雷擊高壓輸電線路對臨近埋地油氣管道電磁影響的評價方法

吳廣春,李德明,張夢夢,王修云,3

(1.安科工程技術研究院(北京)有限公司,北京,102200;2.上海天然氣管網有限公司,上海,201204;3.北京科技大學,北京,100083)

隨著我國國民經濟的持續增長和地域空間路由的限制,埋地油氣管道與高壓輸電線路構成公共走廊的現象日益普遍,當架空的高壓輸電線路遭受雷擊時,會對臨近的埋地油氣管道產生電磁干擾影響,威脅管道作業人員的人身安全,若過電壓過大,可能會擊穿管道防腐蝕層,造成管壁熔傷,甚至會導致管道泄漏等嚴重的安全事故,近些年來,國內外陸續報道了相關的案例,如:2018年6月,中緬天然氣管道干線56號閥室受雷擊影響,在干線截斷閥閥體與配線盤連接處發生放電燒蝕,兩個絕緣墊片被擊穿,連接螺栓燒蝕損傷嚴重,燒蝕物使管道與閥室地網導通[1];2006年至2007年間,忠武管道輸氣站場先后發生多次雷擊事故,造成輸氣生產中斷、穩壓器燒毀、工藝區超聲波流量計主板和內腐蝕檢測儀損壞[2];2017年3月,希臘某天然氣輸送管道受雷電直擊,發生泄漏爆燃事故[3];2011年美國也發生了類似的雷擊導致管壁熔傷而發生泄漏的事故[4]。雷擊輸電線路對臨近埋地管道的電磁干擾主要有兩種耦合機制[5-7]:一種阻性耦合,雷電流通過雷擊點兩側的桿塔逐級泄放入地,引起地電位升高,從而在防腐蝕層兩側產生很高的過電壓;另一種是感性耦合,雷電流沿著架空輸電線路向遠處傳播,并在周圍空間產生強烈的空間磁場,從而在管道上產生感應過電壓。阻性耦合占主導且雷電流沿避雷線和桿塔入地的衰減很快,一般在雷擊點外兩側第5檔桿塔處即可忽略不計[8-9]。雷擊輸電線路對臨近埋地油氣管道的安全隱患體現在以下方面:人身安全、管道防腐層擊穿、管壁電弧熔傷、影響陰極保護設備的正常運行[10]。近年來,國內相關學者圍繞該課題開展了系列研究。安寧等[11]利用線矩量法仿真研究了雷擊輸電線路桿塔時在交叉跨越的輸油輸氣管道上產生的防腐蝕層干擾電壓,歸納推導出相應的簡化計算公式,同時結合3PE防腐蝕層的雷電沖擊耐壓限值,得到不同幅值雷電作用下滿足防腐蝕層耐壓限值要求的管道與桿塔接地體的允許接近距離。肖宏峰等[9]利用電磁暫態分析程序EMTP構建了±800 kV/500 kV交直流同塔四回輸電線路與油氣管道模型,分析了雷擊點位置、導線與管道并行間距、線路架設高度、土壤電阻率和管徑對管道過電壓的影響。李景麗等[12-13]基于電磁場理論采用空間有限元與時域有限差分相結合的方法,建立了考慮土壤非線性電離特性的接地體沖擊特性有限元動態模型,并與試驗結果進行了對比分析。陶玉郎等[14]利用FDTD(時域有限差分)數值分析方法研究了土壤非線性擊穿效應對垂直接地體散流特性的影響。盡管國內外圍繞雷擊對管道的電磁影響開展了許多工作,但由于雷電流的暫態特性,目前的研究尚處于探討階段,如雷擊影響評價方法和指標未統一,沒有建立針對性的技術規范或標準;影響因素未開展系統的研究和梳理;土壤非線性電離特性對電磁干擾的影響機制未得到系統詮釋,且考慮土壤非線性電離特性的仿真計算方法過于復雜等[15-16]。因此,對雷擊導致的臨近埋地管道電磁影響開展進一步的基礎研究具有重要的現實意義和理論價值。

筆者分別介紹了雷擊狀況下人身安全、管道防腐蝕層擊穿風險和管壁電弧熔傷風險評價的研究進展,針對臨近埋地管道電磁干擾的評價方法和指標進行了系統的梳理總結,并對該領域未來的發展方向進行了展望,以期為同行提供一定的借鑒和參考。

