雷击高压输电线路对临近埋地油气管道电磁影响的评价方法

吴广春,李德明,张梦梦,王修云,3

(1.安科工程技术研究院(北京)有限公司,北京,102200;2.上海天然气管网有限公司,上海,201204;3.北京科技大学,北京,100083)

随着我国国民经济的持续增长和地域空间路由的限制,埋地油气管道与高压输电线路构成公共走廊的现象日益普遍,当架空的高压输电线路遭受雷击时,会对临近的埋地油气管道产生电磁干扰影响,威胁管道作业人员的人身安全,若过电压过大,可能会击穿管道防腐蚀层,造成管壁熔伤,甚至会导致管道泄漏等严重的安全事故,近些年来,国内外陆续报道了相关的案例,如:2018年6月,中缅天然气管道干线56号阀室受雷击影响,在干线截断阀阀体与配线盘连接处发生放电烧蚀,两个绝缘垫片被击穿,连接螺栓烧蚀损伤严重,烧蚀物使管道与阀室地网导通[1];2006年至2007年间,忠武管道输气站场先后发生多次雷击事故,造成输气生产中断、稳压器烧毁、工艺区超声波流量计主板和内腐蚀检测仪损坏[2];2017年3月,希腊某天然气输送管道受雷电直击,发生泄漏爆燃事故[3];2011年美国也发生了类似的雷击导致管壁熔伤而发生泄漏的事故[4]。雷击输电线路对临近埋地管道的电磁干扰主要有两种耦合机制[5-7]:一种阻性耦合,雷电流通过雷击点两侧的杆塔逐级泄放入地,引起地电位升高,从而在防腐蚀层两侧产生很高的过电压;另一种是感性耦合,雷电流沿着架空输电线路向远处传播,并在周围空间产生强烈的空间磁场,从而在管道上产生感应过电压。阻性耦合占主导且雷电流沿避雷线和杆塔入地的衰减很快,一般在雷击点外两侧第5档杆塔处即可忽略不计[8-9]。雷击输电线路对临近埋地油气管道的安全隐患体现在以下方面:人身安全、管道防腐层击穿、管壁电弧熔伤、影响阴极保护设备的正常运行[10]。近年来,国内相关学者围绕该课题开展了系列研究。安宁等[11]利用线矩量法仿真研究了雷击输电线路杆塔时在交叉跨越的输油输气管道上产生的防腐蚀层干扰电压,归纳推导出相应的简化计算公式,同时结合3PE防腐蚀层的雷电冲击耐压限值,得到不同幅值雷电作用下满足防腐蚀层耐压限值要求的管道与杆塔接地体的允许接近距离。肖宏峰等[9]利用电磁暂态分析程序EMTP构建了±800 kV/500 kV交直流同塔四回输电线路与油气管道模型,分析了雷击点位置、导线与管道并行间距、线路架设高度、土壤电阻率和管径对管道过电压的影响。李景丽等[12-13]基于电磁场理论采用空间有限元与时域有限差分相结合的方法,建立了考虑土壤非线性电离特性的接地体冲击特性有限元动态模型,并与试验结果进行了对比分析。陶玉郎等[14]利用FDTD(时域有限差分)数值分析方法研究了土壤非线性击穿效应对垂直接地体散流特性的影响。尽管国内外围绕雷击对管道的电磁影响开展了许多工作,但由于雷电流的暂态特性,目前的研究尚处于探讨阶段,如雷击影响评价方法和指标未统一,没有建立针对性的技术规范或标准;影响因素未开展系统的研究和梳理;土壤非线性电离特性对电磁干扰的影响机制未得到系统诠释,且考虑土壤非线性电离特性的仿真计算方法过于复杂等[15-16]。因此,对雷击导致的临近埋地管道电磁影响开展进一步的基础研究具有重要的现实意义和理论价值。

笔者分别介绍了雷击状况下人身安全、管道防腐蚀层击穿风险和管壁电弧熔伤风险评价的研究进展,针对临近埋地管道电磁干扰的评价方法和指标进行了系统的梳理总结,并对该领域未来的发展方向进行了展望,以期为同行提供一定的借鉴和参考。

