交流输电线路接地故障对埋地金属管道的强电冲击防护

潘 晨

（中石化节能环保工程科技有限公司，湖北 武汉 430223）

0 引言

当高压交流输电线路与埋地金属油气管道邻近时，如果交流输电线路发生接地短路故障，就会对管道产生强电干扰。输电线路上大幅值的短路电流会在管道上产生感性耦合；故障处短路电流经过杆塔接地体入地，使得杆塔附近大地电位抬升很高，而管道本体保持相对低的电位，入地电流通过土壤阻抗及管道防腐层阻抗，对管道产生阻性耦合。此时，附近管道的综合干扰电压强度可达正常情况下的数千、甚至数万倍。此时，强电冲击将对与管道连接的设备、仪表产生不利影响。如果管道运行、检测、维护人员正好接触管道的金属部分，将对其人身安全产生直接构成巨大威胁[1]。

因此，如何防止强电冲击对管道运行、检测、维护人员安全的伤害，以及其对与管道连接的设备、仪表产生的不利影响，为设计中必须考虑的安全问题。

1 交流输电线路接地故障对埋地金属管道的电磁影响

短路电流的强弱、并行长度等众多因素决定了输电线路发生接地短路故障时对邻近埋地管道的交流干扰影响的大小。实际工程中，交流输电线路与埋地金属管道的位置关系较为复杂，为简化起见，本文以图1关系为例。

图1 管道与线路相对位置

1.1 管道及输电线路参数

1.1.1 管道参数

具体如表1所示。

1.1.2 输电线路参数

选取高压单回输电线路，边相对地平均高度22m，中相对地平均高度24m；在管道并行段中点短路。与管道并行长度10km，间距50m。土壤电阻率/杆塔接地电阻为：100Ω·m/10Ω。输电线路两端提供6∠0°kA的短路电流。

1.2 输电线路故障时，管道接触电势分布

电力系统短路故障里单相接地短路故障占实际故障发生次数的绝大部分，因此本文主要考虑输电线路单相对地短路故障时对管道产生的影响。在上述状态时，管道接触电势分布如图2所示。

图2 不同管道防腐层绝缘电阻率时并行段沿线接触电势分布

2 防护措施

输电线路出现故障状态情况较少，但其干扰电压高、持续时间较短，因此故障状态时防护与正常状态时的交流干扰排流不同，主要是将较高的电压及时排出去、防止其击穿防腐层及与管道连接的相关仪表和设备，另外是防止管道及其附近的土壤高电位对检测人员造成的伤害输电线路故障状态的干扰是由干扰源和被干扰管道两方面构成的，因此在防护措施上也是可两方面考虑，通常是从干扰源和被干扰两方面联合采取措施效果最佳。但在实际工程中，由于线路和管道施工时间不同，目前大多从管道的单方面防护措施考虑。主要管道措施有：

表1 管道典型参数

2.1 避让法

避免强电线路对埋地金属管道的干扰，最简单有效的方法是两者相互避让。该措施是指在强电线路和管道的设计阶段就应充分考虑管线与高压输电线之间的距离，应尽可能的增大它们之间的间距，直至管道上的交流感应电压减小到允许值。

埋地钢质管道交流干扰防护技术标准GB/T 50698-2011中规定：在路径受限地区，埋地管道与交流输电系统的各种接地装置之间的最小水平距离一般情况下不宜小于表2的规定[2]。

表2 埋地管道与交流输电线路各种接地装置最小距离

近距离状态下，增加管道和高压线间的间距，特别适合于高压输电线路杆塔接地极附近的阻性耦合影响。而间距≥杆塔线高以上时，增加间距可以快速降低感性耦合。如果不能满足上述标准规定的间距，必须采取特别措施进行防护。

在实际工程中，即使满足了上述最小间距要求，也必须采取其他防护措施，以减小危害强电冲击造成其他的危害。

2.2 电屏蔽

在实际工程中，当管线距高压输电线路较近时，电阻耦合影响可能占主导地位，此时，在输电线路接地体和管道之间设置导体屏蔽栅，都能有效降低强电线路故障状态对管道的不良影响。特别是屏蔽可减少高压输电铁塔的接地系统与被影响的管道之间产生地中电弧的影响，减少强电冲击情况下管道防腐层或管道金属体被击穿的可能性。

