埋地金属能源输送管道工频电流下烧蚀程度评估方法与流程

本发明涉及电力工程技术领域，具体涉及埋地金属能源输送管道切片试验装置。

背景技术：

油气管道和电网都是能源安全的命脉，近年来经济的快速发展使得我国对能源的需求日益增加，但我国特殊的地理环境造就了以化石能源为主的能源布局与电力消费存在地理上的逆向分布，这使得大规模、长距离的能源输送成为必然，截至目前，我国已有16万公里在运的油气管道，为充分发挥有限国土资源优势，电力线路与输油输气管道无可避免地会出现路径的交叉跨越情况，在部分土地紧张区域甚至存在长距离共用公共走廊的情况，大量电力通道和油气管道并行，两者之间电磁兼容问题(包括磁场耦合和电场耦合)越来越严重，一旦管道系统因此受到破坏，会造成对生态环境的严重破坏，也可能带来重大安全生产事故，因此大区域电网对埋地金属管道的安全影响已成为一个十分敏锐的问题。

交流输电线路正常运行接近油气管道时，若是输电线路发生短路故障或雷击故障，突然升高的故障电流会造成管道耦合电压大幅度增加，另一方面阻性耦合的作用会使得土壤电位变高加剧管道对地电压的升高，较大的对地电压会破坏或击穿管道防腐层，更大时甚至可能发生人身事故。因此，有必要研究电网接地故障时电流对管道的烧蚀影响，为进行安全评估和预防措施提供理论保障。

在烧蚀特性分析过程中，度量烧蚀程度的参数包括烧蚀深度、烧蚀面积、烧蚀失重、烧蚀体积、温度；度量烧蚀能量的参数包括电流大小和燃弧时间。理论上可通过控制单一变量，如在电流幅值不变的情况下，改变电流的持续时间，研究电流持续时间与烧蚀参量的影响。但在实际试验中，每一次的电流幅值都会有偏差，不利于进行定量分析。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种埋地金属能源输送管道工频电流下烧蚀程度评估方法，解决烧蚀程度评估的定量分析问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：埋地金属能源输送管道工频电流下烧蚀程度评估方法，

首先，进行电弧烧蚀模拟试验，需要改变管道切片规格、调整电流大小和燃弧时间，重复进行试验，每组试验后测量管道切片的烧蚀量；

然后，在电弧烧蚀模拟试验完成后，进行烧蚀特性分析过程，度量烧蚀程度的参数包括烧蚀深度、烧蚀面积、烧蚀失重、烧蚀体积、温度；度量烧蚀能量的参数包括电流大小和燃弧时间，分析时以考虑电流大小和燃弧时间两种变量的幂函数权重，并添加常数作为修正，定义：

y＝a+bx1^cx2^d

k＝x1^cx2^d

y＝a+bk

式中a、b、c、d为可控系数，y为需要关注的因变量，分别为工频电流大小和燃弧时间，k为设定的时间电流因子，对于不同的因变量y，通过改变可控系数控制时间电流因子，对烧蚀变量数据的变化趋势进行拟合和回归分析。

优选的，在每次电弧烧蚀模拟试验前测量管道切片的体积和重量，试验后测量管道切片的烧蚀深度、面积、体积、重量以及温度，并根据烧蚀前后重量计算烧蚀失重。

优选的，在回归分析中，为了度量回归方程对测量值的拟合程度，引入拟合优度，其统计量为r²，代表回归平方和ess在总平方和tss中所占的比率，

式中，为回归方程数据，yi为测量数据，为测量数据平均值，r²的值介于0到1之间，接近1说明回归直线对测量值的拟合程度越好，反之接近0说明拟合程度越差。

优选的，对烧蚀失重和烧蚀深度，通过设定c、d的取值，探讨定系数情况下的线性拟合，然后使用matlab软件中的nlinfit函数和cftool工具箱对设定的函数进行多元非线性回归分析；

