吳廣春,李德明,張夢夢,王修云,3

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

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)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(gòu)成公共走廊的現(xiàn)象日益普遍,當(dāng)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(chǎn)生電磁干擾影響,威脅管道作業(yè)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?xí)?dǎo)致管道泄漏等嚴(yán)重的安全事故,近些年來,國內(nèi)外陸續(xù)報(bào)道了相關(guān)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?cái)嚅y閥體與配線盤連接處發(fā)生放電燒蝕,兩個絕緣墊片被擊穿,連接螺栓燒蝕損傷嚴(yán)重,燒蝕物使管道與閥室地網(wǎng)導(dǎo)通[1];2006年至2007年間,忠武管道輸氣站場先后發(fā)生多次雷擊事故,造成輸氣生產(chǎn)中斷、穩(wěn)壓器燒毀、工藝區(qū)超聲波流量計(jì)主板和內(nèi)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(fā)生泄漏爆燃事故[3];2011年美國也發(fā)生了類似的雷擊導(dǎo)致管壁熔傷而發(fā)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(jī)制[5-7]:一種阻性耦合,雷電流通過雷擊點(diǎn)兩側(cè)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(cè)產(chǎn)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(yuǎn)處傳播,并在周圍空間產(chǎn)生強(qiáng)烈的空間磁場,從而在管道上產(chǎn)生感應(yīng)過電壓。阻性耦合占主導(dǎo)且雷電流沿避雷線和桿塔入地的衰減很快,一般在雷擊點(diǎn)外兩側(cè)第5檔桿塔處即可忽略不計(jì)[8-9]。雷擊輸電線路對臨近埋地油氣管道的安全隱患體現(xiàn)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(hù)設(shè)備的正常運(yùn)行[10]。近年來,國內(nèi)相關(guān)學(xué)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(chǎn)生的防腐蝕層干擾電壓,歸納推導(dǎo)出相應(yīng)的簡化計(jì)算公式,同時結(jié)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(tài)分析程序EMTP構(gòu)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(diǎn)位置、導(dǎo)線與管道并行間距、線路架設(shè)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(jié)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(tài)模型,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比分析。陶玉郎等[14]利用FDTD(時域有限差分)數(shù)值分析方法研究了土壤非線性擊穿效應(yīng)對垂直接地體散流特性的影響。盡管國內(nèi)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(tài)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(biāo)未統(tǒng)一,沒有建立針對性的技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn);影響因素未開展系統(tǒng)的研究和梳理;土壤非線性電離特性對電磁干擾的影響機(jī)制未得到系統(tǒng)詮釋,且考慮土壤非線性電離特性的仿真計(jì)算方法過于復(fù)雜等[15-16]。因此,對雷擊導(dǎo)致的臨近埋地管道電磁影響開展進(jìn)一步的基礎(chǔ)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)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(fēng)險(xiǎn)和管壁電弧熔傷風(fēng)險(xiǎn)評價的研究進(jìn)展,針對臨近埋地管道電磁干擾的評價方法和指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理總結(jié),并對該領(lǐng)域未來的發(fā)展方向進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)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(biāo)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。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(shù)值和通電時間。與輸電線路穩(wěn)態(tài)、故障態(tài)干擾電流相比,雷電流的脈沖電流峰值更大、持續(xù)時間更短,兩者對應(yīng)的人員安全電壓限值也不盡相同。目前,國內(nèi)外主要電危害標(biāo)準(zhǔn)多參考IEEE Std 80-2013GuideforSafetyinACSubstationGrounding和IEC/TR 60479-2018EffectsofCurrentonHumanBeingsandLivestock中的相關(guān)內(nèi)容。IEEE Std 80-2013標(biāo)準(zhǔn)基于Dalziel對人類和動物電擊25 a的實(shí)證數(shù)據(jù)給出了人體可耐受電流限值計(jì)算辦法,認(rèn)為當(dāng)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(yàn)數(shù)據(jù),Dalziel給出了人員可耐受電流方程(心室顫動低的風(fēng)險(xiǎn)≤0.5%)[17],見式(2)和(3)。標(biāo)準(zhǔn)IEC 60479綜合了Dalziel和其他學(xué)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(jù)電流路徑的差異建立了心臟電流系數(shù)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(xiǎn)辦法,心臟電流系數(shù)(F)見表1。關(guān)于人體可容許電擊危害閾值,標(biāo)準(zhǔn)IEC 60479第1部分適用于電擊持續(xù)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(xù)時間不超過10 ms的脈沖電流電擊危害評估方法則在標(biāo)準(zhǔn)的第2部分進(jìn)行了討論。

