电力架空线路与管道交叉点雷电冲击防护措施研究

龙玺

摘要：当前，我国经济飞速发展，各行各业的发展都取得了极大的进步。随着社会对油气、电力等多种能源需求的逐渐增加，“西电东输”、“西气东送”等国家跨区域能源输送工程逐步建设，多种能源供应因节省耕地面积而多采用综合能源走廊的建设方式。油气管道与电力架空线路存在较多的并行临近或交叉跨越的设计及施工情况。当油气管道临近电力架空线路时，电力导线电压等级往往达到数百甚至上千千伏，通流达到几百上千安培，电力架空线在正常情况下因静电感应与电磁感应使得油气管道上产生感应电压和电流分量，给油气管道的电化学腐蚀带来潜在威胁。目前，针对电力架空线路在正常情况下的杂散电流防护问题，油气行业先后采用了大量的排流或屏蔽方式，一些措施在实际油气管道防腐工程中取得较好的应用效果。由于电力架空线路在运行时容易遭受雷击，当雷电流沿避雷线和铁塔塔身流入大地时，若临近油气管道与电力线路间距较小，且油气管道杂散电流引流线较多，流入土壤中的幅值较高的冲击电流使得油气管道上产生较高的冲击电压幅值，管道绝缘层的击穿风险较高，绝缘层因击穿破损一定程度上加剧了管道的腐蚀。本文主要对电力架空线路与管道交叉点雷电冲击防护措施进行研究，详情如下。

关键词：电力架空线路；管道交叉点；雷电冲击；防护措施

引言

雷击架空线路之后，高幅值的雷电流沿着“避雷线－塔身－接地引线－杆塔接地体”这一路径流入到土壤中，土壤中的雷电流流向油气管道方向时，会造成管道绝缘层上的电位差。因此，在土壤条件、间隔距离、雷电流幅值等难以改变的客观因素之外，杆塔接地体的散流特性是影响管道绝缘层过电压的重要因素，也是人工可干预的油气管道安全防护措施之一。现行电力架空线路一般采用水平方向上的方框加外延接地体和垂直方向上的混凝土桩基接地。杆塔混凝土桩基承担了垂直方向上的接地散流分量，这种垂直接地散流方式将入地电流引向了土壤深层，避免了杂散电流沿水平方向上的扩散，对抑制管道绝缘层过电压作用明显。但由于钢筋混凝土桩基内的钢筋骨架包覆在混凝土介质中，混凝土导电性差，散流分量较小，并且钢筋底端因防腐、防水和力学强度要求往往不直接接触底层土壤介质，这使得杆塔混凝土桩基沿垂直方向上的散流受到影响，因此，有必要对杆塔接地装置的垂直方向上的接地散流进行结构优化。

1计算参数

目前国内油气管道多采用带绝缘防腐层的金属钢管。采用COMSOL Multiphysics有限元计算软件仿真计算时，取典型油气管道的材质为φ530mm无缝钢管，壁厚13mm，采用的绝缘层材料为3层聚乙烯，绝缘层厚度为3mm，电阻率为1×105Ω·m。由于管道为金属等电位体，计算取管道的长度为200m，埋深为1．5m。此外，实际油气管道在临近或交叉跨越电力线路时，通常在管道上加装杂散电流接地排流引线，因此，建模时在管道的两端分别加装长度为1m的接地排流引线。在电力线路杆塔接地体建模时，目前常见的接地材料为镀锌钢接地材料，仿真设置常用镀锌钢接地体的直径为12mm，相对电阻率为109．7，相对磁导率为636，根据不同地区的土质特征，仿真计算时取典型土壤的电阻率为50～1200Ω·m。

2电力架空线路与管道交叉点雷电冲击防护措施

2.1直击雷防护技术

在雷电损坏油气场站自动控制系统的事故中，直击雷损坏所占比例最高，危害破坏程度较大。针对直击雷的主要防护方法是设置接闪杆，将雷电吸引至接闪杆上并引导其流入地下。接闪杆主要结构为连接杆、避雷针、引下线和接地线等。接闪杆的保护范围可按照滚球法进行计算，一般接闪杆设置在油气场站内相对的两角或者四角处，要求站场内所有装置在保护范围内。当直击雷电流流至站外油气管道上时，直击雷电流可通过管道流入站内设备上，为避免此种情况发生，站内与站外的管道连接处应设置绝缘法兰等绝缘措施。

