埋地石油管道的雷电浪涌防护

周雪会，王希平，李名星

（1.广西工业职业技术学院，南宁 530001；2.河北水利电力学院 河北 沧州061001；3.南京工业大学电气工程与控制科学学院，南京211816）

埋地石油管道的雷电浪涌防护

周雪会1，王希平2，李名星3

（1.广西工业职业技术学院，南宁 530001；2.河北水利电力学院 河北 沧州061001；3.南京工业大学电气工程与控制科学学院，南京211816）

为了有效地对埋地石油管道进行雷电防护，必须合理分析雷电对埋地石油管道的危害。介绍了雷电对埋地石油管道的危害方式及主要表现。考虑埋地金属管道阻抗、绝缘层阻抗和腐蚀防护设备电缆阻抗，在ATP-EMTP中建立埋地石油管道雷击模型。分析管道埋设深度、绝缘层材料和管道壁厚对管道上产生的雷电过电压影响。仿真结果表明：绝缘层绝缘性能越好，管道过电压也越高；埋设深度增加，过电压减小；管道壁厚对过电压影响较小。安装避雷器可以有效保护阴极保护设备。

石油管道；雷电；过电压；阴极保护；金属氧化物避雷器

0 前言

随着我国经济的不断发展，对能源的需求日益增大。相比较于其他能源运输方式，管道运输方式因其快捷性、便利性和安全性得到广泛采用[1]。在经济发达且人口密集地区，管道敷设往往采取埋地方式以减少对土地的占用，通常情况下的地下石油管道埋设在离地表0.8 m处[2]。统计以往管道雷击事故发现，管道防腐设备经常遭受雷电损坏[3]。

以往有关管道电磁干扰影响的研究主要集中雷击高耸建筑物附近的天然气管道[4]和交流输电线路对油气管道的电磁干扰[5-6]，包括对人身安全的影响、对管道安全的影响和对管道的交流腐蚀影响[7-8]。但是这些研究大多没有结合考虑管道阻抗和腐蚀防护设备电缆阻抗。

笔者分析雷电对埋地石油管道的危害，在ATP-EMTP中建立地下石油管道模型[9]，同时考虑绝缘层阻抗、石油管道阻抗和腐蚀防护设备电缆阻抗。分析绝缘层材料、管道埋设深度和管道壁厚对管道上产生的雷电过电压影响以及采用金属氧化物避雷器的保护效果。

1 雷电对埋地石油管道的危害

雷电对埋地石油管道的危害方式主要有雷电直击和雷电感应两种[10]。埋地金属管道本身属于良导体，而管道的架空部分和地面部分（站场管道和露天工艺设备等）对埋地管道而言相当于接闪装置，整个管道系统极易成为雷电流泄散通道，遭受直击雷的威胁非常大。当雷电击中管道地面装置时，雷电流向大地流散引起周围土壤的电位升高，地下管道的防腐层内外表面也会产生较高的电压差，当电位差超过管道防腐层的绝缘水平时，防腐层就会被击穿，电位差过大时甚至会击穿管道本体。管道表面防腐层损坏后，管道易被腐蚀穿孔，发生漏油。当管道上空形成雷暴云时，埋地管道同地表一样感应出与雷云极性相反的电荷。雷云对管道远处地面放电时，雷云中的电荷和地面感应电荷迅速消失变为零，但是管道的防腐层大多数为三层聚乙烯，绝缘性能较好，导致管道上的感应电荷不能迅速被释放。一旦发生管道局部放电，其它部位的感应电荷也将对地消散，从而在管道内形成浪涌。如果管道的绝缘层电阻较低，浪涌会通过绝缘层的漏点消散，破坏作用不是十分明显，如果管道绝缘层性能较好，则浪涌不能通过绝缘层本身的漏点泄放，会在管道接触不良的部位产生高电压，导致二次放电[3]。

雷电对埋地石油管道危害主要表现在损坏恒电位仪等管道阴极保护设备、击穿绝缘法兰和绝缘接头等。阴极保护设备因其通过阴极电缆和测量电缆与管道直接连通，是管道上直击雷和雷电感应产生的雷电流最直接的泄放通道，所以雷电对其危害最大。

2 仿真模型

2.1 雷电流模型

雷电流波形采用Heidler电流源表示，表达式[11]为

式中：I0为峰值电流，kA；τ1和τ2分别为波头时间常数和波尾时间常数，μs；n为电流陡度因子，n取10。

假设雷电流均匀向四周流散，流散区域呈半球状，雷击点离管道水平距离为r，则管道起始注入电位为

式中：ρs为土壤电阻率，Ω·m。

2.2 管道模型

油气管道一般都采用钢质材料，考虑浪涌传播特性后将其看作π型电路[12]。埋地管道相关参数如图1所示，rg1和rg2分别为管道内半径和外半径，rg3为考虑防腐层后管道半径。ρg为金属管道电阻率，μg为金属管道磁导率。

图1 埋地管道参数Fig.1 Parameters of underground pipeline

保护电位[1]是金属进入保护电位范围内所必须达到的腐蚀电位的临界值。石油沥青绝缘层最大保护电位取-1.2 V，熔结环氧粉末绝缘层取-2.0 V，聚乙烯（PE）绝缘层的最大保护电位取-1.5 V。与阴极保护设备相连的阴极保护电缆型号为VV22-0.6/1.0 kV。

