交流輸電線路接地故障對埋地金屬管道的強電沖擊防護

潘 晨

（中石化節(jié)能環(huán)保工程科技有限公司，湖北 武漢 430223）

0 引言

當高壓交流輸電線路與埋地金屬油氣管道鄰近時，如果交流輸電線路發(fā)生接地短路故障，就會對管道產(chǎn)生強電干擾。輸電線路上大幅值的短路電流會在管道上產(chǎn)生感性耦合；故障處短路電流經(jīng)過桿塔接地體入地，使得桿塔附近大地電位抬升很高，而管道本體保持相對低的電位，入地電流通過土壤阻抗及管道防腐層阻抗，對管道產(chǎn)生阻性耦合。此時，附近管道的綜合干擾電壓強度可達正常情況下的數(shù)千、甚至數(shù)萬倍。此時，強電沖擊將對與管道連接的設(shè)備、儀表產(chǎn)生不利影響。如果管道運行、檢測、維護人員正好接觸管道的金屬部分，將對其人身安全產(chǎn)生直接構(gòu)成巨大威脅[1]。

因此，如何防止強電沖擊對管道運行、檢測、維護人員安全的傷害，以及其對與管道連接的設(shè)備、儀表產(chǎn)生的不利影響，為設(shè)計中必須考慮的安全問題。

1 交流輸電線路接地故障對埋地金屬管道的電磁影響

短路電流的強弱、并行長度等眾多因素決定了輸電線路發(fā)生接地短路故障時對鄰近埋地管道的交流干擾影響的大小。實際工程中，交流輸電線路與埋地金屬管道的位置關(guān)系較為復(fù)雜，為簡化起見，本文以圖1關(guān)系為例。

圖1 管道與線路相對位置

1.1 管道及輸電線路參數(shù)

1.1.1 管道參數(shù)

具體如表1所示。

1.1.2 輸電線路參數(shù)

選取高壓單回輸電線路，邊相對地平均高度22m，中相對地平均高度24m；在管道并行段中點短路。與管道并行長度10km，間距50m。土壤電阻率/桿塔接地電阻為：100Ω·m/10Ω。輸電線路兩端提供6∠0°kA的短路電流。

1.2 輸電線路故障時，管道接觸電勢分布

電力系統(tǒng)短路故障里單相接地短路故障占實際故障發(fā)生次數(shù)的絕大部分，因此本文主要考慮輸電線路單相對地短路故障時對管道產(chǎn)生的影響。在上述狀態(tài)時，管道接觸電勢分布如圖2所示。

圖2 不同管道防腐層絕緣電阻率時并行段沿線接觸電勢分布

2 防護措施

輸電線路出現(xiàn)故障狀態(tài)情況較少，但其干擾電壓高、持續(xù)時間較短，因此故障狀態(tài)時防護與正常狀態(tài)時的交流干擾排流不同，主要是將較高的電壓及時排出去、防止其擊穿防腐層及與管道連接的相關(guān)儀表和設(shè)備，另外是防止管道及其附近的土壤高電位對檢測人員造成的傷害輸電線路故障狀態(tài)的干擾是由干擾源和被干擾管道兩方面構(gòu)成的，因此在防護措施上也是可兩方面考慮，通常是從干擾源和被干擾兩方面聯(lián)合采取措施效果最佳。但在實際工程中，由于線路和管道施工時間不同，目前大多從管道的單方面防護措施考慮。主要管道措施有：

表1 管道典型參數(shù)

2.1 避讓法

避免強電線路對埋地金屬管道的干擾，最簡單有效的方法是兩者相互避讓。該措施是指在強電線路和管道的設(shè)計階段就應(yīng)充分考慮管線與高壓輸電線之間的距離，應(yīng)盡可能的增大它們之間的間距，直至管道上的交流感應(yīng)電壓減小到允許值。

埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護技術(shù)標準GB/T 50698-2011中規(guī)定：在路徑受限地區(qū)，埋地管道與交流輸電系統(tǒng)的各種接地裝置之間的最小水平距離一般情況下不宜小于表2的規(guī)定[2]。

表2 埋地管道與交流輸電線路各種接地裝置最小距離

近距離狀態(tài)下，增加管道和高壓線間的間距，特別適合于高壓輸電線路桿塔接地極附近的阻性耦合影響。而間距≥桿塔線高以上時，增加間距可以快速降低感性耦合。如果不能滿足上述標準規(guī)定的間距，必須采取特別措施進行防護。

在實際工程中，即使?jié)M足了上述最小間距要求，也必須采取其他防護措施，以減小危害強電沖擊造成其他的危害。

2.2 電屏蔽

在實際工程中，當管線距高壓輸電線路較近時，電阻耦合影響可能占主導(dǎo)地位，此時，在輸電線路接地體和管道之間設(shè)置導(dǎo)體屏蔽柵，都能有效降低強電線路故障狀態(tài)對管道的不良影響。特別是屏蔽可減少高壓輸電鐵塔的接地系統(tǒng)與被影響的管道之間產(chǎn)生地中電弧的影響，減少強電沖擊情況下管道防腐層或管道金屬體被擊穿的可能性。

在進行電氣屏蔽設(shè)計時，應(yīng)考慮鐵塔接地系統(tǒng)與管道間的距離、管道受影響的程度和鐵塔接地系統(tǒng)與周圍大地間的電位大小等因素。