1 人身安全风险评价

雷电电磁干扰下临近管道工作人员面临着接触电压和跨步电压超标的潜在风险。对于人体某一电流通路下,人员受到的电危害主要取决于电流的数值和通电时间。与输电线路稳态、故障态干扰电流相比,雷电流的脉冲电流峰值更大、持续时间更短,两者对应的人员安全电压限值也不尽相同。目前,国内外主要电危害标准多参考IEEE Std 80-2013GuideforSafetyinACSubstationGrounding和IEC/TR 60479-2018EffectsofCurrentonHumanBeingsandLivestock中的相关内容。IEEE Std 80-2013标准基于Dalziel对人类和动物电击25 a的实证数据给出了人体可耐受电流限值计算办法,认为当人体通过的脉冲电击能量Ebody(见下式1)小于心脏致颤能量Efr时,可避免人员受伤或死亡,基于0.03～3.0 s的试验数据,Dalziel给出了人员可耐受电流方程(心室颤动低的风险≤0.5%)[17],见式(2)和(3)。标准IEC 60479综合了Dalziel和其他学者的研究成果[18-19],建立了人体阻抗模型,并指出人体阻抗受电压、电流频率影响,而非定值1000 Ω;根据电流路径的差异建立了心脏电流系数以评估除左手到双脚外其他电流通路下心室纤维性颤动危险办法,心脏电流系数(F)见表1。关于人体可容许电击危害阈值,标准IEC 60479第1部分适用于电击持续时间大于心博周期的直流或交流(15～100 Hz)电击工况;而对于持续时间不超过10 ms的脉冲电流电击危害评估方法则在标准的第2部分进行了讨论。

表1 不同电流路径的心脏电流系数

(1)

(适用于体重50 kg,0.03～3.0 s)

(2)

(适用于体重70 kg,0.03～3.0s)

(3)

式中:Ebody为通过人体的脉冲电击能量,J;Rb为 人体内阻,取1 000 Ω;V为脉冲电压,V;Ib,rms为人体可耐受电流均方根值,A;ts为脉冲电流持续时间,s。

对比IEEE Std 80和IEC/TR 60479标准可知,IEC/TR 60479细化考量了人体阻抗、耐受电流及电流路径的影响,且标准化了持续时间小于10 ms的暂态电流的电危害评价方法,考虑到常见的雷电流波形为2.6/5 μs暂态波形,其持续时间小于10 ms[20],雷击下人员电危害的安全评估应采用标准IEC/TR 60479。国标GB/T 13870等同采用IEC/TR 60479,故文中关于雷电流导致的人身安全标准限值采用标准GB/T 13870.2-2016《电流对人和家畜的效应 第2部分:特殊情况》规定限值,具体阈值见图1,图中曲线为左手到双脚电流路径下心室纤维性颤动风险曲线,其中,C1以下,无心室纤维性颤动;C1～C2,心室纤维性颤动危险概率小(概率达5%);C2～C3,心室纤维性颤动危险中等(概率达50%);C3以上,心室纤维性颤动危险大(概率大于50%)对于其他路径其容许电流值应参考表1修正。

图1 心室纤维性颤动电流阈值Fig.1 Threshold of ventricular fibrillation

2 管道防腐蚀层击穿风险评价

对一定厚度防腐蚀层施加电压后,其束缚的电子在电场的作用下加速,并与其他原子碰撞,释放出更多电子而导致雪崩效应,造成防腐蚀层被击穿,其结果取决于电场强度,试样厚度、均匀性等。对于雷电流或线路故障电流引起的瞬态脉冲电压,随着电压持续时间的缩短,需要更高的峰值电压才能击穿管道防腐蚀层,GUMMOW等[21]研究表明,聚乙烯质防腐蚀层的暂态击穿电压有效值约为稳态电压的2.5倍,常见的防腐蚀层材料在稳态电压作用下的电气强度见表2。

表2 常见防腐蚀层材料的稳态电气强度

此外,相关标准还给出了防腐蚀层漏点电火花检漏电压的计算方法,如:ASTM G62-2014StandardTestMethodsforHolidayDetectioninPipelineCoatings中规定了不同防腐蚀层厚度下防腐蚀层漏点电火花检漏电压的计算公式,见式(4)