对烧蚀体积差，烧蚀面积和烧蚀温度三个因变量，在烧蚀失重和烧蚀深度两种因变量分析的基础上直接划分a、b取值范围，并同样进行多元非线性回归分析，其中温度数据采集点存在两个，分别为试验后10s、20s；

对烧蚀失重和烧蚀深度，通过改变c、d的取值，探讨定系数情况下的线性拟合，此时需要确定表达式中a、b的取值。

本发明在整个电弧烧蚀模拟试验过程中，需要改变样品规格、调整电流大小和燃弧时间，重复进行试验。每组试验后需要对烧蚀后的形貌进行观测，对试验现象进行说明，并测量各个烧蚀量。之后对数据进行整理，就每个烧蚀量与烧蚀影响因素之间的关系拟合数据曲线，分析不同影响因素的权重。并且针对定量分析的问题，提出了时间电流因子这一个变量，并以此为核心就烧蚀能量与各个烧蚀量之间的关系进行计算，解决了实际试验中电流幅值偏差不利于进行定量分析的难题。

本发明的具体技术方案及其有益效果将会在下面的具体实施方式中结合附图进行详细的说明。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

图1是试验回路的电气接线图；

图2是试验回路原理图；

图3是埋地金属能源输送管道切片试验装置的结构示意图

图4是绝缘底板与伸缩支脚的连接结构示意图；

图5是试验数据观测处理方案流程图；

图中：1-工频电流发生器，2-电弧电流采集装置，3-电极和引弧丝，4-管道切片，5-绝缘围栏，6-绝缘底板，7-试验支架，8-支架固定片，9-固定卡扣。

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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

为了研究电网接地故障产生的电流对管道的烧蚀影响，设计了如图1至图4所示的埋地金属能源输送管道切片试验装置，包括试验支架7、设于试验支架的绝缘底板6、遮挡绝缘底板6的绝缘围栏5、工频电流发生器1、电极和引弧丝3、电弧电流采集装置2。绝缘底板用于固定管道切片4(试验样品)，管道切片连接回流铜排，回流铜排连接导线，导线接至工频电流发生器负极接地；工频电流发生器1用于产生工频电流，工频电流发生器1设有引出铜排，电极竖向放置，底部接近绝缘底板6，并将引弧丝夹在电极和管道切片之间，电弧电流采集装置2测量电弧电流。绝缘围栏设有开口，所述开口用于引出回流铜排，且对应开口设有摄像头。

可以参考现有的工频电流发生器，如图1所示，工频电流发生器包括母线，隔离开关，断路器，感应电压调整器l，变压器t，时间继电器。电弧电流采集装置通过s和c处连接。对引弧丝而言，需要尽可能降低其熔化时间，在最短的时间内到达引弧的目的。最终选用了长约3mm，直径约为4mm，额定电流是60a的铅丝作为引弧丝，对于大于8ka的工频电流来说，完全可以在0.01s以内将引弧丝熔断。

为了方便电极竖向固定，所述引出铜排连接延长铜排，所述电极配合垫片和螺栓固定于延长铜排上。

在正式试验前，先就无围栏的试验平台对管道切片做过少量测试性试验。在工频电流施加的时间内，电弧燃烧并发出噼啪声，时间继电器切断试验回路后，电弧中断，并发出剧烈声响。即使设定的燃弧时间较短，依然会有剧烈的火花四溅现象。金属颗粒火花在电弧高温作用下加热的气体膨胀，造成试验中心内外气压差，在其作用下会扩散在试验平台附近，并对设备的安全性能造成一定的威胁，因此需要对周围设备进行一些遮挡工作。

