交流电网对管道持续干扰分析建模边界的确定方法_郭磊.pdf
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1、 年第 期(总第 期)年 月电瓷避雷器 ()收稿日期:基金项目:国家电网有限公司总部科技项目(编号:)。()。:交流电网对管道持续干扰分析建模边界的确定方法郭 磊,李元杰,姜 辉,徐碧川,寇晓适,鲁海亮,蓝 磊,文习山(国网河南省电力公司电力科学研究院,郑州;武汉大学电气与自动化学院,武汉;中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院,山东 青岛;国网江西省电力有限公司,南昌)摘 要:为分析大区域电网对埋地油气管道的持续干扰,本研究在分析持续干扰电压幅值随线路和管道间距变化规律的基础上,提出利用阈值确定大区域电网建模边界,以构建电网对管道持续干扰分析模型的方法,并建立了计算截断误差的概率模型。结
2、果表明:由距离管道较远线路产生的小幅值干扰电压分量的向量和近似为零,且这些干扰电压分量向量和的模值近似服从瑞利分布;在分析线路平均间距大于 的 电网对管道的持续干扰时,仅考虑管道两侧 内导线按 型杆塔排列的线路,内导线按 型杆塔排列的线路,内导线按 型杆塔排列的线路,内导线按 型杆塔排列的线路,内导线按 型杆塔排列的线路,即可使截断误差有 的概率小于 。关键词:埋地管道;大区域电网;持续干扰;阈值;建模边界 ,(,;,;,;,):,:,;,:;年第 期交流电网对管道持续干扰分析建模边界的确定方法(总第 期)引言随着我国经济的迅速发展,对能源的需求日益增加,而能源分布的不均衡,促使输电线路和油气
3、管道的建设迅速推进,电网和油气管网的规模也不断增大。由于土地资源的限制,以及两者在建设路径选择上的相似性,致使二者不可避免的存在长距离小间距并行甚至交叉跨越的情况,使得电网在管道上产生较大的干扰电压,导致较大的泄漏电流密度,造成人身安全和管道腐蚀问题。电网正常运行情况下,对埋地油气管道的持续干扰包括感性耦合分量和容性耦合分量,但由于土壤的屏蔽效应,感性耦合分量远大于容性耦合分量。为定量分析输电线路对管道的持续干扰,一般使用解析法或数值法进行计算。解析法可借助于理论公式,对管道上的干扰电压进行计算和解释,但在输电线路和管道间相对位置关系复杂多变时,计算难度较大。数值法可借助 等专业软件实现复杂输
4、电网络对管道持续干扰的仿真计算,在管道电磁干扰分析方面已得到较广泛的应用,但对计算结果的解释分析难度较大。电网对埋地油气管道的干扰严重威胁着石油、天然气的运输安全,现已引起人们的高度关注,在大量管道工程中都对干扰电压进行了校核。为指导管道的施工和防护,国内外学者对持续干扰电压的影响因素进行了大量分析,结果表明土壤电阻率和管道参数对干扰电压的影响较小,线路参数、管道与线路间的相对位置关系对干扰电压影响较大,并发现埋地管道与架空电力线路并行时存在饱和平行长度。管道上的干扰电压是由电网中所有输电线路共同产生的,但已有研究都是以单条或少数几条输电线路对管道的干扰为研究对象,这将导致分析结果与实际存在差
5、异。组成电网的导体数量极多,在分析大区域电网对埋地管道的持续干扰时,对所有输电线路进行详细建模是不现实的,因而有必要提出一种确定大区域电网对埋地管道持续干扰分析建模边界的方法,在使计算结果满足精度需求的同时,减少计算模型中所需考虑输电线路的数量。本研究利用数值法分析输电线路对管道的干扰机理,获得电网对管道电磁干扰与输电线路对管道电磁干扰间的关联关系,进而提出利用干扰电压阈值确定大区域电网建模边界的方法,同时构建相应的概率模型以评估截断边界所带来的误差。电网对管道的干扰机理 持续干扰机理稳态条件下,交流输电线路对临近埋地油气管道的干扰可分为感性耦合分量和容性耦合分量,见图。图 持续干扰机理 感性
