周雪會，王希平，李名星

（1.廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530001；2.河北水利電力學(xué)院 河北 滄州061001；3.南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，南京211816）

埋地石油管道的雷電浪涌防護

周雪會1，王希平2，李名星3

（1.廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530001；2.河北水利電力學(xué)院 河北 滄州061001；3.南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，南京211816）

為了有效地對埋地石油管道進行雷電防護，必須合理分析雷電對埋地石油管道的危害。介紹了雷電對埋地石油管道的危害方式及主要表現(xiàn)?？紤]埋地金屬管道阻抗、絕緣層阻抗和腐蝕防護設(shè)備電纜阻抗，在ATP-EMTP中建立埋地石油管道雷擊模型。分析管道埋設(shè)深度、絕緣層材料和管道壁厚對管道上產(chǎn)生的雷電過電壓影響。仿真結(jié)果表明：絕緣層絕緣性能越好，管道過電壓也越高；埋設(shè)深度增加，過電壓減小；管道壁厚對過電壓影響較小。安裝避雷器可以有效保護陰極保護設(shè)備。

石油管道；雷電；過電壓；陰極保護；金屬氧化物避雷器

0 前言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對能源的需求日益增大。相比較于其他能源運輸方式，管道運輸方式因其快捷性、便利性和安全性得到廣泛采用[1]。在經(jīng)濟發(fā)達(dá)且人口密集地區(qū)，管道敷設(shè)往往采取埋地方式以減少對土地的占用，通常情況下的地下石油管道埋設(shè)在離地表0.8 m處[2]。統(tǒng)計以往管道雷擊事故發(fā)現(xiàn)，管道防腐設(shè)備經(jīng)常遭受雷電損壞[3]。

以往有關(guān)管道電磁干擾影響的研究主要集中雷擊高聳建筑物附近的天然氣管道[4]和交流輸電線路對油氣管道的電磁干擾[5-6]，包括對人身安全的影響、對管道安全的影響和對管道的交流腐蝕影響[7-8]。但是這些研究大多沒有結(jié)合考慮管道阻抗和腐蝕防護設(shè)備電纜阻抗。

筆者分析雷電對埋地石油管道的危害，在ATP-EMTP中建立地下石油管道模型[9]，同時考慮絕緣層阻抗、石油管道阻抗和腐蝕防護設(shè)備電纜阻抗。分析絕緣層材料、管道埋設(shè)深度和管道壁厚對管道上產(chǎn)生的雷電過電壓影響以及采用金屬氧化物避雷器的保護效果。

1 雷電對埋地石油管道的危害

雷電對埋地石油管道的危害方式主要有雷電直擊和雷電感應(yīng)兩種[10]。埋地金屬管道本身屬于良導(dǎo)體，而管道的架空部分和地面部分（站場管道和露天工藝設(shè)備等）對埋地管道而言相當(dāng)于接閃裝置，整個管道系統(tǒng)極易成為雷電流泄散通道，遭受直擊雷的威脅非常大。當(dāng)雷電擊中管道地面裝置時，雷電流向大地流散引起周圍土壤的電位升高，地下管道的防腐層內(nèi)外表面也會產(chǎn)生較高的電壓差，當(dāng)電位差超過管道防腐層的絕緣水平時，防腐層就會被擊穿，電位差過大時甚至?xí)舸┕艿辣倔w。管道表面防腐層損壞后，管道易被腐蝕穿孔，發(fā)生漏油。當(dāng)管道上空形成雷暴云時，埋地管道同地表一樣感應(yīng)出與雷云極性相反的電荷。雷云對管道遠(yuǎn)處地面放電時，雷云中的電荷和地面感應(yīng)電荷迅速消失變?yōu)榱?，但是管道的防腐層大多?shù)為三層聚乙烯，絕緣性能較好，導(dǎo)致管道上的感應(yīng)電荷不能迅速被釋放。一旦發(fā)生管道局部放電，其它部位的感應(yīng)電荷也將對地消散，從而在管道內(nèi)形成浪涌。如果管道的絕緣層電阻較低，浪涌會通過絕緣層的漏點消散，破壞作用不是十分明顯，如果管道絕緣層性能較好，則浪涌不能通過絕緣層本身的漏點泄放，會在管道接觸不良的部位產(chǎn)生高電壓，導(dǎo)致二次放電[3]。