具体到本实施例，所述绝缘围栏5包括实木硬性绝缘材料制成的栏杆以及铺设的绝缘硅胶和透明塑料布，用于遮挡电弧放电产生的火花。围栏长30cm，宽25cm，高20cm，厚约2cm，呈现三面包围形式，未包围一侧空出，给予接线回流铜排空间，同时布置包括摄像机在内的试验观察系统，用螺钉固定铺设透明塑料布，便于观察试验现象。另外，预先在围栏内部和顶部打螺纹孔，围栏侧面用螺钉固定铺设的绝缘硅胶。因此，绝缘底板6和遮蔽在外的绝缘围栏构成了一个试验容器，这样一个相对封闭的环境可以避免试验过程中外界因素的干扰，同时避免由于电弧在燃弧和熄灭时产生大量带金属粒子的电火花，存在火花飞溅的可能性，影响试验人员的安全。

透明塑料布厚度约为5mm，通过螺钉配合胶带的形式固定在围栏顶部，将试验部分与周围空间完全隔离开来。这样可以方便观察试验现象，防止外界干扰的同时，避免试验对工频电流发生器和其他试验设备的影响，同时保证试验人员的人身安全。透明塑料布中间钻直径约30mm中孔，确保电极可以伸入，并控制好高度，确保电极贴近绝缘底板上特定厚度的管道切片表面。

绝缘硅胶布厚度为0.5mm，通过螺钉配合胶带的形式固定在围栏内侧，可以保证火花接触时不会燃烧，具有很高的阻燃性和绝缘性能，介电常数约为3，击穿电压大于20kv/mm。硅胶布有高柔韧性和高强度的特点，能延长围栏的使用次数，防止电火花损坏试验平台结构本体甚至烧穿造成安全隐患。

为了保证绝缘底板的绝缘性能，所述绝缘底板6采用实木硬性绝缘材料制成，且表面铺设绝缘硅胶。绝缘底板长30cm，宽25cm，厚约3cm，表面铺设厚度为0.9mm的绝缘硅胶。所述绝缘底板6上间隔设置有两个固定孔，为12mm直径的圆孔，圆孔中心间距50mm，管道切片4设有两个通孔，两个通孔和两个固定孔对应与螺栓和垫片配合将管道切片和回流铜排固定在绝缘底板上。回流铜排外接长30cm以上，截面积大于100mm²的软导线至工频电流发生器负极接地构成试验回路。

如图4所示，为了调节试验支架的高度，所述试验支架设有伸缩支脚，所述伸缩支脚包括嵌套连接的上部钢管和下部钢管，以及将上部钢管和下部钢管固定的固定卡扣9。所述上部钢管设有螺纹孔，所述固定卡扣设有螺杆和把手，所述螺杆与螺纹孔旋合且头端顶紧下部钢管。试验时通过伸缩支脚调节试验支架到预想高度后，通过旋转固定卡扣的把手，让螺杆接近下部钢管表面，并通过旋转把手施加对下部钢管的压力而避免下部钢管移动。这样操作方便，可以自由调整上下高度，确保试验支架高度一定且可由试验人员自主控制，在调整管道切片厚度和多次试验后电极长度改变等情况出现时能更加灵活应对。

进一步的，绝缘底板与试验支架之间通过螺钉和支架固定片8连接。支架固定片8为方形，对应四个伸缩支脚，共4片，每一片上打2个小孔，与绝缘底板相对应。这样，采用可拆卸结构方便更换继续进行试验。

下部钢管的底部设有地脚，试验室内地面有滑槽，试验支架底部配合地脚和固定木块，可以固定在地面滑槽内，确保在试验过程中较大的电动力不会使装置产生位移，影响试验过程的进行。

采用上述的试验装置进行管道切片电弧烧蚀模拟试验的流程如图5所示，在整个电弧烧蚀模拟试验过程中，需要改变样品规格、调整电流大小和燃弧时间，重复进行试验。每组试验后需要对烧蚀后的形貌进行观测，对试验现象进行说明，并测量各个烧蚀量。之后对数据进行整理，就每个烧蚀量与烧蚀影响因素之间的关系拟合数据曲线，分析不同影响因素的权重。

