直流接地極附近引壓管絕緣卡套放電原因分析

楚金偉 韋曉星 劉青松

南方電網超高壓輸電公司檢修試驗中心

直流接地極附近引壓管絕緣卡套放電原因分析

楚金偉 韋曉星 劉青松

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西氣東輸二線韶關翁源縣段會受到附近翁源直流接地極的入地電流干擾。當接地極有較大入地電流時，翁源接地極將產生幾百伏的管地電位，但該管地電位差不足以使閥室內引壓管絕緣卡套發生放電燒蝕現象，絕緣卡套內部局部螺紋尖端場強畸變、雷擊以及端部濕污是引起絕緣卡套絕緣水平下降甚至放電燒蝕的主要原因。為減少大地入地電流情況下絕緣卡套發生放電現象，建議增強絕緣卡套內部絕緣材料的絕緣強度，改善絕緣卡套的螺紋設計并加強閥室避雷器設計。

接地極；管地電位；絕緣卡套；放電

接地極是高壓直流輸電系統的重要組成部分。絕緣卡套是氣液聯動閥及引壓管中常見的絕緣部件，用來保證接地的附屬設備和不接地的主管道部分維持絕緣，將閥室的接地網與主管道絕緣，避免陰極保護電流的漏失[1]。西氣東輸二線天然氣管道在廣東省境內有2座分輸站，分別為韶關分輸站、廣州分輸站。在2個分輸站間，分布有153#～160#共8座閥室。距離翁源接地極最近的閥室分別是154#和155#閥室，2閥室中間管道與翁源接地極最近直線距離約7 km。

1 入地電流引起電位抬升

翁源接地極在牛從直流系統正常運行時，不平衡入地電流為64 A；在單極大地回線運行方式下，額定入地電流為3 200 A；當雙極均采用該運行方式時，最大短時入地電流將達到6 400 A。

當接地極有較大入地電流時，翁源接地極將產生幾百伏的管地電位。如表1所示，在翁源接地極附近，靠近接地極的閥室或者分輸站內的管地電位最大，達到160 V；隨著閥室與接地極距離的增加，閥室內管地電位逐漸減小；并且，陰極入地電流引起的管地電位比陽極入地電流高。

行業標準《絕緣接頭與絕緣法蘭技術規范（SY/T 0516—2008）》規定，絕緣法蘭和絕緣接頭應能在工頻交流電下承受2.5 kV交流電壓。直流電壓下固體絕緣的電介質損耗較小，直流擊穿電壓比工頻擊穿電壓高。由此推斷，絕緣接頭應能承受的直流擊穿電壓值要大于2.5 kV。實測結果顯示，在絕緣水平完好的情況下，絕緣卡套可承受2.65 kV的直流電壓[2]。由此認為，在絕緣卡套絕緣水平滿足行業標準規定的情況下，入地電流造成的幾十至幾百伏的直流電壓不會對絕緣接頭產生放電燒蝕的影響。

表1 翁源接地極附近油氣管道閥室管地電位分布V

2 絕緣卡套結構及放電燒蝕現象

圖1為翁源接地極附近油氣管道閥室內的絕緣卡套結構。管件材質為不銹鋼，通過喇叭形熱塑性絕緣材料、聚四氟乙烯墊圈、氟碳密封圈實現金屬構件之間的電絕緣。其中，氟碳密封圈橫截面為方形結構，主要起密封作用。

圖1 絕緣卡套結構

經統計，絕緣卡套易發生放電灼燒現象的部位主要集中在3個區域，見圖1中的P1～P3位置。其中，發生在P1位置的放電現象屬于外部放電，而發生在P2和P3處的放電屬于絕緣卡套內部放電。

3 產生缺陷的原因分析

3.1 局部場強過大引發放電

大部分絕緣卡套發生放電燒蝕現象主要集中在變徑管裸露區域，即圖2中紅色方框所示區域。從圖2可以看出，變徑管斜面包覆有喇叭形絕緣材料的部分并未出現放電燒蝕現象，而在變徑管凸臺處發生了嚴重的放電燒蝕現象。這說明，絕緣卡套結構內部變徑管凸臺區域是絕緣薄弱區域。