表1 不同電流路徑的心臟電流系數(shù)

(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(nèi)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(xù)時間,s。

對比IEEE Std 80和IEC/TR 60479標(biāo)準(zhǔn)可知,IEC/TR 60479細(xì)化考量了人體阻抗、耐受電流及電流路徑的影響,且標(biāo)準(zhǔn)化了持續(xù)時間小于10 ms的暫態(tài)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(tài)波形,其持續(xù)時間小于10 ms[20],雷擊下人員電危害的安全評估應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)IEC/TR 60479。國標(biāo)GB/T 13870等同采用IEC/TR 60479,故文中關(guān)于雷電流導(dǎo)致的人身安全標(biāo)準(zhǔn)限值采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13870.2-2016《電流對人和家畜的效應(yīng) 第2部分:特殊情況》規(guī)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(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)概率小(概率達(dá)5%);C2～C3,心室纖維性顫動危險(xiǎn)中等(概率達(dá)50%);C3以上,心室纖維性顫動危險(xiǎn)大(概率大于50%)對于其他路徑其容許電流值應(yīng)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(fēng)險(xiǎn)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(dǎo)致雪崩效應(yīng),造成防腐蝕層被擊穿,其結(jié)果取決于電場強(qiáng)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(tài)脈沖電壓,隨著電壓持續(xù)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(zhì)防腐蝕層的暫態(tài)擊穿電壓有效值約為穩(wěn)態(tài)電壓的2.5倍,常見的防腐蝕層材料在穩(wěn)態(tài)電壓作用下的電氣強(qiáng)度見表2。

表2 常見防腐蝕層材料的穩(wěn)態(tài)電氣強(qiáng)度

此外,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還給出了防腐蝕層漏點(diǎn)電火花檢漏電壓的計(jì)算方法,如:ASTM G62-2014StandardTestMethodsforHolidayDetectioninPipelineCoatings中規(guī)定了不同防腐蝕層厚度下防腐蝕層漏點(diǎn)電火花檢漏電壓的計(jì)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(diǎn)檢測電壓計(jì)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(diǎn)檢測電壓計(jì)算公式,見式(7);ISO 21809-1:2011PetroleumandNaturalGasIndustries-ExternalCoatingforBuriedorSubmergedPipelinesUsedinPipelineTransportationSystem明確防腐蝕層漏點(diǎn)檢測電壓按10 V/μm計(jì)算,且不應(yīng)超過25 kV(防止擊穿聚乙烯);GB/T 23257-2017《埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層》指出對試件進(jìn)行電火花針孔檢查時,試件若為單層環(huán)氧粉末或熱收縮帶(套)底漆,檢漏電壓按5 V/μm計(jì)算,試件若為3PE防腐蝕層時,檢漏電壓為25 kV。根據(jù)以上內(nèi)容,針對GB/T 23257-2017規(guī)定的不同管徑的聚乙烯防腐蝕層的穩(wěn)態(tài)電氣強(qiáng)度和電火花檢漏電壓計(jì)算值對比如表3所示?？梢钥闯?電火花檢漏電壓均小于其電氣強(qiáng)度,實(shí)際上,電火花檢漏主要用于發(fā)現(xiàn)防腐蝕層中漏點(diǎn)(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(jié)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(qiáng)度,與標(biāo)準(zhǔn)涂層電氣強(qiáng)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(qiáng)度計(jì)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(qiáng)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(fēng)險(xiǎn)評價

為了確保管道免于電弧熔傷風(fēng)險(xiǎn),管道與電力桿塔基礎(chǔ)或接地系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)RD 34.21.122-1987RussianLightingProtectionDesignCodeforBuildingsandStructures指出該安全距離與土壤電阻率密切相關(guān),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(rèn)為安全間距為輸電塔桿接地電阻的函數(shù),安全間距約為0.9R(單位為ft);WIESINGER等給出了安全間距的計(jì)算公式;KUZHEKIN等優(yōu)化了WIESINGER等提出的公式[22];國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB 50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的接地裝置與管道安全距離計(jì)算公式;GB/T 50698-2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》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(chǎn)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(chǎn)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(shí)際工況下,雷電流經(jīng)桿塔接地系統(tǒng)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(qiáng)度隨之增大,當(dāng)大地中的電場強(qiáng)度超過一定值,但還沒有達(dá)到土壤的臨界擊穿強(qiáng)度時,土壤電阻率隨電場強(qiáng)度的增加而下降,當(dāng)沖擊電流繼續(xù)增大使得土壤中電場強(qiáng)度超出臨界擊穿強(qiáng)度Ec時,在接地體的周圍出現(xiàn)存在土壤電離現(xiàn)象的火花放電區(qū)域;隨著沖擊電流強(qiáng)度進(jìn)一步增大,土壤中的電場強(qiáng)度大于臨界電弧放電強(qiáng)度,火花區(qū)域區(qū)域逐步發(fā)展為沿著不規(guī)則土壤顆粒表面的離散電弧通道,形成電弧區(qū),即在雷電流作用下,接地裝置周圍的土壤中會產(chǎn)生如下圖2(a)所示的4個區(qū)域:電弧區(qū)、火花放電區(qū)、半導(dǎo)體區(qū)和恒定電導(dǎo)區(qū)[24-26],其中電弧區(qū)包括體積型離子化電離區(qū)域和離散弧形通道區(qū)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(chǔ)上,MOUSA等[27]給出了更為保守的安全間距計(jì)算公式,見式(8)

