本發(fā)明涉及高壓/特高壓直流輸電系統(tǒng)接地極引起附近金屬管道雜散電流的預(yù)測，具體地說是一種基于數(shù)值分析的金屬管道雜散電流預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

隨著國家西電東送戰(zhàn)略實(shí)施，我國已經(jīng)建成多條高壓/特高壓直流輸電線路，在其送端和受端換流站分別設(shè)有接地極。同時(shí)，由于我國能源需求快速發(fā)展，油氣管道項(xiàng)目快速推進(jìn)，存在在同一走廊中同時(shí)有直流接地極和油氣管道等多個(gè)系統(tǒng)的問題。

當(dāng)高壓/特高壓直流輸電系統(tǒng)直流工作電流(如：單極大地回線方式下)或不平衡電流通過直流接地極泄入大地時(shí)，將引起附近土壤中各點(diǎn)電位變化，埋地金屬管道若處于不同電位的土壤介質(zhì)中，將在管道上形成縱向電流，影響管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并在電流離開金屬的地方發(fā)生陽極腐蝕反應(yīng)，導(dǎo)致金屬管道的電化學(xué)腐蝕。高壓/特高壓直流輸電系統(tǒng)接地極對金屬管道安全運(yùn)行的主要影響為腐蝕。另外，接地極對管道附屬設(shè)施的影響主要是對陰極保護(hù)設(shè)施的干擾和對管道閥門內(nèi)部接頭的絕緣損壞。

但是由于接地極與金屬管道都埋在地下，導(dǎo)致人們對地下金屬管道中的雜散電流的腐蝕情況不能實(shí)時(shí)觀察，所以需要一種方法來預(yù)測其雜散電流的大小，從而更好地為金屬管道進(jìn)行防腐蝕工作，在為接地極和管道選址時(shí)，也可以作為參考依據(jù)之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對高壓/特高壓直接輸電系統(tǒng)接地極引起附近金屬管道雜散電流而導(dǎo)致金屬管道被電化學(xué)腐蝕的現(xiàn)狀，提供一種基于數(shù)值分析的金屬管道雜散電流預(yù)測方法，其可以較為準(zhǔn)確的計(jì)算出在直流接地極附近的金屬管道中雜散電流大小，為金屬管道提供防腐蝕措施的依據(jù)，為設(shè)計(jì)管道與接地極的位置提供理論依據(jù)。

為此，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：一種基于數(shù)值分析的金屬管道雜散電流預(yù)測方法，包括以下步驟：

步驟一，對目標(biāo)金屬管道與直流輸電系統(tǒng)接地極情況進(jìn)行簡化處理，減小后續(xù)計(jì)算量；

步驟二，構(gòu)建直流輸電系統(tǒng)接地極導(dǎo)致的金屬管道雜散電流的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)?shù)仉妶鎏幱诜€(wěn)態(tài)，同時(shí)管道陰極保護(hù)體系電位分布為穩(wěn)定狀態(tài)，采用靜電場方程來描述；

步驟三，基于步驟二的數(shù)學(xué)模型，對金屬管道及直流輸電系統(tǒng)接地極的區(qū)域進(jìn)行限制并確定相應(yīng)的邊界條件；

步驟四，構(gòu)建目標(biāo)金屬管道的幾何模型，該幾何模型包括三個(gè)計(jì)算域，分別為接地極、土壤、金屬管道；

步驟五，利用所述的數(shù)學(xué)模型與幾何模型，使用數(shù)值模擬軟件(優(yōu)選為ANSYS中的CFX模塊)進(jìn)行模擬仿真，計(jì)算金屬管道雜散電流的大小。

進(jìn)一步地，步驟一中的簡化處理如下：

1)直流輸電系統(tǒng)接地極的埋深對金屬管道電位、縱向電流及溢散電流的影響很小，忽略不計(jì)；

2)假設(shè)無窮遠(yuǎn)處土壤邊界為自然電位，靠近接地極的邊界為絕緣面，對應(yīng)的目標(biāo)金屬管道的外線路電阻均為零，金屬管道表面光潔；

3)假設(shè)土壤區(qū)域相對管道的尺寸無限大，土壤中介質(zhì)均勻且各向同性，土壤電導(dǎo)率和金屬管道在土壤介質(zhì)中的極化曲線唯一。

進(jìn)一步地，步驟二中的靜電場方程如下：

由于接地極以及金屬管道電位分布為靜電場，故只考慮麥克斯韋方程前兩項(xiàng)，即

其中ρ_t指空間中自由電荷的分布，在靜止?fàn)顟B(tài)下，有此時(shí)電場特性方程為：

從而得到靜電場電勢基本微分方程：

假設(shè)在求解區(qū)域內(nèi)部沒有電荷分布，即系統(tǒng)內(nèi)沒有電流的得失，也不存在遠(yuǎn)點(diǎn)或者匯點(diǎn)，從而得到數(shù)學(xué)模型的控制方程如下，