为了观察试验过程，主要采用摄像机观察系统，每次试验进行时，都采用摄像机录像的形式，方便回顾试验现象情况。每一次试验结束后，需要拆下测量样品，对所有的试验后的样品进行拍照，并结合比例尺和其他工具进行数据测量和分析。

在试验前需要测量管道切片的体积和重量，试验后需要测量管道切片和管道的烧蚀面积、体积和温度，以及其他烧蚀量。

试验方案的具体步骤如下：

(1)依照设计搭建试验装置并固定，完成外部接线；

(2)试验时测量管道切片重量，通过阿基米德排水法排出相应体积的水，便于后续测量体积差，固定好电极、管道切片样品和引弧丝；

(3)确保工频电流发生器可以生成对应大小、时长的电流，切片试验时工频电流变化范围为8-15ka，电流持续时间范围为0.2-0.8s，管道试验时工频电流变化范围为9-15ka，电流持续时间范围为0.2-1s；

(4)合上试验回路母线开关并打开实时记录软件和开摄像观测系统；

(5)合上对应隔离开关和断路器后开始试验，到达设置时间后，快速断开相应的开关并接地，确保试验平台不再带电；

(6)迅速采集温度，取出试验样品，测量各种烧蚀量，待冷却后依次测量重量，体积，静置一段时间之后再测量烧蚀深度、面积，重量与烧蚀前测量的数据做差值求出烧蚀失重；

(7)保存实时记录的各种数据，准备下一次试验，更换电极和管道切片，视情况更换塑料布和硅胶布等，保持上述步骤中接线回路不变，改变模拟电流大小和持续时间，重复试验，直至收集足够数据，准备对数据进行分析。

针对烧蚀程度的分析评估方法，在烧蚀特性分析过程中，度量烧蚀程度的参数包括烧蚀深度、烧蚀面积、烧蚀失重、烧蚀体积、温度；度量烧蚀能量的参数包括电流大小和燃弧时间。

理论上可通过控制单一变量，如在电流幅值不变的情况下，改变电流的持续时间，研究电流持续时间与烧蚀参量的影响。但在实际试验中，每一次的电流幅值都会有偏差，不利于进行定量分析。针对该问题，本发明提出了时间电流因子这一个变量，并以此为核心就烧蚀能量与各个烧蚀量之间的关系进行计算和分析。对因子的取值而言，考虑电流大小和燃弧时间两种变量的幂函数权重，并添加常数作为修正。定义：

y＝a+bx1^cx2^d

k＝x1^cx2^d

y＝a+bk

表达式中a、b、c、d为可控系数，y为需要关注的因变量，在此处分别为工频电流大小和燃弧时间，k为设定的时间电流因子。对于不同的因变量y，可以通过改变系数控制时间电流因子，对烧蚀变量数据的变化趋势进行拟合和分析。

在回归分析中，为了度量回归方程对测量值的拟合程度，引入拟合优度，其统计量为r²，代表回归平方和ess在总平方和tss中所占的比率。

式中，为回归方程数据，yi为测量数据，y为测量数据平均值。r²的值介于0到1之间，接近1说明回归直线对测量值的拟合程度越好，反之接近0说明拟合程度越差。

对烧蚀失重和烧蚀深度，通过设定c、d的取值，探讨定系数情况下的线性拟合，然后在对上述对a、b取值范围的讨论之后，使用matlab软件中的nlinfit函数和cftool工具箱对设定的函数进行多元非线性回归分析。

而对烧蚀体积差，烧蚀面积和烧蚀温度三个因变量，则在前面两种因变量分析的基础上直接划分a、b取值范围，并同样进行多元非线性回归分析，其中温度数据采集点存在两个，分别为试验后10s、20s。