2.3 管道绝缘层模型

用涂料均匀致密地涂敷在经过除锈的金属管道表面，管道涂层电阻十分高，将管道与腐蚀物质隔离，切断电化学腐蚀电池的道路，阻止或减缓了管道的腐蚀。绝缘层电阻越大，防腐蚀效果越好。绝缘层电阻用电流流过1 m2面积的绝缘层上的过度电阻表示，称为面电阻。表1给出了典型绝缘层的面电阻及厚度[1，13]。

表1 典型绝缘层的面电阻和厚度Table 1 Surface resistance and thickness of typical insulating layer

2.4 金属氧化物避雷器模型

为了使阴极保护设备免受浪涌危害，可以采用金属氧化物避雷器对阴极保护设备进行防护。只而将避雷器跨接在管道和地之间。当管道感应电压超过避雷器阈值时，避雷器电阻迅速降低泄散电流，从而使设备避免浪涌冲击，同时保持管道正常工作电流、电位[14]。避雷器的选取可以根据其压敏电压

在ATP软件中可以通过（2）式描述金属氧化物避雷器的伏安特性：

式中：I为流经避雷器的电流，V为避雷器上电位，k和α可以根据避雷器产品具体数据拟合得到。具体参数见表 2，U1mA＝450 V。

表2 金属氧化物避雷器伏安特性Table 2 V-I characteristic of metal oxide surge arrestor

3 仿真结果分析

管道具体参数：ρg＝1.5×10-7Ω，μg＝280，εg＝2.30，外径×壁厚/mm 取 φ1 420×18.4，长度取 1 000 m，将管道分成10端，每段100 m。雷电流波形为2.6/50 μs，幅值为10 kA，雷击点距管道水平距离100 m。分别考虑管道埋设深度、绝缘层材料以及管道壁厚对终端过电压和避雷器防护效果的影响。

3.1 过电压波形

绝缘层采用石油沥青涂层，管道埋深为0.8m时管道终端过电压波形如图2所示。

图2 过电压波形Fig.2 Waveform of the overvoltage

由图2可以看出，浪涌经过在管道传播后，终端过电压达到2.2 kV，安装避雷器后将过电压限制在1 kV以下，有效防护了阴极保护设备。

3.2 管道埋设深度影响

绝缘层采用石油沥青涂层，计算管道埋深在0.5～2 m范围时，管道终端和阴极保护设备上的过电压。仿真结果见图3。

由图3看出，随着管道埋设深度的增加，管道终端产生的雷电过电压减小。过电压的减小主要是因为雷电流在土壤中的衰减[15]。相比较于管道终端过电压，阴极保护设备处过电压变化幅度较小，主要是因为保护电缆和金属氧化物对过电压的衰减和抑制作用。

图3 埋设深度对过电压影响Fig.3 Influence of burial depth of pipeline on overvoltage

3.3 绝缘层材料影响

管道埋深为0.8 m，计算绝缘层分别采用石油沥青涂层、熔结环氧粉末和3层PE时，管道终端和阴极保护设备上的过电压。仿真结果见表3。

表3 绝缘层材料对过电压影响Table 3 Influence of insulating layer of pipeline on overvoltage

绝缘层较高的电阻率导致管道与大地之间存在较高的电位差，这种电位差是由传导耦合作用产生的。由表3看出，随着管道绝缘层绝缘性能的提高，耦合作用越强，管道终端产生的过电压也相应增加，但是并不是按照面电阻比例相应增加。

3.4 管道壁厚影响

管道埋深为0.8 m，绝缘层采用石油沥青涂层，计算不同管道壁厚情况下管道终端和阴极保护设备上的过电压。仿真结果见图4。

图4 管道壁厚对过电压影响Fig.4 Influence of thickness of pipeline on overvoltage

由图4看出，管道壁厚对管道终端电压基本没有影响。

4 结论

通过分析雷电对埋地石油管道的危害，在ATP-EMTP中建立地下石油管道模型，分析绝缘层材料、管道埋设深度和管道壁厚对管道上雷电过电压影响。得到以下结论。

1）雷电对埋地石油管道主要危害在于损坏管道阴极保护设备。

2）管道埋设深度增加，管道终端产生的雷电过电压减小。

3）绝缘层绝缘性能越好，管道终端产生的雷电过电压越小。

4）管道壁厚对管道终端过电压基本没有影响。

5）阴极保护设备终端安装金属氧化物避雷器能够有效抑制雷电过电压，实现对阴极设备的保护。

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Lightning Surge Protection for Underground Petroleum Pipeline

ZHOU Xuehui1，WANG Xiping2，LI Mingxing3
（1.Guangxi Vocational&Technical Institute of Industry，Nanning 530001，China；2.Hebei University of Water Resources and Electric Engineering，Cangzhou，061001；3.College of the electrical engineering and control science，Nanjing 211816，China）

In order to protect underground petroleum pipeline from lightning effectively，it is necessary to analyze lightning damage to underground petroleum pipeline reasonably.Harm modes and main performance of lightning damage are presented.Considering electrical characteristics of pipe metal，pipe insulator，conductors in corrosion protection circuit，equivalent circuit of underground petroleum pipeline under lightning is established based on ATP-EMTP.The effects of the buried depth，insulating layer materials and pipe thickness on lightning overvoltage generated on pipeline are analyzed.The results show that overvoltage on the cathodic protection equipment increases with increasing of insulating layer’s surface resistance，decreases with increasing of depth of pipe.Pipe thickness has little impact on the overvoltage.Installing metal oxide surge arrestor can protect the cathodic protection equipment efficiently.

petroleum pipeline；lightning；overvoltage；cathodic protection；metal oxide surge arrestor

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.007

2016-06-21

周雪会 （1982—），女，讲师。研究方向:电力系统及其自动化、电力系统保护与控制。