高壓直流電影響區域的閥室風險綜合防護

張國虎 張 平 屠海波 陳曉利 曹國飛

1. 中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041; 2. 中國石油西氣東輸管道公司, 上海 200122

0 前言

隨著國內高壓直流輸電技術的普遍應用,接地極放電對天然氣輸氣管道的影響逐漸顯現出來,特別是管道干擾到高電壓、大電流時對沿線設備造成損壞、閥室局部放電等問題。天然氣管道系統中的自控設備、電力設備、陰保設備及通信設備可能會受到高壓直流干擾所產生的高電壓和大電流影響,從而影響管道的安全運行[1-13]。

在國內外,已有多個高壓直流干擾報告案例及相關分析[14-16]。2013年12月24日,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3個多小時的放電燒蝕,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。該事故說明引壓管絕緣卡套密封和絕緣失效,存在引起燃燒、爆炸事故的可能[17]。

高壓直流接地極放電對管道的干擾,將造成引壓管放電或者絕緣卡套燒穿、陰極保護設備及電涌保護裝置毀壞、電壓過高威脅操作人員安全等風險。因此,有必要對管道閥室緩解與防護措施進行研究,以有效防控高壓直流電干擾區域的閥室風險。

1 緩解目標

關于高壓直流接地極放電對管道及設備、設施的干擾,國內學者已進行過相關研究。毛建等[17]結合高壓直流接地極放電實測數據,對高壓直流接地極放電給油氣輸送管道帶來的危害進行了系統辨識,并將高壓直流接地極對管道系統造成的危害進行了歸納分類,其中關于閥室的危害主要為:排流器燒蝕和接地材料消耗過快、閥室工藝設備燒蝕、防雷器燒蝕、絕緣接頭擊穿、陰極保護設備燒蝕以及人員觸電。同時結合實驗的方式,分析確定了自動控制設備壓力變送器、電子控制單元、溫度變送器、引壓管絕緣接頭,以及區域范圍內的各級防浪涌保護裝置、陰保電源設備、電位傳送器、電力設備和通信設備等在存在高電壓、高電流和長時間干擾下的耐受能力,研究各設備、設施可靠運行邊界條件[18]。

緩解目標的確定是在控制風險、保證安全的前提下,結合經濟技術的可行性綜合考慮,以安全適用為原則。根據高壓直流接地極干擾對油氣管道系統的危害辨識及對輸氣閥室儀表影響的研究[17-18],結合電力行業標準DL/T 437[19],提出高壓直流接地極干擾對設備、設施安全影響的緩解目標,主要有以下幾點。

1)保證操作人員安全,將管地電位降到35 V以下;跨步電壓限值應滿足式(1)的要求,且不大于50 V。

Em=7.42+0.0318ρs

(1)

式中:Em為地面最大允許跨步電壓,V/m;ρs為表層土壤電阻率,Ω·m。

2)閥室引壓管、絕緣接頭不發生電弧和燒蝕,將引壓管上絕緣卡套兩側電壓差降到10 V以內。

3)陰極保護設備、浪涌保護裝置不發生損毀;不影響正常工況下陰極保護的保護范圍,接地網不泄漏陰極保護電流。

2 綜合防護措施建議

為達到緩解目標并防控風險,應根據干擾程度和工況條件,采取有效可行的綜合防護措施,總體思路如下。

1)從源頭控制,減少隱患點。

2)提高薄弱設備的抗風險能力,采用耐受性能好的設備設施。

3)降低設備上的電壓和電流,減輕干擾程度。

4)提前分流降壓,減輕對閥室的沖擊。

對于常規的防護措施,如保障人身安全的絕緣防護、鋪設礫石或瀝青、設置等電位網格等,以及相關的線路部分防護措施本文不再累述,僅針對高壓直流電影響區域的閥室風險防護的特殊防護措施進行研究。

2.1 減少隱患點的措施

氣液聯動執行機構、RTU等自控設備儀表上絕緣卡套/墊片多,為主要的隱患點。取消或優化閥室絕緣卡套的數量和安裝位置,為有效的防護措施。

2.1.1 從工藝流程優化絕緣接頭安裝位置

對處于高壓直流接地極影響區域的閥室,將絕緣接頭安裝在進、出閥室外側。將圖1所示的安裝方式,優化為圖2所示的安裝方式。這樣可避免在截斷閥的氣液聯動執行機構電子控制單元、RTU等自控設備儀表上設置風險高的絕緣卡套/墊片等,達到消除該類隱患點的目的。同時,還能以閥室絕緣接頭為界分段隔離,大幅縮短直流干擾的影響范圍,減少干擾電流流入管內的累計電流量并降低電位波動幅度。