式中：ε為金屬管道中所在介質(zhì)的電導(dǎo)率，mA/m²；ρ為金屬管道中所在介質(zhì)的電阻率，Ω·m；φ為電勢，V。

為進(jìn)一步簡化管道，將金屬管道全部等效為圓柱結(jié)構(gòu)，修正其電阻率保證其等效之后的電阻不變；假設(shè)金屬管道的內(nèi)半徑為r₁，外半徑為r₂，管壁的厚度為d，則金屬管道單位長度的電阻為

等效的金屬管道單位長度的電阻為

簡化得

式中，ρ₁、ρ₂分別表示金屬管道前后所在介質(zhì)的電阻率，Ω·m。此步驟是為了更方便的計(jì)算金屬管道涂層面電阻與極化電阻，是等效簡便的說明。

進(jìn)一步地，步驟三中，在設(shè)定邊界條件時(shí)，設(shè)定換流站為電流邊界，并將足夠遠(yuǎn)的大地遠(yuǎn)方設(shè)定為等位邊界條件，邊界條件如下：

換流站邊界條件：

地表面邊界條件：

金屬管道受影響的邊界條件：

式中，R_c(x,y,z)為金屬管道涂層面電阻，Ω·m²；χ表示介質(zhì)極化率，表示管道內(nèi)電流密度，A/m²；R_p為金屬管道極化電阻，Ω；ρ_soil(s,y,z)為土壤電阻率，Ω·m。

本發(fā)明具有的有益效果：本發(fā)明可以較為準(zhǔn)確的計(jì)算出在直流接地極附近的金屬管道中雜散電流大小，為金屬管道提供了防腐蝕措施的依據(jù)，為設(shè)計(jì)管道與接地極的位置提供了理論依據(jù)。

附圖說明

圖1為直流雜散電流引起的金屬管道電腐蝕示意圖；

圖2為本發(fā)明管內(nèi)地電位升模擬結(jié)果圖；

圖3為本發(fā)明管內(nèi)泄漏電流密度模擬結(jié)果圖；

圖4為雜散電流形成等效電路示意圖；

圖5為本發(fā)明雜散電流實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

具體實(shí)施方式

一種基于數(shù)值分析的金屬管道雜散電流預(yù)測方法，其步驟如下：

步驟一，利用ANSYS軟件對金屬管道和接地極進(jìn)行幾何模型建立，由于實(shí)際現(xiàn)場較為復(fù)雜，對于目標(biāo)金屬管道與接地極情況進(jìn)行簡化處理。模型簡化后，確定三個(gè)計(jì)算域，分別為接地極、土壤、金屬管道。

步驟二，求解直流輸電接地極導(dǎo)致的雜散電流的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)?shù)仉妶鎏幱诜€(wěn)態(tài)，同時(shí)管道陰極保護(hù)體系電位分布為穩(wěn)定狀態(tài)，采用靜電場方程來描述。靜電場方程如下：

其中ρ_t指空間中自由電荷的分布。

從而得到靜電場電勢基本微分方程如下：

假設(shè)在求解區(qū)域內(nèi)部沒有電荷分布，即系統(tǒng)內(nèi)沒有電流的得失，也不存在遠(yuǎn)點(diǎn)或者匯點(diǎn)，從而得到數(shù)學(xué)模型的控制方程如下，

式中：ε為管道中所在介質(zhì)的電導(dǎo)率，mA/m²；

ρ為管道中所在介質(zhì)的電阻率，Ω·m；

φ為電勢，V。

步驟三，基于數(shù)學(xué)模型，對管道及接地極的區(qū)域進(jìn)行限制并確定相應(yīng)的邊界條件。設(shè)定換流站為電流邊界，并在足夠元的大地遠(yuǎn)方設(shè)定為等位邊界條件。具體邊界條件如下：

換流站邊界條件：

地表面邊界條件：

金屬管道受影響的邊界條件：

式中，R_c(x,y,z)為管道涂層面電阻，Ω·m²；R_p為管道極化電阻，Ω；ρ_soil(s,y,z)為土壤電阻率，Ω·m。

步驟四，利用建立的數(shù)學(xué)模型與幾何模型，使用數(shù)值模擬軟件ANSYS中的CFX模塊進(jìn)行模擬仿真計(jì)算，計(jì)算金屬管道雜散電流的大小。

①設(shè)置管道距接地極距離5km，接地極入地電流3000A，管道縱向電阻9.98×10^-3Ω/m，模擬得到不同管道涂層面電阻下管內(nèi)電流變化，如圖2。

②設(shè)置土壤電阻率100Ω.m，管道距接地極距離5km，接地極入地電流3000A，管道縱向電阻9.98×10^-3Ω/m，模擬得到不同管道涂層面電阻下管道泄漏電流密度變化，如圖3。

雜散電流形成的等效電路如圖4所示，本發(fā)明雜散電流所用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。