6、耦合是指输电线路中的交变电流会产生交变磁场,使埋地金属管道产生纵向感应电势的现象,纵向电势作用于管道、防腐层和大地构成的回路,将产生纵向电流和泄漏电流,造成人身安全和管道腐蚀问题。容性耦合是由于输电导线上存在极高的对地电位,使周围空间中存在一定的电位分布,导致金属管道上感应出一个对地电位。但土壤具有一定导电性能,对电场具有较好的屏蔽效应,因而埋地金属管道的容性耦合分量远小于感性耦合分量。持续干扰电压计算原理由于电网对管网的电磁干扰是通过电磁场实现的,因此其遵循麦克斯韦方程组:|()式中,为磁场强度;为磁通密度;为电位移矢量;为电场强度;为空间电荷密度;为传导电流密度。引入矢量磁位 和标量位函数
7、,使 ,则由麦克斯韦方程组第二式有:()将式()代入麦克斯韦方程组第、式,得达朗贝尔方程组:()式中,为相位常数,、分别是磁导率和介电常数。干扰源对受干扰点的干扰,由以下通解给出:年第 期电 瓷 避 雷 器(总第 期)()()|()式中,为受干扰点距离干扰源的距离。由于感性耦合分量远大于容性耦合分量,因此忽略容性耦合分量的影响。将电网导体分段为 段,管网导体分段为 段,分段后第 段导体中流过电流为,则第 段导体在第 段导体处的感应电势为 ()第 段管网导体段上的感应电势为所有电网导体段上电流在该导体上感应出的电势之和,即()管网在感应电势作用下,将经防腐层和土壤形成通流回路,在地中形成一定的电
8、流场分布。分段后的管网导体段散流示意图见图。图 管网导体段散流示意图 若分段后的管网存在 个端点,则由于分段后的管网导体较短,因而可将第 段管道上的电位 取为与之相邻两端点的电压 和 的均值,即:()写为矩阵形式为:()同理,将各段导体的散流电流 均分为两部分,由与之相连的两节点流入大地,则:()式中,为各节点的等效散流电流。对分段后的管网导体运用 和 有:()()式中,为支路导纳矩阵;为关联矩阵;为各管网导体上流过电流。因此由式()可建立节点导纳方程为 ()利用格林函数可知,各导体电位与散流电流间的关系为 ()式中,为各导体段间的互阻抗矩阵,包括感性分量和阻性分量,感性分量计算方法同式(),
9、阻性分量可利用格林函数算得。联立式()式()可算出管道电位为 ()()确定大区域电网对油气管道持续干扰分析建模边界的方法 线路与管道间距对持续干扰电压的影响为提出确定大区域电网对埋地油气管道持续干扰分析建模边界的方法,笔者先以 输电线路对埋地油气管道的持续干扰为例,计算分析线路与管道间距对持续干扰电压的影响规律。这里假设 线路导线按 型杆塔进行排列,根据 输电线路通用设计,该输电线路为单回路运行,输电导线水平排列,导线间距为 ,悬挂高度为 ,截面积为 的钢芯铝 绞 线。避 雷 线 悬 挂 高 度 为 ,间 距 为 ,截面积为 的铝包钢导线,见图。图 输电线路对管道持续干扰计算模型 对某省 条
10、输电线路的载流能力进行统计,结果见表。为使分析结果更具普适性,取中位数 进行计算分析。由式()和式()可知,管道上干扰电压与输电线路电流近似成正比,因此在电流不等于该值时,也可由本文计算结果推算其余载流情况下的结论。表 线路导线载流能力统计 项目数量 条电流范围 均值 中位数 值 年第 期交流电网对管道持续干扰分析建模边界的确定方法(总第 期)由于管道结构参数对持续干扰的影响较小,因此本研究计算中管道使用表 中的典型参数。表 典型管道参数 项目值外径 管壁厚度 管道金属电阻率 ,相对磁导率 埋深 防腐层,厚度 ,电阻率,在土壤电阻率,输电线路与管道并行 的条件下,计算线路与管道处于不同间距时管