1 人身安全風險評價

雷電電磁干擾下臨近管道工作人員面臨著接觸電壓和跨步電壓超標的潛在風險。對于人體某一電流通路下,人員受到的電危害主要取決于電流的數值和通電時間。與輸電線路穩態、故障態干擾電流相比,雷電流的脈沖電流峰值更大、持續時間更短,兩者對應的人員安全電壓限值也不盡相同。目前,國內外主要電危害標準多參考IEEE Std 80-2013GuideforSafetyinACSubstationGrounding和IEC/TR 60479-2018EffectsofCurrentonHumanBeingsandLivestock中的相關內容。IEEE Std 80-2013標準基于Dalziel對人類和動物電擊25 a的實證數據給出了人體可耐受電流限值計算辦法,認為當人體通過的脈沖電擊能量Ebody(見下式1)小于心臟致顫能量Efr時,可避免人員受傷或死亡,基于0.03～3.0 s的試驗數據,Dalziel給出了人員可耐受電流方程(心室顫動低的風險≤0.5%)[17],見式(2)和(3)。標準IEC 60479綜合了Dalziel和其他學者的研究成果[18-19],建立了人體阻抗模型,并指出人體阻抗受電壓、電流頻率影響,而非定值1000 Ω;根據電流路徑的差異建立了心臟電流系數以評估除左手到雙腳外其他電流通路下心室纖維性顫動危險辦法,心臟電流系數(F)見表1。關于人體可容許電擊危害閾值,標準IEC 60479第1部分適用于電擊持續時間大于心博周期的直流或交流(15～100 Hz)電擊工況;而對于持續時間不超過10 ms的脈沖電流電擊危害評估方法則在標準的第2部分進行了討論。

表1 不同電流路徑的心臟電流系數

(1)

(適用于體重50 kg,0.03～3.0 s)

(2)

(適用于體重70 kg,0.03～3.0s)

(3)

式中:Ebody為通過人體的脈沖電擊能量,J;Rb為 人體內阻,取1 000 Ω;V為脈沖電壓,V;Ib,rms為人體可耐受電流均方根值,A;ts為脈沖電流持續時間,s。

對比IEEE Std 80和IEC/TR 60479標準可知,IEC/TR 60479細化考量了人體阻抗、耐受電流及電流路徑的影響,且標準化了持續時間小于10 ms的暫態電流的電危害評價方法,考慮到常見的雷電流波形為2.6/5 μs暫態波形,其持續時間小于10 ms[20],雷擊下人員電危害的安全評估應采用標準IEC/TR 60479。國標GB/T 13870等同采用IEC/TR 60479,故文中關于雷電流導致的人身安全標準限值采用標準GB/T 13870.2-2016《電流對人和家畜的效應 第2部分:特殊情況》規定限值,具體閾值見圖1,圖中曲線為左手到雙腳電流路徑下心室纖維性顫動風險曲線,其中,C1以下,無心室纖維性顫動;C1～C2,心室纖維性顫動危險概率小(概率達5%);C2～C3,心室纖維性顫動危險中等(概率達50%);C3以上,心室纖維性顫動危險大(概率大于50%)對于其他路徑其容許電流值應參考表1修正。

圖1 心室纖維性顫動電流閾值Fig.1 Threshold of ventricular fibrillation

2 管道防腐蝕層擊穿風險評價

對一定厚度防腐蝕層施加電壓后,其束縛的電子在電場的作用下加速,并與其他原子碰撞,釋放出更多電子而導致雪崩效應,造成防腐蝕層被擊穿,其結果取決于電場強度,試樣厚度、均勻性等。對于雷電流或線路故障電流引起的瞬態脈沖電壓,隨著電壓持續時間的縮短,需要更高的峰值電壓才能擊穿管道防腐蝕層,GUMMOW等[21]研究表明,聚乙烯質防腐蝕層的暫態擊穿電壓有效值約為穩態電壓的2.5倍,常見的防腐蝕層材料在穩態電壓作用下的電氣強度見表2。

表2 常見防腐蝕層材料的穩態電氣強度

此外,相關標準還給出了防腐蝕層漏點電火花檢漏電壓的計算方法,如:ASTM G62-2014StandardTestMethodsforHolidayDetectioninPipelineCoatings中規定了不同防腐蝕層厚度下防腐蝕層漏點電火花檢漏電壓的計算公式,見式(4)