雷電對埋地石油管道危害主要表現(xiàn)在損壞恒電位儀等管道陰極保護設(shè)備、擊穿絕緣法蘭和絕緣接頭等。陰極保護設(shè)備因其通過陰極電纜和測量電纜與管道直接連通，是管道上直擊雷和雷電感應(yīng)產(chǎn)生的雷電流最直接的泄放通道，所以雷電對其危害最大。

2 仿真模型

2.1 雷電流模型

雷電流波形采用Heidler電流源表示，表達(dá)式[11]為

式中：I0為峰值電流，kA；τ1和τ2分別為波頭時間常數(shù)和波尾時間常數(shù)，μs；n為電流陡度因子，n取10。

假設(shè)雷電流均勻向四周流散，流散區(qū)域呈半球狀，雷擊點離管道水平距離為r，則管道起始注入電位為

式中：ρs為土壤電阻率，Ω·m。

2.2 管道模型

油氣管道一般都采用鋼質(zhì)材料，考慮浪涌傳播特性后將其看作π型電路[12]。埋地管道相關(guān)參數(shù)如圖1所示，rg1和rg2分別為管道內(nèi)半徑和外半徑，rg3為考慮防腐層后管道半徑。ρg為金屬管道電阻率，μg為金屬管道磁導(dǎo)率。

圖1 埋地管道參數(shù)Fig.1 Parameters of underground pipeline

保護電位[1]是金屬進入保護電位范圍內(nèi)所必須達(dá)到的腐蝕電位的臨界值。石油瀝青絕緣層最大保護電位取-1.2 V，熔結(jié)環(huán)氧粉末絕緣層取-2.0 V，聚乙烯（PE）絕緣層的最大保護電位取-1.5 V。與陰極保護設(shè)備相連的陰極保護電纜型號為VV22-0.6/1.0 kV。

2.3 管道絕緣層模型

用涂料均勻致密地涂敷在經(jīng)過除銹的金屬管道表面，管道涂層電阻十分高，將管道與腐蝕物質(zhì)隔離，切斷電化學(xué)腐蝕電池的道路，阻止或減緩了管道的腐蝕。絕緣層電阻越大，防腐蝕效果越好。絕緣層電阻用電流流過1 m2面積的絕緣層上的過度電阻表示，稱為面電阻。表1給出了典型絕緣層的面電阻及厚度[1，13]。

表1 典型絕緣層的面電阻和厚度Table 1 Surface resistance and thickness of typical insulating layer

2.4 金屬氧化物避雷器模型

為了使陰極保護設(shè)備免受浪涌危害，可以采用金屬氧化物避雷器對陰極保護設(shè)備進行防護。只而將避雷器跨接在管道和地之間。當(dāng)管道感應(yīng)電壓超過避雷器閾值時，避雷器電阻迅速降低泄散電流，從而使設(shè)備避免浪涌沖擊，同時保持管道正常工作電流、電位[14]。避雷器的選取可以根據(jù)其壓敏電壓

在ATP軟件中可以通過（2）式描述金屬氧化物避雷器的伏安特性：

式中：I為流經(jīng)避雷器的電流，V為避雷器上電位，k和α可以根據(jù)避雷器產(chǎn)品具體數(shù)據(jù)擬合得到。具體參數(shù)見表 2，U1mA＝450 V。

表2 金屬氧化物避雷器伏安特性Table 2 V-I characteristic of metal oxide surge arrestor

3 仿真結(jié)果分析

管道具體參數(shù)：ρg＝1.5×10-7Ω，μg＝280，εg＝2.30，外徑×壁厚/mm 取 φ1 420×18.4，長度取 1 000 m，將管道分成10端，每段100 m。雷電流波形為2.6/50 μs，幅值為10 kA，雷擊點距管道水平距離100 m。分別考慮管道埋設(shè)深度、絕緣層材料以及管道壁厚對終端過電壓和避雷器防護效果的影響。