2.1.2 優化核減絕緣卡套數量

氣液聯動執行機構絕緣卡套多,相應出現問題產生風險的隱患點就多,尤其是在施工或維修中,操作人員的旋擰可能會損壞引壓管線上的絕緣卡套。為減少氣液聯動執行機構絕緣卡套,建議取消氣液聯動執行機構電子控制單元及配套的壓降速率電磁閥和壓力傳感器,從而取消壓降速率電磁閥兩端及壓力傳感器引壓管線上的絕緣卡套。

從圖3可知,所有電動儀表和接線箱均作了接地處理,為避免陰極電流被泄放，均在其與主干管道之間設置了絕緣措施,包括絕緣卡套、絕緣墊片、絕緣接頭等措施。

優化后的RTU閥室氣液聯動球閥部分絕緣接頭(卡套、墊片)安裝見圖4,優化后的普通閥室氣液聯動球閥部分絕緣接頭(卡套、墊片)安裝見圖5。

從圖4可知,取消了電子控制單元,壓降速率檢測由RTU完成,同時取消了引壓管絕緣卡套,改為整體型絕緣接頭。

從圖5可知,壓降速率檢測依然由電子控制單元完成,取消壓力傳感器,改裝壓力變送器,壓力信號直接進入電子控制單元,取消壓力傳感器引壓管絕緣卡套,改為整體型絕緣接頭。

2.1.3 采用鋅包鋼接地材料

采用滿足GB 50650-2011《石油化工裝置防雷設計規范》[20]要求的鋅包鋼接地材料,可取消自控設備儀表上的全部絕緣卡套,消除大的風險隱患,將管道與接地網直接連接,也不影響正常工況下線路陰極保護的保護范圍和陰極保護系統的正常運行。同時由于取消了全部絕緣設施,管道與接地網直接連接,管道與大地間不會形成較大的電位差,不會對站立在大地上的操作人員造成電擊傷害。

圖1 優化前閥室典型流程圖Fig.1 Typical flow chart of valve chamber before optimization

圖2 優化后閥室典型流程圖Fig.2 Typical flow chart of valve chamber after optimization

圖3 優化前的氣液聯動球閥部分絕緣接頭(卡套、墊片)安裝示意圖Fig.3 Installation diagram for insulation joint(cutting ferrule,gasket)of gas-liquid linkage ball valve before optimization

圖4 優化后的RTU閥室氣液聯動球閥部分絕緣接頭(卡套、墊片)安裝示意圖Fig.4 Installation diagram for insulation joint(cutting ferrule,gasket)of gas-liquid linkage ball valve in RTU valve chamber before optimization

圖5 優化后的普通閥室氣液聯動球閥部分絕緣接頭(卡套、墊片)安裝示意圖Fig.5 Installation diagram for insulation joint(cutting ferrule,gasket)of gas-liquid linkage ball valve in normal valve chamber before optimization

在高壓直流電劇烈干擾區域,閥室接地材料采用鋅包鋼接地材料,即使發生限壓等電位連接裝置損壞,或長輸管道發生較多的絕緣設施漏裝、搭接等原因導致的閥室漏電,造成被保護管道與接地體電氣連通的情況,由于鋅包鋼材料自然電位在管道保護電位之內,也不會漏失過多線路陰保系統的電流,對線路保護范圍造成不利影響,不會形成閥室保護電位漏斗,也就不會影響陰保系統的運行,還可以為管道提供一定的保護電流,且理論計算,鋅包鋼接地材料的壽命也比扁鋼長20年以上。采用鋅包鋼接地材料的不利之處是會影響強制電流陰極保護系統瞬間斷電法測試及防腐層地面檢漏測試的有效性和準確性。

2.2 提高設備、設施的耐受性能

2.2.1 采用耐受性能強的整體型絕緣接頭

絕緣卡套本身間隙小,持續的灰塵堆積會對間隙寬度產生更為明顯的影響,在空氣濕度較大的條件下,也可能發生表面放電現象,造成絕緣性能下降。同時其結構為螺紋連接,施工安裝中的一些不當操作,如引壓管安裝時過度的擰、拉、轉,都容易造成絕緣卡套內部變形,使得絕緣間隙更小,甚至導致其絕緣失效,持續的干擾電流流過絕緣卡套而產生的溫升將帶來絕緣卡套的炭化、密封失效等影響。

SY/T 0516-2016《絕緣接頭和絕緣法蘭技術規范》[21]第4.4中規定“設計壓力大于1.0 MPa的絕緣接頭,應采用各零件之間緊密連接的整體型結構,不允許采用螺紋連接。結構主體宜為整體鍛制或鍛制本體與鋼質短管焊接的連接結構”。同時,該標準第7.2.1中規定“當設計壓力大于或等于1.0 MPa或輸送易燃易爆介質時,絕緣接頭應采用整體式結構”。

