高压直流电影响区域的阀室风险综合防护

张国虎 张 平 屠海波 陈晓利 曹国飞

1. 中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041; 2. 中国石油西气东输管道公司, 上海 200122

0 前言

随着国内高压直流输电技术的普遍应用,接地极放电对天然气输气管道的影响逐渐显现出来,特别是管道干扰到高电压、大电流时对沿线设备造成损坏、阀室局部放电等问题。天然气管道系统中的自控设备、电力设备、阴保设备及通信设备可能会受到高压直流干扰所产生的高电压和大电流影响,从而影响管道的安全运行[1-13]。

在国内外,已有多个高压直流干扰报告案例及相关分析[14-16]。2013年12月24日,南方电网所辖±800 kV云广特高压直流输电系统故障,采取单极大地返回方式运行过程中,将直流电流泄放入清远市清新县鱼龙岭接地极,接地极入地电流为3 125 A,导致广东省天然气管网从化分输站BV 1101气液联动球阀执行机构Line Guard控制箱引压管绝缘卡套位置发生持续3个多小时的放电烧蚀,造成引压管绝缘卡套表面氧化,其内衬的绝缘套被炭化。位于绝缘卡套正上方的引压管也被高温氧化为黑色,同时引压管向左右传导热量熔化了固定于绝缘卡套附近的塑料管卡。该事故说明引压管绝缘卡套密封和绝缘失效,存在引起燃烧、爆炸事故的可能[17]。

高压直流接地极放电对管道的干扰,将造成引压管放电或者绝缘卡套烧穿、阴极保护设备及电涌保护装置毁坏、电压过高威胁操作人员安全等风险。因此,有必要对管道阀室缓解与防护措施进行研究,以有效防控高压直流电干扰区域的阀室风险。

1 缓解目标

关于高压直流接地极放电对管道及设备、设施的干扰,国内学者已进行过相关研究。毛建等[17]结合高压直流接地极放电实测数据,对高压直流接地极放电给油气输送管道带来的危害进行了系统辨识,并将高压直流接地极对管道系统造成的危害进行了归纳分类,其中关于阀室的危害主要为:排流器烧蚀和接地材料消耗过快、阀室工艺设备烧蚀、防雷器烧蚀、绝缘接头击穿、阴极保护设备烧蚀以及人员触电。同时结合实验的方式,分析确定了自动控制设备压力变送器、电子控制单元、温度变送器、引压管绝缘接头,以及区域范围内的各级防浪涌保护装置、阴保电源设备、电位传送器、电力设备和通信设备等在存在高电压、高电流和长时间干扰下的耐受能力,研究各设备、设施可靠运行边界条件[18]。

缓解目标的确定是在控制风险、保证安全的前提下,结合经济技术的可行性综合考虑,以安全适用为原则。根据高压直流接地极干扰对油气管道系统的危害辨识及对输气阀室仪表影响的研究[17-18],结合电力行业标准DL/T 437[19],提出高压直流接地极干扰对设备、设施安全影响的缓解目标,主要有以下几点。

1)保证操作人员安全,将管地电位降到35 V以下;跨步电压限值应满足式(1)的要求,且不大于50 V。

Em=7.42+0.0318ρs

(1)

式中:Em为地面最大允许跨步电压,V/m;ρs为表层土壤电阻率,Ω·m。

2)阀室引压管、绝缘接头不发生电弧和烧蚀,将引压管上绝缘卡套两侧电压差降到10 V以内。

3)阴极保护设备、浪涌保护装置不发生损毁;不影响正常工况下阴极保护的保护范围,接地网不泄漏阴极保护电流。

2 综合防护措施建议

为达到缓解目标并防控风险,应根据干扰程度和工况条件,采取有效可行的综合防护措施,总体思路如下。

1)从源头控制,减少隐患点。

2)提高薄弱设备的抗风险能力,采用耐受性能好的设备设施。

3)降低设备上的电压和电流,减轻干扰程度。

4)提前分流降压,减轻对阀室的冲击。

对于常规的防护措施,如保障人身安全的绝缘防护、铺设砾石或沥青、设置等电位网格等,以及相关的线路部分防护措施本文不再累述,仅针对高压直流电影响区域的阀室风险防护的特殊防护措施进行研究。

2.1 减少隐患点的措施

气液联动执行机构、RTU等自控设备仪表上绝缘卡套/垫片多,为主要的隐患点。取消或优化阀室绝缘卡套的数量和安装位置,为有效的防护措施。

2.1.1 从工艺流程优化绝缘接头安装位置

对处于高压直流接地极影响区域的阀室,将绝缘接头安装在进、出阀室外侧。将图1所示的安装方式,优化为图2所示的安装方式。这样可避免在截断阀的气液联动执行机构电子控制单元、RTU等自控设备仪表上设置风险高的绝缘卡套/垫片等,达到消除该类隐患点的目的。同时,还能以阀室绝缘接头为界分段隔离,大幅缩短直流干扰的影响范围,减少干扰电流流入管内的累计电流量并降低电位波动幅度。