屏蔽可采用絕緣隔板，隔板采用膠板，樹脂板等絕緣材料制成；也可采用一支或多支電極在特定地點與受影響的管道平行安裝，或安裝在受影響管道的周圍，或沿管道的長度安裝。

由于末端效應(yīng)，在加強絕緣層、隔板、屏蔽柵的邊界部分，電流密度增大，所以隔板，屏蔽柵長度必須足夠長，以保證末端電流強度衰減到可控范圍內(nèi)。一般應(yīng)將其延伸到地電場作用范圍之外5～10m左右的距離。

2.3 管道接地

管道與地連接是一種傳統(tǒng)的減少由容性和感性耦合引起的感應(yīng)電壓的方法。該方法對減少容性耦合影響是非常有效的，但是，為了真正達到減弱感性耦合的影響，一般需要大量的低電阻接地。因此，該方法在土壤電阻率高的地方作用是有限的。

管道接地對陰極保護系統(tǒng)會產(chǎn)生不利的影響。為維持足夠的保護水平，管道接地可導(dǎo)致陰極保護電流的大大增加。為了限制這種影響，一般采用犧牲陽極作為接地電極（鋅電極，鍍鋅導(dǎo)線）。如果僅為了限制短期干擾，接地電極可以通過電涌放電器連接。

上世紀90年代前期，屏蔽線材料多為犧牲陽極帶。因犧牲陽極自身消耗問題，自1995年后，國際上逐漸推廣采用裸銅線代替犧牲陽極帶，相比之下裸銅導(dǎo)線具有如下優(yōu)點：

（1）相對于犧牲陽極帶，裸銅導(dǎo)線不會影響ON/OFF斷電電位的測試，不會對管道現(xiàn)有的陰極保護測試系統(tǒng)產(chǎn)生干擾；

（2）不需化學(xué)填包料，易于施工；

（3）裸銅線排流量大，尤其適合排放雷電流和工頻故障電流在管道上瞬間感應(yīng)的巨大電流；

（4）裸銅導(dǎo)線導(dǎo)電性好，接地電阻低。

現(xiàn)在多采用在整個影響范圍內(nèi)，沿管道放置接地體，并將去耦合器串入排流回路。由于去耦合器具有隔直流通交流的特點，一方面可以使用在有陰極保護的管道上；另一方面也使得排流地床材料的選擇更多，不局限于銅纜、鍍鋅扁鋼、鋼管、犧牲陽極等材料，而可以選擇銅接地材料，鑄鐵材料等。

2.4 安全接地柵

接地柵極法是將接地柵極與管道連接起來，使柵極所處位置的局部地面與管道等電位，防止檢測、維護人員在接觸管道的過程中遭受干擾電壓的傷害。主要用于保護檢測/測試人員與管道連接的閥門、金屬排風(fēng)管、陰極保護測試樁和其它的地上與管道相連接的金屬的和非金屬附屬設(shè)備接觸時的安全保護。

接地均壓柵可以埋在很淺的地方并連接到管道上，這對減少相對遠方的電壓意義不大，尤其是對高電阻率的土壤。但可以明顯減少操作人員的接觸電壓如圖3所示。

圖3 等電勢柵格附近的接地電勢上升—接觸電壓

接地柵極是將線狀犧牲陽極材料如鎂帶/鋅帶在測試樁或閥體附近以盤狀或網(wǎng)狀安裝，直徑約3m。接地柵極能夠避免跨步電壓對管道上的測試人員可能的電擊，在管道上感應(yīng)瞬間強電時保證管道操作人員的安全，也能防止管道與輸電線路并行時電磁感應(yīng)電壓對人身的電擊。

接地柵極只需在干擾電壓超過臨界安全電壓的若干點采取。也可做成臨時性的，需要時再把它與管道接通。接地柵極由角鋼、圓鋼、鋼管、犧牲陽極等組成。宜作成盤狀或網(wǎng)狀布設(shè)，直徑約3m，保證地面上有足夠的等電位區(qū)域，便于維修管道時操作。

在使用時，要指定相應(yīng)的操作規(guī)定，例如處于接地柵內(nèi)的人員應(yīng)禁止與網(wǎng)外人員接觸或傳遞金屬制工具等。

接地墊應(yīng)足夠大，使操作人員接觸被影響的管道時，可以安全地站在接地墊區(qū)域內(nèi)工作。接地墊應(yīng)當盡量靠近地面安裝，以充分降低進入該區(qū)域與管道相接觸的工作人員的接觸電壓和跨步電壓。大面積的接地極可采用均壓網(wǎng)接地，如魯寧輸油管道110kV變電站和輸油泵站合建，就是采用接地均壓網(wǎng)。

無論用什么材料制作的接地墊，都必須和管道跨接，最好在幾個點跨接。如果由于屏蔽使管道的陰極保護難以實施，則可以在接地墊和管道之間安裝一個直流去耦合裝置。

2.5 遠處儀表、設(shè)備的防護

在故障狀態(tài)時，故障點附近產(chǎn)生的高干擾電壓可能沿管線傳至較遠的地點。因此，與管道連接的儀表、陰極保護設(shè)備、絕緣裝置都需設(shè)置相應(yīng)的接地和防電涌沖擊裝置。

3 結(jié)語

目前，國內(nèi)管道的常規(guī)干擾排流設(shè)計、施工較為常見。管道與線塔近距離接近時，銅纜+去耦合器接地方式也開始大量推廣應(yīng)用。但關(guān)于人身安全的接地柵還鮮有使用，因此，需提高認識，進一步加強該方面的設(shè)計推廣工作，確保檢測、維護人員的安全。