2.2浪涌保护技术

当电网中出现电流大幅波动时，浪涌保护器可为智能化仪表、电气设备、传输电缆等设备提供电流安全保护。当线路中突然出现过高的电压或电流时，浪涌保护器可对峰值电流进行快速分流使电流回归至正常水准，从而有效避免浪涌损坏电网中的其他仪器仪表。

2.3收、发油作业台防雷检测关键技术

收、发油作业台属于第二类防雷建筑物，油成彭管道检测对象主要包括接闪器、引下线、接地装置、泵机、净化器、防静电装置、分离器、检查罐、泄压罐、配电室等。应检查户外防爆场所内露天布置的各种转动设备（或其转动部件）和非金属外壳的储罐，当其在可作为接闪器的高大生产设备、框架和大型管架防雷保护范围之外时，是否处在专设外部防雷装置的保护范围之内，此时滚球半径取45m；检查安置在地面以及通过框架或支架安置在高处的整体封闭、焊接结构的静设备和引向火炬的主管道、火炬、烟囱和排气管等排放设施，露天布置的油气储罐等在利用设备和容器的金属实体做接闪器时，其厚度及专设引下线的材料和最小尺寸是否符合要求。

2.4氧化锌电涌保护器防雷检测关键技术

油成彭管道在其每个自动阀室管道入户处设置了氧化锌密封型电涌保护器，其管道采用恒电位阴极保护系统，为了防止雷电对油气管道的危害，将雷电电流迅速导入到大地中，一般在油气管道上都会设置相应的防雷接地设施。对于埋设在土壤中的输油管道，由于土壤是一个复杂的电解质系统，金属管道在其中会受到腐蚀，因此需要相应的阴极保护措施。油输油管道采用了外加电流保护法来进行阴极保护，这种方法是通过外加电源设备对被保护金属施加保护电流，以提供足够多的电子，使被保护金属处于阴极状态，从而达到防腐蚀的目的。然而，在实际生产中，如果防雷接地安装不当，或者氧化锌避雷器失效，则会导致阴极保护系统的保护电流通过防雷接地直接泄流到大地，造成管道上的保护电流微乎其微，几乎发挥不了保护作用，导致管道受到土壤的腐蚀，甚至穿孔，产生极大的安全隐患。该避雷器可在工作电流范围内进行频繁的操作或多次开断短路电流，是一种过电压（电流）保护器，即在正常工作电压、电流之下，通过的电流有微安级，当遭受到过电压时，通过的电流瞬间达到数千安培，使避雷器处于导通状态，释放过电压能量，从而有效地限制了过电压对输变电设备的侵害。

结语

针对电力架空线路雷击时临近管道冲击电位增高问题，通过对杆塔接地网接地散流路径进行优化，达到降低管道电位幅值的目的，迫近管道侧的水平外延接地体存在“引流”效果，随着外延接地体的迫近以及土壤电阻率的增加，使得油气管道电位及绝缘层上的耐受电压增高。减少水平外延接地体长度同时增加杆塔混凝土桩基的散流分量有助于降低管道电位。做好城镇管道雷电防护安全工作，最大限度杜绝雷电灾害，以保证正常运行，同时也解决好所涉的公共安全和环境保护的问题。

参考文献

［1］陈腊生，聂武夫，陈太龙，等．浅谈雷电流效应在雷电防护设计中的应用［J］．安全、健康和环境，2019，19(03):11-15．

［2］周国雨．新建交流输电线路对埋地金属管道电磁影响研究［D］．北京:华北电力大学(北京)，2017．

［3］刘刚，张弦，陈锡阳，等．雷电流幅值概率分布函数的分段拟合方法［J］．华南理工大学学报(自然科学版)，2014，42(04):40-45．

［4］张长秀，姜辉，刘宝全，等．雷电流幅值概率计算公式［J］．安全、健康和环境，2020，20(09):11-15．