基于有限元仿真的管道杂散电流电磁场分布模型研究

刘海波彭胜利冯启蒙赵金刚丛雪明

（中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司技术检测中心山东东营257062）

摘要：杂散电流是影响埋地金属管道安全运行的主要因素之一，而基于电磁原理的杂散电流检测手段可有效的发现杂散电流干扰源，而目前，该手段还缺乏相应的仿真分析手段，为此本文通过a有限元仿真建立了单根及两个平行管道的电磁场分布模型，为分析埋地管道杂散电流的电磁场的影响规律提供有效的技术手段。

关键词：杂散电流；电磁场分布；有限元仿真

1前言

随着我国经济发展、科技进步、城市化程度越来越高，管线的需求增加、轨道交通发展迅速、电力线路铺设里程与日俱增[1]，由于地理位置与空间的限制或追求美观，大多数管线、轨道交通及输电线路都在地下建设，而且不可避免地会相互交叉或并行产生干扰，会造成对埋地管线的杂散电流腐蚀。而对该类埋地金属管道开展基于电磁原理的杂散电流检测，可以有效发现杂散电流，是保障埋地钢制管道安全运行的重要手段[2]。

而目前，对埋地管线杂散电流电磁场分布规律及影响因素缺乏分析与研究手段，本文利用有限元仿真进行对其进行了建模，建立了单根及两个平行管道的电磁场分布模型，通过改变管道自身参数及外界环境等参数，可有效分析埋地管道杂散电流的电磁场的影响因素。

2分析手段及模型

为了探究杂散电流对金属管道电磁干扰的规律，需建立对杂散电流对金属管道电磁干扰的仿真模型。以单根金属导管在空气中的电磁场的仿真模型为例，其Maxwell2D模型和Maxwell3D模型分别如下图1所示：

图1Maxwell2D仿真模型

其基础2D仿真模型的具体参数设置如下：

1、空气的参数设置：空气的电导率设为0siemens/m、相对磁导率设为1.0和相对介电系数设为1.0；空气的区域设为长和宽都为600mm的正方形区域。

2、由于要对空气中散磁和较远处磁场的数值进行计算，而绘制过大的求解域则会无谓地增加计算成本，引入无穷远边界条件是一种非常理想的处理方法。在Maxwell中将无穷远的边界就定义为气球边界条件（Balloon），所以该仿真需要在空气域的边界上施加气球边界条件。

3仿真的结果和分析

3.1单根金属管道仿真结果和实测验证

图2仿真的磁场感应强度的效果图图3小导管磁场感应强度

图4大导管的磁场感应强度

该仿真的重点是探究在不同尺寸的金属管道上施加不同的电流时，管道周边空气中磁场强度的变化规律，并且需要的到周边磁场的确定数值，该仿真模型中，电流的值分别设置为10A，6A和2A，仿真模型小的管道的空气区域的磁场感应强度效果图和仿真坐标图分别如下图2和3。而大的管道的空气区域的磁场感应强度效果图同图2基本一样，仿真磁场感应强度B的坐标图如图4：

如图2的仿真的效果图可以明显看出空气区域中的磁强感应强度的大小的分布就是以各个圆为界向外扩散；磁场感应强度B与半径r为反比的关系如上图3所示，其中坐标图的纵轴表示磁场感应强度B，横轴表示到管道表面的距离，坐标图给出的是三种不同的电流分别为10A，6A和2A下的B的大小，表明仿真的结果和电磁理论是完全对应的，仿真模型的建立是正确的。

3.2两根平行的金属管道仿真结果和实测验证

仿真的结果和分析。该仿真的重点是探究在两根平行的金属管道上都施加电流时，管道周边空气中磁场感应强度的变化规律，并且需要的到周边磁场的确定数值，第一种仿真模型中，两根金属管道平行布置，施加了相同方向的电流，其中电流大小分别为6A和10A，得到的仿真的效果图如图5：

图5两根平行管道仿真的效果图

与单根管道通入电流产生的磁场一样，两根导体流过电流产生的磁场也是以安培环路定理为理论基础，同样磁场感应强度B与半径r成反比，同时B与电流i是成正比的，所以如上图4-所示在两根管道的两边磁场感应强度B就是以许多圆环分布，与单根导管的外侧B的分布是一致的；而在两根管道的中间位置，它们形成的磁场是相互影响的，由右手定则可知，右侧小管道在中间形成的磁场向上，左侧大管道在中间形成的磁场向下，两者相互抵消，故最中间位置的磁场感应强度B最小，越靠近两管磁场感应强度B越大；而且小管道加的电流为10A，大管道加的电流为6A，由于磁场感应强度B与施加的电流的大小成正比，所以在当半径r一定时，小管形成的B要大于大管形成的B，其中软件中规定磁场感应强度B向下为正，向上为负。

第二种仿真模型中，两根金属管道平行布置，其中右侧小的管道通入10A的电流，而左侧大的管道不施加电流。第三种仿真模型中，两根金属管道平行布置，其中左侧大的管道通入6A的电流，而右侧小的管道不施加电流。

4小结

利用有限元分析软件，建立管道存在杂散电流时周边电磁场分布的仿真模型，可以有效分析以下情况下管道杂散电流电磁场分布：①单根金属导管的电磁场分布仿真建模及规律分析；②埋地金属管道的电磁场分布仿真及规律分析；③埋地管道土壤电导率变化对埋地金属管道杂散电流电磁场分布的影响；④两根平行埋地管道不同间距对电磁场分布的影响；⑤两根平行管道杂散电流变化对电磁场分布的影响；⑥管道自身参数对电磁场分布的影响，包括管道内径、管道材质、管道涂层绝缘电阻变化等参数。

参考文献：

[1]林守江.城市轨道交通供电系统对地下金属结构电性干扰的检测和治理[C].//2009全国电力系统腐蚀控制及检测技术交流会论文集.2009：138-143.

[2]翟玉卫.一种基于电磁场原理的石油管道杂散电流检测仪的研究[D].天津大学，2009.