和(5);NACE SP0274-2011High-VoltageElectricalInspectionofPipelineCoating给出了0.5～19 mm厚防腐蚀层漏点检测电压计算公式,见式(6);NACE SP0490-2007HolidayDetectionofFusion-BondedEpoxyExternalPipelineCoatingsof250to760μm(10to30Mils)给出了0.25～0.76 mm厚FBE防腐蚀层漏点检测电压计算公式,见式(7);ISO 21809-1:2011PetroleumandNaturalGasIndustries-ExternalCoatingforBuriedorSubmergedPipelinesUsedinPipelineTransportationSystem明确防腐蚀层漏点检测电压按10 V/μm计算,且不应超过25 kV(防止击穿聚乙烯);GB/T 23257-2017《埋地钢质管道聚乙烯防腐层》指出对试件进行电火花针孔检查时,试件若为单层环氧粉末或热收缩带(套)底漆,检漏电压按5 V/μm计算,试件若为3PE防腐蚀层时,检漏电压为25 kV。根据以上内容,针对GB/T 23257-2017规定的不同管径的聚乙烯防腐蚀层的稳态电气强度和电火花检漏电压计算值对比如表3所示。可以看出,电火花检漏电压均小于其电气强度,实际上,电火花检漏主要用于发现防腐蚀层中漏点(如针孔、缝隙)、涂层中金属夹杂及涂层厚度过薄位置,其测试结果仅表征了针孔、缝隙、涂层中金属夹杂的空气耐受击穿电压或厚度薄弱处涂层的电气强度,与标准涂层电气强度存在一定差异。鉴于此,推荐采用2.5倍的防腐蚀层电气强度计算雷击下涂层的耐受电压。

表3 聚乙烯防腐蚀层电火花检漏电压和电气强度

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:V为测试电压,V;TC为防腐蚀层厚度,mm。

3 管壁电弧熔伤风险评价

为了确保管道免于电弧熔伤风险,管道与电力杆塔基础或接地系统的任何部分之间必须保持足够的“安全”间隔距离[22]。俄罗斯标准RD 34.21.122-1987RussianLightingProtectionDesignCodeforBuildingsandStructures指出该安全距离与土壤电阻率密切相关,土壤电阻率(ρ)≤100 Ω·m时的安全间距为5 m,100<ρ≤1 000 Ω·m时的安全间距为5～14 m;LEE等认为安全间距为输电塔杆接地电阻的函数,安全间距约为0.9R(单位为ft);WIESINGER等给出了安全间距的计算公式;KUZHEKIN等优化了WIESINGER等提出的公式[22];国内标准GB 50057-2010《建筑物防雷设计规范》给出的接地装置与管道安全距离计算公式;GB/T 50698-2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》也给出了不同输电电压等级下接地体与管道的最小间距,如表4所示;SUNDE[23]也给出了不同雷击电流幅值和土壤电阻率下雷击产生电弧的安全距离公式,需要注意,以上安全间距均基于雷击电流击穿土壤产生的电弧体积通道距离。

表4 埋地管道与交流接地体的最小距离

实际工况下,雷电流经杆塔接地系统向土壤中散流时,接地装置周围土壤中的电流密度急剧升高,电场强度随之增大,当大地中的电场强度超过一定值,但还没有达到土壤的临界击穿强度时,土壤电阻率随电场强度的增加而下降,当冲击电流继续增大使得土壤中电场强度超出临界击穿强度Ec时,在接地体的周围出现存在土壤电离现象的火花放电区域;随着冲击电流强度进一步增大,土壤中的电场强度大于临界电弧放电强度,火花区域区域逐步发展为沿着不规则土壤颗粒表面的离散电弧通道,形成电弧区,即在雷电流作用下,接地装置周围的土壤中会产生如下图2(a)所示的4个区域:电弧区、火花放电区、半导体区和恒定电导区[24-26],其中电弧区包括体积型离子化电离区域和离散弧形通道区域,如下图2(b)所示[26]。离散弧形通道使得安全间距成倍增大,在此基础上,MOUSA等[27]给出了更为保守的安全间距计算公式,见式(8)