对烧蚀失重和烧蚀深度，通过改变c、d的取值，探讨定系数情况下的线性拟合。此时需要确定原表达式中a、b的取值。

经过数据分析，在定系数情况下，烧蚀深度和烧蚀失重都与时间电流系数为it时的拟合优度最高。同时可以从拟合优度r2的变化趋势注意到，电流大小和持续时间的r2都呈现先增大后减小的趋势，即二者最优的范围基本可以确定在0～2之间。

对于烧蚀深度，认为a＝0且b>0与试验相符。对于截距a，控制其取值略大于0；对于斜率b，考虑一定程度的裕量，控制其取值大于0小于3。对于烧蚀失重，同样认为a＝0且b>0与试验相符。对于截距a，考虑到可能存在的负值，控制其取值在0附近；对于斜率b，考虑一定程度的裕量，控制其取值大于0小于20。

通过以上步骤可以确定四个系数的大致范围，在回归分析时避免出现局部最优解或不收敛的情况。使用matlab软件中的nlinfit函数和cftool工具箱对设定的函数进行多元非线性回归分析。对烧蚀失重分析时因为在收敛时触发上界，补列令a＝0时的情况。此处多元回归分析其本质为根据设定好的函数寻找最优曲面，尽可能拟合贴近所有数据点。

在考虑边界的多元非线性回归分析回归后，烧蚀深度和烧蚀失重的拟合优度都略有所上升，r2均大于0.7，表明了在设定的时间电流因子下存在一定程度的线性关系。分析烧蚀失重时如果不考虑范围，在回归分析中会出现明显的大截距情况，这不符合试验基本逻辑原则，即当电流大小和时间都趋近于0时，各个烧蚀量必定趋近于0。从数据中可以看出，如果认为截距a趋近于0，拟合优度会略有所下降。电流大小和燃弧时间的权重相当，其中烧蚀深度中燃弧时间的影响权重略大于电流大小，烧蚀失重中则相反。

同理对烧蚀体积差、烧蚀面积、温度数据进行回归分析，其中温度数据采集点存在两个分别为试验后10s、20s。控制截距a在原点附近且斜率b>0，对因变量进行多元非线性回归分析。

对于烧蚀体积差，回归分析后通过改变时间电流因子，可以使r²>0.7，说明依然存在一定程度的线性关系，且燃弧时间程度的权重明显大于电流大小，与烧蚀失重的结果存在一定差异，分析可能的原因如下：

(1)在烧蚀过程中产生了部分副产物，同时电极部分熔化会落在切片表面，最终导致烧蚀失重与烧蚀体积差没有呈现严格正比例相关。

(2)由于前述在测量体积差的过程中可能受外部条件干扰存在误差，同时考虑到试验数据的离散性，得出的电流大小和时间长度权重依然有一定的改进空间。

(3)对于烧蚀体积差而言，在设定的试验平台条件下可能存在燃弧时间对烧蚀体积差的影响较工频电流大小值更明显，即意味着在某种程度上相对较小的电流若能维持较长的时间，依然可以对切片样品产生更为严重的破坏。

对于烧蚀面积/温度，与分析烧蚀失重时一样，如果认为截距a趋近于0，拟合优度会略有所下降。就温度变化趋势而言，温度在试验后10s与20s之间会呈现下降趋势，20s时温度相较于10s时会下降约10％，下降比例与温度初值和空气对流情况密切相关。

烧蚀面积/温度因变量分析时，其数据具有较为明显的离散性，即便通过回归分析也无法得出相对的线性关系，r²在处理后依然小于0.6。工频电流大小的幂指数权重略微大于燃弧时间，但总体电流大小和时间的权重相当。

另外，烧蚀试验后温度在回归分析后，电流大小和燃弧时间的幂指数权重c和d都远小于1，范围在0.2-0.3之间。说明随着电流大小和燃弧时间的增加，电弧温度上升的变化趋势明显变慢。

除上述优选实施例外，本发明还有其他的实施方式，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明权利要求书中所定义的范围。