2.1.2 优化核减绝缘卡套数量

气液联动执行机构绝缘卡套多,相应出现问题产生风险的隐患点就多,尤其是在施工或维修中,操作人员的旋拧可能会损坏引压管线上的绝缘卡套。为减少气液联动执行机构绝缘卡套,建议取消气液联动执行机构电子控制单元及配套的压降速率电磁阀和压力传感器,从而取消压降速率电磁阀两端及压力传感器引压管线上的绝缘卡套。

从图3可知,所有电动仪表和接线箱均作了接地处理,为避免阴极电流被泄放，均在其与主干管道之间设置了绝缘措施,包括绝缘卡套、绝缘垫片、绝缘接头等措施。

优化后的RTU阀室气液联动球阀部分绝缘接头(卡套、垫片)安装见图4,优化后的普通阀室气液联动球阀部分绝缘接头(卡套、垫片)安装见图5。

从图4可知,取消了电子控制单元,压降速率检测由RTU完成,同时取消了引压管绝缘卡套,改为整体型绝缘接头。

从图5可知,压降速率检测依然由电子控制单元完成,取消压力传感器,改装压力变送器,压力信号直接进入电子控制单元,取消压力传感器引压管绝缘卡套,改为整体型绝缘接头。

2.1.3 采用锌包钢接地材料

采用满足GB 50650-2011《石油化工装置防雷设计规范》[20]要求的锌包钢接地材料,可取消自控设备仪表上的全部绝缘卡套,消除大的风险隐患,将管道与接地网直接连接,也不影响正常工况下线路阴极保护的保护范围和阴极保护系统的正常运行。同时由于取消了全部绝缘设施,管道与接地网直接连接,管道与大地间不会形成较大的电位差,不会对站立在大地上的操作人员造成电击伤害。

图1 优化前阀室典型流程图Fig.1 Typical flow chart of valve chamber before optimization

图2 优化后阀室典型流程图Fig.2 Typical flow chart of valve chamber after optimization

图3 优化前的气液联动球阀部分绝缘接头(卡套、垫片)安装示意图Fig.3 Installation diagram for insulation joint(cutting ferrule,gasket)of gas-liquid linkage ball valve before optimization

图4 优化后的RTU阀室气液联动球阀部分绝缘接头(卡套、垫片)安装示意图Fig.4 Installation diagram for insulation joint(cutting ferrule,gasket)of gas-liquid linkage ball valve in RTU valve chamber before optimization

图5 优化后的普通阀室气液联动球阀部分绝缘接头(卡套、垫片)安装示意图Fig.5 Installation diagram for insulation joint(cutting ferrule,gasket)of gas-liquid linkage ball valve in normal valve chamber before optimization

在高压直流电剧烈干扰区域,阀室接地材料采用锌包钢接地材料,即使发生限压等电位连接装置损坏,或长输管道发生较多的绝缘设施漏装、搭接等原因导致的阀室漏电,造成被保护管道与接地体电气连通的情况,由于锌包钢材料自然电位在管道保护电位之内,也不会漏失过多线路阴保系统的电流,对线路保护范围造成不利影响,不会形成阀室保护电位漏斗,也就不会影响阴保系统的运行,还可以为管道提供一定的保护电流,且理论计算,锌包钢接地材料的寿命也比扁钢长20年以上。采用锌包钢接地材料的不利之处是会影响强制电流阴极保护系统瞬间断电法测试及防腐层地面检漏测试的有效性和准确性。

2.2 提高设备、设施的耐受性能

2.2.1 采用耐受性能强的整体型绝缘接头

绝缘卡套本身间隙小,持续的灰尘堆积会对间隙宽度产生更为明显的影响,在空气湿度较大的条件下,也可能发生表面放电现象,造成绝缘性能下降。同时其结构为螺纹连接,施工安装中的一些不当操作,如引压管安装时过度的拧、拉、转,都容易造成绝缘卡套内部变形,使得绝缘间隙更小,甚至导致其绝缘失效,持续的干扰电流流过绝缘卡套而产生的温升将带来绝缘卡套的炭化、密封失效等影响。

SY/T 0516-2016《绝缘接头和绝缘法兰技术规范》[21]第4.4中规定“设计压力大于1.0 MPa的绝缘接头,应采用各零件之间紧密连接的整体型结构,不允许采用螺纹连接。结构主体宜为整体锻制或锻制本体与钢质短管焊接的连接结构”。同时,该标准第7.2.1中规定“当设计压力大于或等于1.0 MPa或输送易燃易爆介质时,绝缘接头应采用整体式结构”。