在进行电气屏蔽设计时，应考虑铁塔接地系统与管道间的距离、管道受影响的程度和铁塔接地系统与周围大地间的电位大小等因素。

屏蔽可采用绝缘隔板，隔板采用胶板，树脂板等绝缘材料制成；也可采用一支或多支电极在特定地点与受影响的管道平行安装，或安装在受影响管道的周围，或沿管道的长度安装。

由于末端效应，在加强绝缘层、隔板、屏蔽栅的边界部分，电流密度增大，所以隔板，屏蔽栅长度必须足够长，以保证末端电流强度衰减到可控范围内。一般应将其延伸到地电场作用范围之外5～10m左右的距离。

2.3 管道接地

管道与地连接是一种传统的减少由容性和感性耦合引起的感应电压的方法。该方法对减少容性耦合影响是非常有效的，但是，为了真正达到减弱感性耦合的影响，一般需要大量的低电阻接地。因此，该方法在土壤电阻率高的地方作用是有限的。

管道接地对阴极保护系统会产生不利的影响。为维持足够的保护水平，管道接地可导致阴极保护电流的大大增加。为了限制这种影响，一般采用牺牲阳极作为接地电极（锌电极，镀锌导线）。如果仅为了限制短期干扰，接地电极可以通过电涌放电器连接。

上世纪90年代前期，屏蔽线材料多为牺牲阳极带。因牺牲阳极自身消耗问题，自1995年后，国际上逐渐推广采用裸铜线代替牺牲阳极带，相比之下裸铜导线具有如下优点：

（1）相对于牺牲阳极带，裸铜导线不会影响ON/OFF断电电位的测试，不会对管道现有的阴极保护测试系统产生干扰；

（2）不需化学填包料，易于施工；

（3）裸铜线排流量大，尤其适合排放雷电流和工频故障电流在管道上瞬间感应的巨大电流；

（4）裸铜导线导电性好，接地电阻低。

现在多采用在整个影响范围内，沿管道放置接地体，并将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点，一方面可以使用在有阴极保护的管道上；另一方面也使得排流地床材料的选择更多，不局限于铜缆、镀锌扁钢、钢管、牺牲阳极等材料，而可以选择铜接地材料，铸铁材料等。

2.4 安全接地栅

接地栅极法是将接地栅极与管道连接起来，使栅极所处位置的局部地面与管道等电位，防止检测、维护人员在接触管道的过程中遭受干扰电压的伤害。主要用于保护检测/测试人员与管道连接的阀门、金属排风管、阴极保护测试桩和其它的地上与管道相连接的金属的和非金属附属设备接触时的安全保护。

接地均压栅可以埋在很浅的地方并连接到管道上，这对减少相对远方的电压意义不大，尤其是对高电阻率的土壤。但可以明显减少操作人员的接触电压如图3所示。

图3 等电势栅格附近的接地电势上升—接触电压

接地栅极是将线状牺牲阳极材料如镁带/锌带在测试桩或阀体附近以盘状或网状安装，直径约3m。接地栅极能够避免跨步电压对管道上的测试人员可能的电击，在管道上感应瞬间强电时保证管道操作人员的安全，也能防止管道与输电线路并行时电磁感应电压对人身的电击。

接地栅极只需在干扰电压超过临界安全电压的若干点采取。也可做成临时性的，需要时再把它与管道接通。接地栅极由角钢、圆钢、钢管、牺牲阳极等组成。宜作成盘状或网状布设，直径约3m，保证地面上有足够的等电位区域，便于维修管道时操作。

在使用时，要指定相应的操作规定，例如处于接地栅内的人员应禁止与网外人员接触或传递金属制工具等。

接地垫应足够大，使操作人员接触被影响的管道时，可以安全地站在接地垫区域内工作。接地垫应当尽量靠近地面安装，以充分降低进入该区域与管道相接触的工作人员的接触电压和跨步电压。大面积的接地极可采用均压网接地，如鲁宁输油管道110kV变电站和输油泵站合建，就是采用接地均压网。

无论用什么材料制作的接地垫，都必须和管道跨接，最好在几个点跨接。如果由于屏蔽使管道的阴极保护难以实施，则可以在接地垫和管道之间安装一个直流去耦合装置。

2.5 远处仪表、设备的防护

在故障状态时，故障点附近产生的高干扰电压可能沿管线传至较远的地点。因此，与管道连接的仪表、阴极保护设备、绝缘装置都需设置相应的接地和防电涌冲击装置。

3 结语

目前，国内管道的常规干扰排流设计、施工较为常见。管道与线塔近距离接近时，铜缆+去耦合器接地方式也开始大量推广应用。但关于人身安全的接地栅还鲜有使用，因此，需提高认识，进一步加强该方面的设计推广工作，确保检测、维护人员的安全。