和(5);NACE SP0274-2011High-VoltageElectricalInspectionofPipelineCoating給出了0.5～19 mm厚防腐蝕層漏點檢測電壓計算公式,見式(6);NACE SP0490-2007HolidayDetectionofFusion-BondedEpoxyExternalPipelineCoatingsof250to760μm(10to30Mils)給出了0.25～0.76 mm厚FBE防腐蝕層漏點檢測電壓計算公式,見式(7);ISO 21809-1:2011PetroleumandNaturalGasIndustries-ExternalCoatingforBuriedorSubmergedPipelinesUsedinPipelineTransportationSystem明確防腐蝕層漏點檢測電壓按10 V/μm計算,且不應超過25 kV(防止擊穿聚乙烯);GB/T 23257-2017《埋地鋼質管道聚乙烯防腐層》指出對試件進行電火花針孔檢查時,試件若為單層環氧粉末或熱收縮帶(套)底漆,檢漏電壓按5 V/μm計算,試件若為3PE防腐蝕層時,檢漏電壓為25 kV。根據以上內容,針對GB/T 23257-2017規定的不同管徑的聚乙烯防腐蝕層的穩態電氣強度和電火花檢漏電壓計算值對比如表3所示。可以看出,電火花檢漏電壓均小于其電氣強度,實際上,電火花檢漏主要用于發現防腐蝕層中漏點(如針孔、縫隙)、涂層中金屬夾雜及涂層厚度過薄位置,其測試結果僅表征了針孔、縫隙、涂層中金屬夾雜的空氣耐受擊穿電壓或厚度薄弱處涂層的電氣強度,與標準涂層電氣強度存在一定差異。鑒于此,推薦采用2.5倍的防腐蝕層電氣強度計算雷擊下涂層的耐受電壓。

表3 聚乙烯防腐蝕層電火花檢漏電壓和電氣強度

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:V為測試電壓,V;TC為防腐蝕層厚度,mm。

3 管壁電弧熔傷風險評價

為了確保管道免于電弧熔傷風險,管道與電力桿塔基礎或接地系統的任何部分之間必須保持足夠的“安全”間隔距離[22]。俄羅斯標準RD 34.21.122-1987RussianLightingProtectionDesignCodeforBuildingsandStructures指出該安全距離與土壤電阻率密切相關,土壤電阻率(ρ)≤100 Ω·m時的安全間距為5 m,100<ρ≤1 000 Ω·m時的安全間距為5～14 m;LEE等認為安全間距為輸電塔桿接地電阻的函數,安全間距約為0.9R(單位為ft);WIESINGER等給出了安全間距的計算公式;KUZHEKIN等優化了WIESINGER等提出的公式[22];國內標準GB 50057-2010《建筑物防雷設計規范》給出的接地裝置與管道安全距離計算公式;GB/T 50698-2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》也給出了不同輸電電壓等級下接地體與管道的最小間距,如表4所示;SUNDE[23]也給出了不同雷擊電流幅值和土壤電阻率下雷擊產生電弧的安全距離公式,需要注意,以上安全間距均基于雷擊電流擊穿土壤產生的電弧體積通道距離。

表4 埋地管道與交流接地體的最小距離

實際工況下,雷電流經桿塔接地系統向土壤中散流時,接地裝置周圍土壤中的電流密度急劇升高,電場強度隨之增大,當大地中的電場強度超過一定值,但還沒有達到土壤的臨界擊穿強度時,土壤電阻率隨電場強度的增加而下降,當沖擊電流繼續增大使得土壤中電場強度超出臨界擊穿強度Ec時,在接地體的周圍出現存在土壤電離現象的火花放電區域;隨著沖擊電流強度進一步增大,土壤中的電場強度大于臨界電弧放電強度,火花區域區域逐步發展為沿著不規則土壤顆粒表面的離散電弧通道,形成電弧區,即在雷電流作用下,接地裝置周圍的土壤中會產生如下圖2(a)所示的4個區域:電弧區、火花放電區、半導體區和恒定電導區[24-26],其中電弧區包括體積型離子化電離區域和離散弧形通道區域,如下圖2(b)所示[26]。離散弧形通道使得安全間距成倍增大,在此基礎上,MOUSA等[27]給出了更為保守的安全間距計算公式,見式(8)