整體型的絕緣接頭較絕緣卡套結構更緊密,短管焊接的施工方式也避免了施工對其內部的損害,安裝可靠性更高。

通過以上分析可以看出,整體型絕緣接頭由于密封結構更緊密、絕緣密封件更厚,在耐受高電壓沖擊、防止施工不當旋擰或損傷、防止水份或灰塵聚集等方面都具有明顯的優勢,因此新建工程在工藝流程允許的條件下,應按標準推薦的規定,采用整體型絕緣接頭替換絕緣卡套,提高工藝系統的整體性能。

2.2.2 提高陰極保護設備耐受性能

目前常規的陰極保護恒電位儀,即使在自動停機模式下,也并不是處于設備電纜與管道物理斷開狀態,陽極線、陰極線之間(陽極線、零位接陰之間)還是承受著持續的高電壓、大電流,超過其自身耐受能力時,還是無法避免發生設備損壞的情況。

接地極干擾區域內的恒電位儀可配備斷路保護裝置,當其電氣連通端(包括輸出陰極、零位接陰)的電流、電壓超過設備耐受性能,斷路保護裝置能及時瞬間斷開設備與管道的電氣連接,物理上實現電隔離,使得接地極放電形成的高電壓、大電流沒有了進入設備內部的通道,待強干擾過去后,自動重新連接,恢復恒電位儀的工作狀態。此方式對高電壓、大電流均具有防護作用。

2.2.3 采用耐受性能強的防電涌保護器

對于常規防電涌保護器,高壓接地極長時間放電可能造成超過其耐受性能的干擾,導致設備損壞,在實際工程中也有損壞的案例[22]。因此采用性能更佳的新型大功率排流器、自動合閘裝置等替換常規防電涌保護器,在保證設備免遭損壞的同時,能更有效地緩解干擾對閥室的影響。

2.3 減輕干擾程度的措施

設置限壓等電位連接保護裝置可有效降低管道與大地之間的電壓差并減輕干擾程度,是避免閥室引壓管、絕緣接頭發生電弧和燒蝕,陰極保護設備遭到損壞的有效手段。在接地極放電時,一旦管地電位超過監測的閾值電壓(如±2 V),限壓等電位連接保護裝置將啟動,將管道與接地網直接導通,降低管道與大地間的電位差,形成等電位,從而減小絕緣卡套兩端的電位差,起到保護絕緣卡套的作用。

實現該目標的方式包括安裝大功率排流器、固態去耦器、自動合閘裝置等。當泄放直流電流量不超過15 A時可選用固態去耦器;當泄放直流電流量超過15 A且小于100 A時,可選用大功率排流器、自動合閘裝置。等電位保護器僅具備瞬間(10 s)導通功能,火花間隙啟動電壓高(500～1 500 V),它們都不適用于等電位連接限壓保護。

廣東管網工程干線某閥室在接地極2 400 A陽極放電時,采用限壓等電位連接保護裝置排流前閥室附近管道對地電位接近-140 V,排流后電位為-4 V,跨接通過的泄放直流電流量為-32 A,從排流前后管道對地電位的變化可以看出,排流保護方式有效降低了管道對地的電位(即絕緣卡套兩端的電壓差)。

2.4 提前分流降壓措施

線路管道上采用鋅帶接地與管道并聯,利用鋅帶接地較低的接地電阻,一般為1～2Ω,可使帶防腐層的管道電阻率大為降低,從而使管地電位偏移程度大幅降低;同時在正電位區域使管內雜散電流主要從接地電阻較低的鋅帶排出,取代從管道破損點(破損點通常接地電阻超過1 000 Ω)流出,從而減輕管道腐蝕的程度;在線路管道各處設置一定數量的排流保護鋅帶接地,可起到多點提前排流的作用,有效減輕閥室設施設備排流和防護的壓力。

在線路管道上采用鋅帶接地排流防護,可減輕線路管道腐蝕程度,有效降低管地電位,也可起到管內電流提前分流的作用,減少流向站場、閥室的干擾電流量。

3 結論

對處于高壓直流電影響區域的閥室,應根據現場調查與測試的結果,預測和評估主要的風險點。為達到緩解目標并降低防控風險,根據干擾程度和工況條件,應采取有效可行的綜合防護措施,包括以下四點。

1)優化絕緣卡套安裝位置并減少卡套數量,從源頭控制,減少隱患點。

2)采用耐受性能好的設備設施,如整體型絕緣接頭、耐受性能更好的陰極保護設備等,提高薄弱設備的抗風險能力。

3)根據高壓直流接地極泄放電流量的大小設置合理的限電壓等電位連接保護裝置,減輕干擾程度。

4)在線路管道上采用鋅帶接地排流防護,提前分流降壓。