漏电流共同决定的。同理，下文牺牲阳极和强制阴极排流保护中的辅助阳极的电位也同样处理。
牺牲阳极的电路模型
牺牲阳极法是一种简易有效的防腐措施，具有不需要外加电源、不会干扰临近金属设施、电流分散能力好、易于管理和维护等优点。牺牲阳极通过电缆或直连和管道金属形成电气连接，牺牲阳极本身是一种比管道金属更活泼的金属，常用的阳极材料有锌带和镁带等，这些牺牲阳极材料可以提供比管道更负的电位，与管道连接后，在电化学作用下，牺牲阳极逐渐被消耗，减缓了被保护金属的腐蚀，采用的是腐蚀原电池的原理。其模型如图9所示。
牺牲阳极与被保护管道接触时会在两种金属表面产生接触电位差，所以连接管道的牺牲阳极等效成一个连接管道和牺牲阳极导体之间的电压源，把牺牲阳极本体当成是普通接地体来处理，这样在计算中可以考虑牺牲阳极的布置位置对管道的影响。牺牲阳极电路图如图10所示。
V′为牺牲阳极与所连管道之间的接触电位差。
强制阴极排流装置的电路模型
强制电流法又称为外加电流法，具有输出电流连续可调、保护范围大、不受土壤电阻率限制等优点。外加电流的负极和被保护管道相连，正极与辅助阳极相连，保护电流通过辅助阳极流入土壤，然后流向金属管道，被保护金属管道为阴极，发生还原反应，管道金属的腐蚀受到抑制，从而减缓了管道的腐蚀，采用的是电解池的原理。在管道受接地极电流影响时，强制排流装置的电流方向可以是双向的。强制阴极排流装置的模型如图11所示。
强制阴极排流装置等效成一个两端分别连接管道和阳极地床之间的电流源，把阳极地床本体当成是普通接地体来处理，这样在计算中可以考虑牺牲阳极的布置位置对管道的影响。强制阴极排流装置电路如图12所示。
通过对管道上的各种防护措施作用机理的分析，将防护措施等效成相应的电路模型。管道防腐层相当于在管道金属和大地之间加了一个电阻；绝缘接头隔断两侧管道的电气连接，等效成一段电阻率很大的空心圆柱体；局部接地、牺牲阳极和强制排流都有广义的接地装置，其接地装置按照普通接地导体的方式来处理，其作用的机理相当于在接地导体和管道上加入了额外的电路。局部接地装置通常是通过固态去耦合器与管道相连，在分析直流接地极对管道的影响时，固态去耦合器处于导通状态，等效成连接管道与接地装置之间的一个电压源。牺牲阳极与被保护管道接触时会在两种金属表面产生接触电位差，所以连接管道的牺牲阳极等效成一个连接管道和牺牲阳极导体之间的电压源。强制阴极排流装置等效成一个两端分别连接管道和阳极地床之间的电流源。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种在直流入地电流影响下埋地金属管道等效电路模型，其特征在于，包括管道本体，管道本体由无包覆层的实心圆柱导体或可等效成无包覆层的实心圆柱导体所构成的接地装置；
基于每段导体上的电流分布导体上的电流分布满足下述公式：
Figure FDA0003990285540000011
Figure FDA0003990285540000012
是该段导体注入电流，
Figure FDA0003990285540000013
是该段导体漏电流，
Figure FDA0003990285540000014
和
Figure FDA0003990285540000015
是该段导体的轴向电流；
导体的漏电流在导体中点处产生的电位和为两端分别连接导体中点和无穷远之间的电压源，可表示为：
Figure FDA0003990285540000016
式中m为分段后的导体总段数，
Figure FDA0003990285540000017
是第i段导体的漏电流，Rei是第i段导体的单位漏电流在第e段导体中点上产生的电位。
2.根据权利要求1所述的一种在直流入地电流影响下埋地金属管道等效电路模型，其特征在于：所述管道本体为侧覆盖一层可以看作是连接土壤和导体之间电阻的包覆绝缘防腐层的空心圆柱导体；
导体漏电流在第k段；
Figure FDA0003990285540000018
式中m为接地极导体总段数、t为管道导体总段数、n为管道上防护措施对应的接地装置的导体总段数，
Figure FDA0003990285540000019
分别为对应接地极、管道和管道上防护措施对应的接地装置的漏电流，Rki、Rkj、Rkh分别为对应接地极、管道和管道上防护措施对应的接地装置的单位漏电流在第k段管道中点防腐层外表面产生的电位；
无防腐层的普通导体，可以看做防腐层电阻为零，防腐层两侧的电位差项和防腐层外表面电位合并：
Figure FDA0003990285540000021
导体的漏电流在导体中点处产生的电位和为两端分别连接导体中点和无穷远之间的电压源，可表示为：
Figure FDA0003990285540000022
式中Ve为所有导体漏电流在第e段接地极导体中点产生的电位。
3.根据权利要求2所述的一种在直流入地电流影响下埋地金属管道等效电路模型，其特征在于：所述绝缘接头在支线管道连接处、不同防腐层管道间、不同电解质、管道间、交直流干扰影响的管道上、实施阴极保护的管道和未保护设施之间使用，以隔断两侧管道的电气连接。
绝缘接头可以按照两段接地体没有重合点来处理，因此在输入接地体位置参数时，只需要保证连接绝缘接头的两段接地体没有重合部分即可。
4.根据权利要求1所述的一种在直流入地电流影响下埋地金属管道等效电路模型，其特征在于：所述管道本体为设置在与高压交直流线路及电气铁轨靠近的地方，局部接地装置通过固态去耦合器或者双向稳压二极管和电容并联的形式与管道本体相连，符号V″表示固态去耦合器的导通电压。
5.根据权利要求1所述的一种在直流入地电流影响下埋地金属管道等效电路模型，其特征在于：所述管道本体通过通过电缆或直连的方式与牺牲阳极相接，V′为牺牲阳极与所连管道之间的接触电位差。
6.根据权利要求1所述的一种在直流入地电流影响下埋地金属管道等效电路模型，其特征在于：所述管道本体通过双向强制排流装置连接阳极地床，管道本体为阴极，I′为该强制阴极排流装置的电流。
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CN114150320A (zh) * 2021-12-03 2022-03-08 深圳承远航空油料有限公司 机坪阀井电气仪表阴保耦合器接地方法和系统

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CN114150320B (zh) * 2021-12-03 2024-04-16 深圳承远航空油料有限公司 机坪阀井电气仪表阴保耦合器接地方法和系统

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