图2 雷电流作用下接地装置周围土壤结构图Fig.2 Structure diagram of the soil around the grounding device under the impact of lightning current:(a) four-zone structure; (b) arc zone structure

(8)

式中:X为离散弧形通道的等效半径,m;A为体积型离子化区域的等效半径,m;I为雷电故障电流,kA;ρ为土壤电阻率,Ω·m;E0为土壤电离离子化梯度,取值300 kV/m;Eb为土壤的击穿梯度,取值50 kV/m。对于位于安全间距内的管道电弧熔伤风险,加拿大电力协会(CEA)认为只有当塔杆与管道间存在持续的电弧才会引起管道的电损伤,基于室内模拟和现场试验结果,CEA建立了雷电持续电弧距离D与塔杆地电位升V间的线性回归公式,见式(9)

V=5.801+0.070 3D

(9)

对于安全间距以外的管道应考虑雷击塔杆引发的闪络电弧影响,管道位于闪络电弧距离范围内时,管道存在电弧风险,CEA也给出闪络引起的最大电弧距离D与塔杆地电位升V间的线性回归公式,见式(10)[28]

V=18.01+0.108 2D

(10)

FRAZIER[29]基于CEA试验数据,发现管道融蚀区损伤情况与流入管道电流关系存在较好的拟合关系,如图3所示,在此基础上得到了管道受雷电流电损伤的定量评估回归公式(11)。

图3 管道融蚀区尺寸与流入管道电流关系图Fig.3 Diameter and depth of melted area vs the current flow-into pipeline

(11)

式中:T为烧蚀深度,mm;Vrms为电损伤区域的土壤地电位升,kV;ρ为土壤电阻率,Ω·m;EBD为土壤离子化电离强度,kV/m。

SUNDE、MOUSA等的研究成果主要针对雷电弧产生的极限间距,而实际上,并非雷电弧存在的区域一定会烧蚀管壁,只有持续的电弧才有足够的能量熔伤管壁。因此,可利用SUNDE、MOUSA等人给出的计算方法来评估雷电弧产生的风险,利用CEA给出的计算方法评估管壁电弧熔伤风险。

综上所述,建立雷击杆塔工况下管壁电弧熔伤风险的评价方法:当管道与杆塔接地装置的距离大于雷电流导致的闪络电弧距离时,风险较低;当管道与杆塔接地装置的距离位于持续电弧和闪络电弧距离之间时,管道可能会面临电弧熔伤的风险,应尽可能降低风险;当管道与杆塔接地装置的距离小于雷电流导致的持续电弧距离时,风险较高,利用公式(11)定量计算管壁的损伤深度,当深度不影响管道的剩余强度时[30],认为风险可接受。

4 结束语

针对临近埋地管道电磁干扰的评价方法和指标进行了系统的梳理总结,如前文所述,雷电流由于其暂态和高能量特性,目前的研究尚处于探讨阶段,在以下几方面有待进一步研究:

(1) 基于土壤非线性击穿效应的风险评价:雷电流冲击作用下附近土壤呈现非线性的时变特征,从而在接地体周围形成不规则的土壤击穿区域,导致冲击电阻阻抗快速下降,影响了土壤的散流过程,进而影响对管道的电磁干扰程度。目前大部分的研究均未考虑该线性效应,主流的数值模拟软件也未将该效应集成到软件程序中,导致考虑该效应的工作难度高,影响了其普及应用;

(2) 雷电流冲击接地试验:目前国内外研究雷电流的冲击特性的方法主要有冲击接地试验和数值模拟两种方法,由于雷电流的高能量特性,能开展雷电流冲击接地试验的单位屈指可数,绝大部分研究人员选择了数值模拟计算方法,但是数模缺乏试验的支撑就会显得很无力,因此,对于雷电流的冲击接地试验方法有待进一步的研究和普及;

(3) 影响因素的系统研究和梳理总结:目前对于雷击输电线路对管道的电磁干扰影响因素的研究比较杂乱,缺乏系统的研究和梳理总结;

(4) 专项标准的制定:急需制定专门的风险评价和防护指导技术规范,指导管道的安全生产运行。