11、道上的干扰电压分布,结果见图。由图()可知,输电线路与管道平行时,管道上的持续干扰电压幅值呈“字形”分布,关于中点处对称,且中点处电位为零,而管道两端电位的相位差约为,即电流从一端流入管道的同时在另一端流出管道,形成“土壤管道土壤”的电流回路。由图()可知,随着输电线路与管道间距的增大,管道上干扰电压的下降速度迅速减缓,且当管道上最大干扰电压小于 时,持续干扰电压幅值随间距的减小速度将变得极慢。图 线路与管道间距对持续干扰电压的影响 截断误差评估模型的构建在研究大区域电网对油气管道的持续干扰时,管道上的干扰电压将由电网中所有输电线路共同决定,若要精确计算管道上的干扰电压,则需要对整个电网进行建
12、模,但由于电网不仅覆盖范围极广,且包含的导体数量极多,精确计算是难以实现的。因而有必要提出一种确定大区域电网建模边界的方法,在考虑较少输电线路的同时,保证干扰电压的计算误差在合理的范围内。由 节的分析可知,当输电线路与埋地金属管道间距较大时,管道上的持续干扰电压极小,因此笔者提出仅考虑距离管道较近的输电线路在管道上产生的持续干扰电压,进而获得大区域电网建模边界的方法。为提出满足计算精度要求的大区域电网建模边界,本节在干扰电压随线路与管道间距的变化规律基础上,结合中心极限定律,构建截断误差的评估模型。由式()可知,输电线路对管道的感应电势 是所有输电线路导体段上电流的加权和,权值为线路导体段与管
13、道导体段间的互感。再由式()可知,管道上干扰电压 与感应电势 成正比,因此有式(),即管道上的干扰电压是电网中所有输电线路在管道上的干扰电压向量和,且各输电线路对管道的干扰电压与流过电流成正比。()式中,由输电线路与管道相对位置等参数确定的常数,可由式()和式()进行计算;为第 条输电线路上的电流;为第 条输电线路在管道上的干扰电压。图 电网中各输电线路在管道上的干扰电压 因此根据式()可将管道上的总干扰电压分解为电网中各输电线路产生的干扰电压分量,则负荷电流、并行长度、输电线路与管道间距、夹角等将使各干扰电压分量的幅值和相角存在较大差异,见 年第 期电 瓷 避 雷 器(总第 期)图。由 节的
14、分析可知,虽然电网由大量输电线路组成,管道上也存在大量干扰电压分量,但仅管道两侧较小范围内的输电线路能产生幅值较大的持续干扰电压分量,且管道上的持续干扰电压也主要由这些幅值较大的干扰电压分量决定,称为主要分量。为在持续干扰分析模型中考虑到所有主要分量,利用阈值 确定可能产生主要分量(幅值大于阈值)的输电线路所在区域,其边界为,使位于边界 外的输电线路所产生的干扰分量都为幅值小于阈值 的次要分量,并将由该类次要分量所组成的集合表示为,则边界 即为交流电网对管道持续干扰分析的建模边界,集合 中所有干扰电压分量的向量和即为截断误差。针对输电线路在管道上的干扰电压,将其幅值 和相位 看作两个独立的随机
15、变量。由于各输电线路与管道空间相对位置、载流电流相位的差异,将导致各线路产生的干扰电压分量的相位存在较大差异,可近似认为其服从均匀分布,即 ,则概率密度函数为()(),其他()干扰电压幅值 为输电线路与管道间距 的函数,即:()()当间距 较大,干扰电压幅值 较小时,将随 单调下降,因此存在可逆函数,使式()成立。()()()对式()取微分可得间距对管道上干扰电压的变化率。()()若输电线路分布均匀,则管道两侧一定间距范围内的输电线路数量将与间距大小 成正比,因而可认为干扰电压幅值在,内的概率分布为()(),其他()式中,为常数,();为阈值;为任意小正数。将干扰电压向量表示为随机变量,则:(
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