整体型的绝缘接头较绝缘卡套结构更紧密,短管焊接的施工方式也避免了施工对其内部的损害,安装可靠性更高。

通过以上分析可以看出,整体型绝缘接头由于密封结构更紧密、绝缘密封件更厚,在耐受高电压冲击、防止施工不当旋拧或损伤、防止水份或灰尘聚集等方面都具有明显的优势,因此新建工程在工艺流程允许的条件下,应按标准推荐的规定,采用整体型绝缘接头替换绝缘卡套,提高工艺系统的整体性能。

2.2.2 提高阴极保护设备耐受性能

目前常规的阴极保护恒电位仪,即使在自动停机模式下,也并不是处于设备电缆与管道物理断开状态,阳极线、阴极线之间(阳极线、零位接阴之间)还是承受着持续的高电压、大电流,超过其自身耐受能力时,还是无法避免发生设备损坏的情况。

接地极干扰区域内的恒电位仪可配备断路保护装置,当其电气连通端(包括输出阴极、零位接阴)的电流、电压超过设备耐受性能,断路保护装置能及时瞬间断开设备与管道的电气连接,物理上实现电隔离,使得接地极放电形成的高电压、大电流没有了进入设备内部的通道,待强干扰过去后,自动重新连接,恢复恒电位仪的工作状态。此方式对高电压、大电流均具有防护作用。

2.2.3 采用耐受性能强的防电涌保护器

对于常规防电涌保护器,高压接地极长时间放电可能造成超过其耐受性能的干扰,导致设备损坏,在实际工程中也有损坏的案例[22]。因此采用性能更佳的新型大功率排流器、自动合闸装置等替换常规防电涌保护器,在保证设备免遭损坏的同时,能更有效地缓解干扰对阀室的影响。

2.3 减轻干扰程度的措施

设置限压等电位连接保护装置可有效降低管道与大地之间的电压差并减轻干扰程度,是避免阀室引压管、绝缘接头发生电弧和烧蚀,阴极保护设备遭到损坏的有效手段。在接地极放电时,一旦管地电位超过监测的阈值电压(如±2 V),限压等电位连接保护装置将启动,将管道与接地网直接导通,降低管道与大地间的电位差,形成等电位,从而减小绝缘卡套两端的电位差,起到保护绝缘卡套的作用。

实现该目标的方式包括安装大功率排流器、固态去耦器、自动合闸装置等。当泄放直流电流量不超过15 A时可选用固态去耦器;当泄放直流电流量超过15 A且小于100 A时,可选用大功率排流器、自动合闸装置。等电位保护器仅具备瞬间(10 s)导通功能,火花间隙启动电压高(500～1 500 V),它们都不适用于等电位连接限压保护。

广东管网工程干线某阀室在接地极2 400 A阳极放电时,采用限压等电位连接保护装置排流前阀室附近管道对地电位接近-140 V,排流后电位为-4 V,跨接通过的泄放直流电流量为-32 A,从排流前后管道对地电位的变化可以看出,排流保护方式有效降低了管道对地的电位(即绝缘卡套两端的电压差)。

2.4 提前分流降压措施

线路管道上采用锌带接地与管道并联,利用锌带接地较低的接地电阻,一般为1～2Ω,可使带防腐层的管道电阻率大为降低,从而使管地电位偏移程度大幅降低;同时在正电位区域使管内杂散电流主要从接地电阻较低的锌带排出,取代从管道破损点(破损点通常接地电阻超过1 000 Ω)流出,从而减轻管道腐蚀的程度;在线路管道各处设置一定数量的排流保护锌带接地,可起到多点提前排流的作用,有效减轻阀室设施设备排流和防护的压力。

在线路管道上采用锌带接地排流防护,可减轻线路管道腐蚀程度,有效降低管地电位,也可起到管内电流提前分流的作用,减少流向站场、阀室的干扰电流量。

3 结论

对处于高压直流电影响区域的阀室,应根据现场调查与测试的结果,预测和评估主要的风险点。为达到缓解目标并降低防控风险,根据干扰程度和工况条件,应采取有效可行的综合防护措施,包括以下四点。

1)优化绝缘卡套安装位置并减少卡套数量,从源头控制,减少隐患点。

2)采用耐受性能好的设备设施,如整体型绝缘接头、耐受性能更好的阴极保护设备等,提高薄弱设备的抗风险能力。

3)根据高压直流接地极泄放电流量的大小设置合理的限电压等电位连接保护装置,减轻干扰程度。

4)在线路管道上采用锌带接地排流防护,提前分流降压。