圖2 雷電流作用下接地裝置周圍土壤結(jié)構(gòu)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(qū)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(nèi)的管道電弧熔傷風(fēng)險(xiǎn),加拿大電力協(xié)會(CEA)認(rèn)為只有當(dāng)塔桿與管道間存在持續(xù)的電弧才會引起管道的電損傷,基于室內(nèi)模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果,CEA建立了雷電持續(xù)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(yīng)考慮雷擊塔桿引發(fā)的閃絡(luò)電弧影響,管道位于閃絡(luò)電弧距離范圍內(nèi)時,管道存在電弧風(fēng)險(xiǎn),CEA也給出閃絡(luò)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(yàn)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)管道融蝕區(qū)損傷情況與流入管道電流關(guān)系存在較好的擬合關(guān)系,如圖3所示,在此基礎(chǔ)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(qū)尺寸與流入管道電流關(guān)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(qū)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(qiáng)度,kV/m。

SUNDE、MOUSA等的研究成果主要針對雷電弧產(chǎn)生的極限間距,而實(shí)際上,并非雷電弧存在的區(qū)域一定會燒蝕管壁,只有持續(xù)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(jì)算方法來評估雷電弧產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn),利用CEA給出的計(jì)算方法評估管壁電弧熔傷風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述,建立雷擊桿塔工況下管壁電弧熔傷風(fēng)險(xiǎn)的評價方法:當(dāng)管道與桿塔接地裝置的距離大于雷電流導(dǎo)致的閃絡(luò)電弧距離時,風(fēng)險(xiǎn)較低;當(dāng)管道與桿塔接地裝置的距離位于持續(xù)電弧和閃絡(luò)電弧距離之間時,管道可能會面臨電弧熔傷的風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)盡可能降低風(fēng)險(xiǎn);當(dāng)管道與桿塔接地裝置的距離小于雷電流導(dǎo)致的持續(xù)電弧距離時,風(fēng)險(xiǎn)較高,利用公式(11)定量計(jì)算管壁的損傷深度,當(dāng)深度不影響管道的剩余強(qiáng)度時[30],認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)可接受。

4 結(jié)束語

針對臨近埋地管道電磁干擾的評價方法和指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理總結(jié),如前文所述,雷電流由于其暫態(tài)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(jìn)一步研究:

(1) 基于土壤非線性擊穿效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評價:雷電流沖擊作用下附近土壤呈現(xiàn)非線性的時變特征,從而在接地體周圍形成不規(guī)則的土壤擊穿區(qū)域,導(dǎo)致沖擊電阻阻抗快速下降,影響了土壤的散流過程,進(jìn)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(yīng),主流的數(shù)值模擬軟件也未將該效應(yīng)集成到軟件程序中,導(dǎo)致考慮該效應(yīng)的工作難度高,影響了其普及應(yīng)用;

(2) 雷電流沖擊接地試驗(yàn):目前國內(nèi)外研究雷電流的沖擊特性的方法主要有沖擊接地試驗(yàn)和數(shù)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(yàn)的單位屈指可數(shù),絕大部分研究人員選擇了數(shù)值模擬計(jì)算方法,但是數(shù)模缺乏試驗(yàn)的支撐就會顯得很無力,因此,對于雷電流的沖擊接地試驗(yàn)方法有待進(jìn)一步的研究和普及;

(3) 影響因素的系統(tǒng)研究和梳理總結(jié):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(tǒng)的研究和梳理總結(jié);

(4) 專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的制定:急需制定專門的風(fēng)險(xiǎn)評價和防護(hù)指導(dǎo)技術(shù)規(guī)范,指導(dǎo)管道的安全生產(chǎn)運(yùn)行。