3.1 過電壓波形

絕緣層采用石油瀝青涂層，管道埋深為0.8m時管道終端過電壓波形如圖2所示。

圖2 過電壓波形Fig.2 Waveform of the overvoltage

由圖2可以看出，浪涌經(jīng)過在管道傳播后，終端過電壓達(dá)到2.2 kV，安裝避雷器后將過電壓限制在1 kV以下，有效防護了陰極保護設(shè)備。

3.2 管道埋設(shè)深度影響

絕緣層采用石油瀝青涂層，計算管道埋深在0.5～2 m范圍時，管道終端和陰極保護設(shè)備上的過電壓。仿真結(jié)果見圖3。

由圖3看出，隨著管道埋設(shè)深度的增加，管道終端產(chǎn)生的雷電過電壓減小。過電壓的減小主要是因為雷電流在土壤中的衰減[15]。相比較于管道終端過電壓，陰極保護設(shè)備處過電壓變化幅度較小，主要是因為保護電纜和金屬氧化物對過電壓的衰減和抑制作用。

圖3 埋設(shè)深度對過電壓影響Fig.3 Influence of burial depth of pipeline on overvoltage

3.3 絕緣層材料影響

管道埋深為0.8 m，計算絕緣層分別采用石油瀝青涂層、熔結(jié)環(huán)氧粉末和3層PE時，管道終端和陰極保護設(shè)備上的過電壓。仿真結(jié)果見表3。

表3 絕緣層材料對過電壓影響Table 3 Influence of insulating layer of pipeline on overvoltage

絕緣層較高的電阻率導(dǎo)致管道與大地之間存在較高的電位差，這種電位差是由傳導(dǎo)耦合作用產(chǎn)生的。由表3看出，隨著管道絕緣層絕緣性能的提高，耦合作用越強，管道終端產(chǎn)生的過電壓也相應(yīng)增加，但是并不是按照面電阻比例相應(yīng)增加。

3.4 管道壁厚影響

管道埋深為0.8 m，絕緣層采用石油瀝青涂層，計算不同管道壁厚情況下管道終端和陰極保護設(shè)備上的過電壓。仿真結(jié)果見圖4。

圖4 管道壁厚對過電壓影響Fig.4 Influence of thickness of pipeline on overvoltage

由圖4看出，管道壁厚對管道終端電壓基本沒有影響。

4 結(jié)論

通過分析雷電對埋地石油管道的危害，在ATP-EMTP中建立地下石油管道模型，分析絕緣層材料、管道埋設(shè)深度和管道壁厚對管道上雷電過電壓影響。得到以下結(jié)論。

1）雷電對埋地石油管道主要危害在于損壞管道陰極保護設(shè)備。

2）管道埋設(shè)深度增加，管道終端產(chǎn)生的雷電過電壓減小。

3）絕緣層絕緣性能越好，管道終端產(chǎn)生的雷電過電壓越小。

4）管道壁厚對管道終端過電壓基本沒有影響。

5）陰極保護設(shè)備終端安裝金屬氧化物避雷器能夠有效抑制雷電過電壓，實現(xiàn)對陰極設(shè)備的保護。

[1]黃春芳.石油管道輸送技術(shù)[M].北京：中國石化出版社，2008.

[2]GB50253-2014，輸油管道工程設(shè)計規(guī)范[S].

[3]姚偉，葛艾天，韓憲榮.陜京輸氣管道的雷電危害及防治[J].油氣儲運，2000，19（9）：14-17.YAO Wei，GE Aitian，HAN Rongxian.Lightning damage and prevention of Shanxi-Beijing gas pipeline[J].Oil&Gas Storage and Transportation，2000，19（9）：14-17.

[4]HITOSHI KIJIMA，KENJI TAKATO，KAZUO MURAKWA.Lightning protection for gas-pipelines installed under the ground[J].International Journal of systems Applications，Engineering&Development，2011，5（1）：117-126.

