高壓直流接地極放電對輸氣閥室儀表影響研究

曹國飛 丁疆強 祝令卿 顧清林 姜永濤 姚清勇 王棠昱

1. 中國石油東部管道有限公司, 上海 200122;2. 中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

中國天然氣管網里程超9×104km,以西氣東輸、陜京線、川氣東送、中緬線、永唐秦等為主的干線,以冀寧線、蘭銀線、忠武線、中貴線等的聯絡線,連同最近幾年的地方管網建設,初步形成了一張長輸管網。另外,隨著國內高壓直流輸電技術的普遍應用,國內目前擬建和已建的±500～±1 000 kV超高壓直流輸電線路就有30多條干線,在其線路送端和受端(云南、貴州、四川、湖北、廣西、上海、廣東、浙江)分別設有相應換流站的接地極。接地極與大地充分接觸,實現與大地連接的電極。在工程中已發現距離接地極10～50 km 的天然氣輸送管道,受直流干擾后電位偏移數十伏特的案例,同時發現多處輸氣閥室引壓管、絕緣卡套放電,甚至出現燒穿、泄漏事故[1]。

2013年開始,西氣東輸巡檢人員在日常巡檢中先后發現多處閥室引壓管、絕緣卡套接頭放電,甚至出現燒穿、泄漏事故。研究發現高壓直流接地極放電對管道的干擾,是造成引壓管放電或者絕緣卡套接頭擊穿的主要原因之一。2013年12月24日,由于南方電網所轄 ±800 kV 云廣特高壓直流輸電系統故障,采取單極大地返回方式運行過程中,將直流電流泄放入清遠市清新縣魚龍嶺接地極,接地極入地電流為3 125 A。導致廣東省天然氣管網從化分輸站BV 1101氣液聯動球閥執行機構Line Guard控制箱引壓管絕緣卡套位置發生持續約3 h的放電燒蝕,造成引壓管絕緣卡套表面氧化,其內襯的絕緣套被炭化；位于絕緣卡套正上方的引壓管也被高溫氧化為黑色,同時引壓管向左右傳導熱量熔化了固定于絕緣卡套附近的塑料管卡。引壓管絕緣卡套密封和絕緣失效,將引發天然氣泄漏,進而引起燃燒、爆炸事故的可能。

1 高壓直流接地極放電對輸氣閥室儀表電位影響

高壓直流輸電系統對天然氣輸送管道的干擾影響,來源于其輸電線路兩端換流站的接地極放電期間產生的高電壓和大電流流動。對翁源接地極(±500 kV牛從同塔雙回超高壓輸電系統)、魚龍嶺接地極(±800 kV云廣特高壓輸電系統和貴廣二回±500 kV超高壓輸電系統)、大塘接地極(±500 kV天廣超高壓直流輸電系統)和哈密接地極(±800 kV哈密特高壓直流輸電系統)的放電數據進行實測,數據匯總見表1。

通過對表1數據分析,其中304 V管/地電位和 121 A 的管內電流是最大值,是由翁源接地極放電對西二線廣東段的干擾造成的,翁源接地極放電時入地電流量大,同時翁源接地極深層以花崗巖為主,造成了深層土壤電阻率很高的情況,使得翁源接地極放電時電流更多地在地表流動,造成如此高的干擾電壓和電流,應是接地極放電對在役天然氣輸送管道影響中干擾最大的[2-17]。

表1 現場收集典型數據匯總

序號管道名稱高壓直流輸電系統接地極接地極入地電流/A管/地電位/V管內電流/A1234567西二線翁源接地極3 000304-2 400-111212 400-164-2 400-5.95801 200-1.4364.21 200-86-1 200 -239891011廣東管網魚龍嶺接地極1 200-5.340-52-3 000187-1 200-34.21213廣東管網大塘接地極1 80040401 200-3.92-1415西二線哈密段哈密接地極-9.7--7.1- 注:管/地電位為直流電壓,管內電流為直流電流。

2 輸氣閥室儀表

輸氣閥室儀表一類是和天然氣輸送管道直接連接的,如壓力檢測儀表、氣液聯動執行機構、絕緣卡套接頭等；另一類是不和天然氣管道直接連接的,如遠程終端單元(RTU)等。輸氣閥室儀表分布見圖1。

絕緣卡套接頭是陰極保護的常用管件,其主要功能是保護線路管道內的陰極保護電流不被流失,常安裝于儀表引壓管線上[18]。

3 高壓直流接地極對輸氣閥室儀表影響

與管道直接連接的儀表設備主要包括:氣液聯動執行機構、壓力變送器、溫度變送器、引壓管絕緣卡套,以及區域范圍內的各級防電涌保護裝置、陰保電源設備、電位傳送器等。絕緣卡套接頭/墊片在天然氣輸送管道系統中主要分布于輸氣閥室中氣液聯動執行機構及其引壓管和壓力變送器引壓管上,主要作用是保證陰極保護電流不流失[19]。

圖1 輸氣閥室儀表分布

3.1 對絕緣卡套接頭干擾影響

根據絕緣卡套接頭測試結果及實驗結果可以看出,廠家生產及配備的絕緣卡套接頭及墊片符合標準要求,同時304 VDC的高壓直流電壓對絕緣卡套接頭及墊片不會產生直接影響,更不會被直接擊穿。但實際工程中,確實存在絕緣卡套接頭被擊穿的情況,見圖2。

造成這種損壞的原因如下:

1)絕緣卡套接頭在多次高電壓(如雷電)擊穿后,絕緣性能下降,可能發生放電現象。

2)在雷雨天氣、空氣濕度較大的條件下,可能發生表面放電現象,造成絕緣性能下降。

圖2 現場絕緣卡套接頭被擊穿情況

3)在絕緣卡套接頭安裝施工過程中,由于施工不當,對絕緣卡套接頭造成了一定程度的傷害,降低了絕緣性能。

從《高壓直流干擾對設備可靠運行的影響研究儀表設備實驗-測試報告》結果和分析可知,造成絕緣卡套接頭損壞有多種原因,高壓直流電的干擾不一定是直接原因,但是,在高壓直流電干擾區域的天然氣輸送管道,在絕緣卡套接頭的絕緣性能下降后,由于大電流的流動,電能產生熱能,將造成絕緣卡套接頭的密封件燒蝕、炭化,絕緣卡套接頭密封失效,引起天然氣泄漏,甚至可能帶來燃爆的災難。

由于以上原因對絕緣卡套接頭的絕緣性能造成下降后,再受到高壓直流電干擾的304 VDC電壓,的確會擊穿絕緣卡套接頭,甚至造成燒蝕。要避免燒蝕,建議注重安裝施工質量,嚴格按照廠家要求進行安裝;定期檢查絕緣卡套接頭的絕緣性能(測絕緣阻值);定期清潔絕緣卡套接頭的灰塵;最重要的是將高壓直流干擾電壓通過排流器或者其他措施限制在10 VDC內。絕緣卡套接頭見圖3。

圖3 絕緣卡套接頭

圖3的絕緣卡套接頭參數:閥體為316不銹鋼,絕緣為聚酰胺酰亞胺,四邊形密封燒蝕70硬度碳氟化合物FKM,備用環為純聚四氟乙烯,20 ℃時的絕緣體電阻10×106Ω(10 DC)壓力等級35 MPa,溫度范圍-40～93 ℃。

3.2 對電子控制單元、壓力變送器影響

從圖1可看出，氣液聯動執行機構分為同閥門機械接觸部分、電子控制單元、氣控回訊箱三部分。同閥門機械接觸部分,直接和閥門連接,無法進行絕緣處理,而電子控制單元、氣控回訊箱只要與天然氣輸送管道有連接的地方均用絕緣卡套接頭或絕緣墊片進行絕緣處理。

電子控制單元作為氣液聯動執行機構的核心部件,由圖1可看出當壓力傳感器引壓管的絕緣卡套接頭和壓降速率引壓管的絕緣卡套接頭損壞或者擊穿的情況下,輸氣管道上受到高壓直流接地極放電干擾產生的電流會直接作用在電子控制單元外殼上,通過電子控制單元外殼的接地線流入大地。當電子控制單元外殼的接地線虛接或者電流過大燒毀接地線的情況下,管/地電位將直接加在電子控制單元外殼[20]。

壓力變送器(或壓力傳感器)通過引壓管與天然氣輸送管道連接,引壓管上安裝絕緣卡套接頭,同電子控制單元一樣,引壓管的絕緣卡套接頭損壞或者擊穿的情況下,管道上受到高壓直流接地極放電干擾產生的電流會直接作用在壓力變送器外殼上,通過壓力變送器外殼的接地線流入大地。當壓力變送器外殼的接地線虛接或者電流過大燒毀的情況下,管/地電位將直接加在壓力變送器外殼。

通過對壓力變送器、電子控制單元核心部件與外殼之間的絕緣、電壓沖擊及干擾進行相關的實驗并進行分析可知,高壓直流接地極放電干擾產生的直流電流靜電場,并不會對壓力變送器、溫度變送器、電子控制單元、RTU這種安裝于金屬殼體內部的電器元件造成損壞、影響正常運行和電磁干擾。

4 結論和建議

4.1 結論

從上述實驗可知,完好的絕緣卡套接頭,擁有的絕緣性能能滿足工程需要,也能在高壓直流接地極放電干擾產生的高壓直流接地極放電電壓(304 VDC)的情況下安然無恙,但在受過高壓擊穿、浸濕、灰塵和施工不當情況下,會有發生絕緣擊穿甚至燒蝕的可能。

壓力變送器和電子控制單元在接地良好的情況下,不會受高壓直流電壓的影響,更不會燒毀核心部件,也不會對設備的正常工作產生影響。

壓力變送器、電子控制單元和RTU在接地良好的情況下,不會受到高壓直流接地極放電電流產生的靜電場影響,也不會受到其產生的電磁波影響。

通過高壓直流接地極對輸氣管道儀表設備的危害分析,在現有危害分析的基礎上,進一步進行相關研究,對高壓直流接地極帶來的風險進行評價,對已建天然氣輸送管道的優化方案提出整改方向和采取與干擾程度相適應的防護措施,對新建天然氣輸送管道提供參考,確保天然氣輸送管道安全運行。

4.2 建議

從以上分析結果得知,絕緣卡套接頭在多次高壓擊穿、灰塵、浸濕、施工操作不當的情況下,絕緣性能會降低,受到高壓直流接地極放電干擾形成的高電壓,有擊穿和燒蝕的可能。在以后的工程建設中提出以下建議:定期檢測絕緣卡套接頭的絕緣性能,杜絕絕緣卡套接頭帶病運行;定期清理灰塵;規范安裝施工;在閥室氣液聯動執行機構引壓管(DN 50或DN 25)上安裝絕緣性能更高的絕緣接頭;取消閥室氣液聯動執行機構的電子控制單元,其爆管保護功能由RTU實現;采取遠離避讓及防護措施。