圖2 雷電流作用下接地裝置周圍土壤結構圖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為離散弧形通道的等效半徑,m;A為體積型離子化區域的等效半徑,m;I為雷電故障電流,kA;ρ為土壤電阻率,Ω·m;E0為土壤電離離子化梯度,取值300 kV/m;Eb為土壤的擊穿梯度,取值50 kV/m。對于位于安全間距內的管道電弧熔傷風險,加拿大電力協會(CEA)認為只有當塔桿與管道間存在持續的電弧才會引起管道的電損傷,基于室內模擬和現場試驗結果,CEA建立了雷電持續電弧距離D與塔桿地電位升V間的線性回歸公式,見式(9)

V=5.801+0.070 3D

(9)

對于安全間距以外的管道應考慮雷擊塔桿引發的閃絡電弧影響,管道位于閃絡電弧距離范圍內時,管道存在電弧風險,CEA也給出閃絡引起的最大電弧距離D與塔桿地電位升V間的線性回歸公式,見式(10)[28]

V=18.01+0.108 2D

(10)

FRAZIER[29]基于CEA試驗數據,發現管道融蝕區損傷情況與流入管道電流關系存在較好的擬合關系,如圖3所示,在此基礎上得到了管道受雷電流電損傷的定量評估回歸公式(11)。

圖3 管道融蝕區尺寸與流入管道電流關系圖Fig.3 Diameter and depth of melted area vs the current flow-into pipeline

(11)

式中:T為燒蝕深度,mm;Vrms為電損傷區域的土壤地電位升,kV;ρ為土壤電阻率,Ω·m;EBD為土壤離子化電離強度,kV/m。

SUNDE、MOUSA等的研究成果主要針對雷電弧產生的極限間距,而實際上,并非雷電弧存在的區域一定會燒蝕管壁,只有持續的電弧才有足夠的能量熔傷管壁。因此,可利用SUNDE、MOUSA等人給出的計算方法來評估雷電弧產生的風險,利用CEA給出的計算方法評估管壁電弧熔傷風險。

綜上所述,建立雷擊桿塔工況下管壁電弧熔傷風險的評價方法:當管道與桿塔接地裝置的距離大于雷電流導致的閃絡電弧距離時,風險較低;當管道與桿塔接地裝置的距離位于持續電弧和閃絡電弧距離之間時,管道可能會面臨電弧熔傷的風險,應盡可能降低風險;當管道與桿塔接地裝置的距離小于雷電流導致的持續電弧距離時,風險較高,利用公式(11)定量計算管壁的損傷深度,當深度不影響管道的剩余強度時[30],認為風險可接受。

4 結束語

針對臨近埋地管道電磁干擾的評價方法和指標進行了系統的梳理總結,如前文所述,雷電流由于其暫態和高能量特性,目前的研究尚處于探討階段,在以下幾方面有待進一步研究:

(1) 基于土壤非線性擊穿效應的風險評價:雷電流沖擊作用下附近土壤呈現非線性的時變特征,從而在接地體周圍形成不規則的土壤擊穿區域,導致沖擊電阻阻抗快速下降,影響了土壤的散流過程,進而影響對管道的電磁干擾程度。目前大部分的研究均未考慮該線性效應,主流的數值模擬軟件也未將該效應集成到軟件程序中,導致考慮該效應的工作難度高,影響了其普及應用;

(2) 雷電流沖擊接地試驗:目前國內外研究雷電流的沖擊特性的方法主要有沖擊接地試驗和數值模擬兩種方法,由于雷電流的高能量特性,能開展雷電流沖擊接地試驗的單位屈指可數,絕大部分研究人員選擇了數值模擬計算方法,但是數模缺乏試驗的支撐就會顯得很無力,因此,對于雷電流的沖擊接地試驗方法有待進一步的研究和普及;

(3) 影響因素的系統研究和梳理總結:目前對于雷擊輸電線路對管道的電磁干擾影響因素的研究比較雜亂,缺乏系統的研究和梳理總結;

(4) 專項標準的制定:急需制定專門的風險評價和防護指導技術規范,指導管道的安全生產運行。