圖2 局部場強過大引發放電

引發這類現象主要原因為：當大地入地電流提高了閥室內引壓管絕緣卡套的管地電位后，螺帽螺紋牙處的電場畸變隨著管地電位的提高而增大，由于該區域螺紋牙與變徑管凸臺距離較近，造成絕緣距離偏小引發放電。

3.2 雷擊造成絕緣卡套絕緣性能下降

在引壓管內部變徑管凸臺附近（P2）或者密封圈附近（P3）形成大面積的金屬熔融現象的原因初步確定為：絕緣卡套中的絕緣材料發生擊穿并形成低阻通道，使引壓管絕緣卡套的整體絕緣水平下降。當低電壓大電流通過時，大電流釋放的熱量使金屬發生熔融現象，并進一步使絕緣材料裂化，形成一個正反饋過程，促進絕緣水平的進一步降低和絕緣卡套的損壞。

絕緣卡套的絕緣水平下降可能是由于雷擊原因造成的。廣東是多雨和雷電活動頻繁的地區，埋有電纜（或金屬管道）的地方落雷率要比其他地方落雷率高。從翁源縣2012—2014年的雷電數據情況統計可以看出，翁源縣地區雷電非常活躍。

雷擊時電位顯著升高的落雷點與管道之間極大的電位差擊穿土壤，形成電弧通道，電弧又會燒傷雷擊點處的管道外絕緣層，使部分電流從這一絕緣燒傷部位進入金屬管道并向兩側傳輸。事實上，根據油氣管道公司的調研測試，運行一段時間后，引壓管絕緣卡套的絕緣水平普遍會發生下降。現場調研顯示，部分閥室氧化鋅避雷器損壞，避雷器周邊有大電流放電燒黑的痕跡。

實驗表明，完好絕緣卡套的直流電阻可達到8 000 MΩ；當絕緣卡套被8次5 kV的沖擊電壓擊穿后，絕緣卡套的絕緣電阻降低至4 MΩ。這說明，絕緣卡套在受到雷擊沖擊后，絕緣材料擊穿使絕緣強度急劇下降，并形成低阻通道。

當絕緣卡套的絕緣強度下降后，若翁源接地極有較大電流入地，并沿著管道破損點進入閥室，大電流可直接擊穿薄弱的絕緣材料并流入閥室接地網。由此形成的高溫將進一步使密封墊或者喇叭形絕緣套內部炭化甚至高溫汽化。聚四氟乙烯和氟碳墊圈的高溫融化進一步釋放大量熱量，引發金屬變徑管端部或者斜面發生高溫熔融現象。

3.3 端部濕污削弱變徑管外部絕緣強度

由于絕緣卡套端部的喇叭形絕緣材料裸露在空氣中，并且延伸距離較短，易造成污穢的堆積。在雷雨天氣、空氣濕度較大的條件下，該區域污穢受潮易引發污穢放電現象，造成端部絕緣材料的老化。

4 結論及建議

（1）絕緣水平完好的絕緣卡套，可以承受至少2.65 kV的直流電壓。翁源接地極入地電流造成的幾百伏管地電位不足以造成絕緣卡套的放電燒蝕。

（2）當大地入地電流提高了閥室內引壓管絕緣卡套的管地電位后，螺帽螺紋牙處的電場畸變隨著管地電位的提高而增大，局部場強增加，可能導致局部放電。建議完善絕緣卡套的裝卸步驟和工藝，避免絕緣卡套內部螺紋出現放電尖端。

（3）在絕緣卡套經過多次較高電壓沖擊后（比如雷擊），導致其絕緣水平下降形成低阻通道，在直流大電流時由于電阻效應產生大量熱量，引發金屬變徑管端部或者斜面發生高溫熔融燒蝕現象。建議改善絕緣卡套設計，增加內部材料的絕緣強度，并加強閥室避雷器設計或者更換滿足要求的避雷器。

[1]應斌．高壓直流輸電系統接地極對長輸管道安全運行的影響[J]．油氣田地面工程，2014，33（7）：23-24.

[2]王同強，孫春慶，張麗萍，等．雷擊對輸油管線的危害及防范[J]．油氣田地面工程，2013，32（8）：74.

（欄目主持 關梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.10.028

楚金偉：工程師，2009年畢業于清華大學電氣工程專業，從事直流接地極對油氣管道影響及防護等研究工作。

2015-05-15

18565590136、wxxzwb@163.com