[5]安寧，彭毅，艾憲倉，等.雷擊超高壓交流輸電線路對埋地輸油輸氣管道的電磁影響[J].高電壓技術(shù)，2011，38（11）：2881-2887.AN Ning，PENG Yi，AI Xiancang，et al.Electromagnetic effects on underground oil/gas pipeline of the lightning strike on EHV AC transmission line[J].High Voltage Engineering，2011，38（11）：2881-2887.

[6]謝輝春，宋曉兵.交流輸電線路對埋地金屬管道穩(wěn)態(tài)干擾的影響規(guī)律[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010，26（5）：22-26.XIE Huichun，SONG Xiaobing.Influences of steady interference on buried metallic pipelines due to AC transmission lines[J].Power System and Clean Energy，2010，26（5）：22-26.

[7]高攸綱.電磁兼容總論[M].北京郵電大學(xué)出版社，2001.

[8]齊磊，原輝，李琳，等.架空電力線路故障狀況下對埋地金屬管道感性耦合的傳輸線計算模型[J].電工技術(shù)學(xué)報，2013，28（7）：264-270.QI Lei，YUAN Hui，LI Lin，et al.Transmission line modelling of inductive coupling of overhead power lines subjected to grounding fault to underground metal pipeline[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28（7）：264-270.

[9]吳文輝，曹祥林.電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計算與EMTP應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2012.

[10]張欣，楊天琦，楊仲江.地下建筑物遭受雷擊損害的風(fēng)險因子分析[J].電瓷避雷器，2014（3）：44-47.ZHANG Xin，YANG Tianqi，YANG Zhongjiang.Analysis of risk factors of lightning damage to underground buildings[J].Insulators and Surge Arresters，2014（3）：44-47.

[11]IEEE Std.1410-2010.IEEE guide for improving the lightning performance of electric power overhead distribution lines[S].

[12]AMETANI A，UCHIDA N，ISOGAI H，et al.EMTP simulations of induced voltages to an underground gas pipeline and its countermeasures[C].I5th PSCC，1-5，Liege，2005.

[13]吳蔭順，曹備.陰極保護和陽極保護原理、技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京：中國石化出版社，2007.

[14]卞華永，張小青，李都紅，等.低壓電涌保護器的有效性分析[J].電瓷避雷器，2008（1）：44-46.BIAN Huayong，ZHANG Xiaoqing，LI Duhong，et al.Analysis on protection effectiveness of low-voltage SPD[J].Insulators and Surge Arresters，2008（1）：44-46.

[15]張水平，賀景亮，王洪新，等.直埋通信電纜雷電感應(yīng)過電壓試驗研究[J].高電壓技術(shù)，2002，28（11）：32-33.ZHANG Shuiping，HE Xinliang，WANG Hongxin，et al.Research on over-voltage induced by lightning on directlyburied communication coaxial cable[J].High Voltage Engineering，2002，28（11）：32-33.

Lightning Surge Protection for Underground Petroleum Pipeline

ZHOU Xuehui1，WANG Xiping2，LI Mingxing3
（1.Guangxi Vocational&Technical Institute of Industry，Nanning 530001，China；2.Hebei University of Water Resources and Electric Engineering，Cangzhou，061001；3.College of the electrical engineering and control science，Nanjing 211816，China）

In order to protect underground petroleum pipeline from lightning effectively，it is necessary to analyze lightning damage to underground petroleum pipeline reasonably.Harm modes and main performance of lightning damage are presented.Considering electrical characteristics of pipe metal，pipe insulator，conductors in corrosion protection circuit，equivalent circuit of underground petroleum pipeline under lightning is established based on ATP-EMTP.The effects of the buried depth，insulating layer materials and pipe thickness on lightning overvoltage generated on pipeline are analyzed.The results show that overvoltage on the cathodic protection equipment increases with increasing of insulating layer’s surface resistance，decreases with increasing of depth of pipe.Pipe thickness has little impact on the overvoltage.Installing metal oxide surge arrestor can protect the cathodic protection equipment efficiently.

petroleum pipeline；lightning；overvoltage；cathodic protection；metal oxide surge arrestor

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.007

2016-06-21

周雪會 （1982—），女，講師。研究方向:電力系統(tǒng)及其自動化、電力系統(tǒng)保護與控制。