燃气绝缘接头(一起长输管线阀室设备内燃弧的事故分析)

Posted 2023-06-02

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燃气绝缘接头(一起长输管线阀室设备内燃弧的事故分析)

作者分析了由于长输管线感应雷事故，造成阀室内设备燃弧的事故起因及原因分析，并提出了解决措施和其他建议。

某日凌晨，某输气管线建成后尚未投产，巡检人员检修恰遇大雨，临时到线路阀室金属罩棚内躲雨。伴随着闪电的发生，现场巡检人员发现管线上紧急切断阀气液联动机构的限位开关联轴器抱箍上下紧固片随着大气中的闪电产生放弧现象。

伴随着天空中每一次闪电，上下紧固片尖端都会有明显的电弧放电，共约发生7次，紧固片外表皮有烧黑的痕迹。现场巡检人员将此情况紧急通知业主管理部门，项目组织设计、施工人员并邀请现场运行操作人员共同进行了实地调研。

事故现场调研

调研组到现场进行调查后，发现阀室地处半山坡，是将原山脊部分削平之后建设。阀室整体为钢结构开放式金属笼架，四周为铁丝网，目击钢结构有良好接地。阀室后侧山顶有紧急放散管，水平距离阀室在20m，高度将近10m, 阀室及其设备基本为四周山地的绝对高点。

阀室内有气液联动阀执行机构伸出地面，除主阀体和长输管线直接有电气联通外，执行机构另有两条分支管路与长输管线相接，一为天然气直接驱动支线，为其提供执行动力，当长输管线超压后直接由压力驱动紧急关阀，另一分支为长输管线采样支路，将长输管线的压力状态传送给气液联动阀控制盘。从地面上看到阀室控制盘、阀室金属构架均可靠接地。

经检查阀体执行机构，并与现场巡检人员确认了放弧位置，调研后发现以下现象：

1 气液联动阀限位开关联轴器抱箍紧固片外部有烧黑痕迹。

2 拆下气液联动阀限位开关联轴器抱箍紧固片后，发现内部已经被部分放弧损坏。

3 执行机构的上口连接部分已经被放弧烧黑。

4 联轴器内部烧黑并有烧化金属颗粒附着，内部发现若干个大小不等被弧光烧毁的小洞，直径在2-5mm不等。

调研人员清查了系统接地，经过专业人员用接地摇表检测，发现阀室整体接地电阻为4Ω，系统接地良好。外部接闪器为独立接地，冲击接地电阻检测为2Ω，从整体分析系统接地状态完整，接地电阻满足规范要求。

按照一般情况分析，阀室有外部金属笼屏蔽，内部设备不会遭直击雷破坏。系统接地电阻均在4Ω欧以下，一般的雷电感应或者电压反击不会损坏阀室内设备。

从现场维护人员的口述分析，设备上连接片的伴随着空中雷云闪电的放弧证明了管线上必定是感应电压放电。为什么整个阀室各个电气设备都做了良好的完整接地，还能有感应雷高压放电的事故发生呢？

原因分析

经仔细诊断工艺和阴极保护图纸，发现此阀室的接地新情况。传统的长输管线阀室进出站管线上均设有绝缘接头，阻断阴极保护的电流泄入大地，阀室内的设备可以全部接地，形成良好的电气接地通路，只要接地电阻满足规范的要求，是能具备较好的防雷效果。

而近些年来，由于考虑部分含硫天然气对管线的腐蚀性，绝缘接头另一侧未受阴极保护的管线腐蚀很快，阴极保护专业将阀室两侧的绝缘接头取消，从整体上满足了全线阴极保护的需要，同时为了避免阴极保护电流的泄露，阀室的主要阀体设备处于阴极保护的范围，且是不能直接接地的，否则可能导致阴保泄露电流过大，因此阀体的执行机构对地不能形成良好的电气接地通路。

也就是说，虽然阀室的金属构件及控制盘等电气设备都做了良好接地，但是和长输管线连接的主阀及其执行机构是对地绝缘的。由于雷电感应在线路上产生高电压不能直接泄入大地，而阀体联轴器和限位开关之间是电气绝缘的，高电压直接对绝缘薄弱的联轴器紧固片放电造成了现场维护人员看到的放弧现象。

根据现场紧固片烧坏的情况，结合现场操作人员陈述的伴随闪电而产生的放弧现象，并检查图纸的设计方案，调研团队初步判定为雷电感应的二次放电破坏。

场站工艺管道的地面部分及跨越管道，相对于整个埋地管道而言都是优良的接闪器。当管道附近上空即将产生雷电时，其下方大面积的地面形成一个静电场，埋地管道也同大地一样表面感应出相反的电荷，当电荷积累到一定程度而又具备了放电条件时，会出现一次强烈的放电过程，此时云地电荷迅速消失，地电荷变为零。

但是由于PE三层优良的绝缘性能，管道感应电荷的泄放速度很慢，一旦发生管道的局部放电，其他部位的感应电荷也将随之对地消散，于是在管道内形成一股强大的电流。

对于绝缘层电阻较低的管道，电流会通过绝缘层的漏点大量消散，不会产生大的破坏力；而对于绝缘层性能很好的管道，当这种浪涌不能通过绝缘层本身的漏点快速泄放入地时，管道上绝缘或接触不良的部位就产生高电压，引起二次放电，这就是输气管道设备、设施遭受雷电破坏的主要原因。

解决措施

解决雷电感应问题的原则是直接将由于雷电感应在埋地管道上引起的感应电压泄入大地是最有效的办法，但是直接将管线接地将导致阴极保护电流的泄露，因此通常的做法是采用浪涌抑制性避雷器或者类似的地极保护器（放电间隙）连接到管线和大地之间。

其基本的原理是正常情况下，理论上管线雷电感应电压冲击值在+1-2kV以上，立即电气对地导通，将感应电流泄入大地。但是此种设备投入后，实验发现管线在雷雨天经测试的阴保电压表现为正值，根据实验测试仍然受到50V以下的泄放剩余电压的影响，，阴保设备即便输电电流为满量程也无法将阴保投入，更有甚者造成全线阴保由于过流而关断。

综合考虑以往防感应雷的设备优缺点，需要寻找一种性能稳定的导通阀值低、通交流阻直流，通流容量大的防感应雷设备。固态去耦合器能很好解决线路的故障接地短路电流、高压线路上遭雷击的接地引入电流、雷电感应电流及管线上产生的杂散电流。

其工作原理是采用整流装置对交直流干扰进行电流泄放和电压限制，采用压敏电阻型电涌保护器的快速响应特性和火花间隙型电涌保护器的大电流耐受特性和低残压特性对直击雷和感应雷进行排流和电压限制，各器件之间采用特殊的智能能量配合方式，保证交直流干扰和直击雷、感应雷干扰之间的智能切换、有效动作和能量配合。

固态去耦合器具有防雷电感应功能，在正常状态下不导通，有效防止阴极保护电流的泄露。其正常状态下导通电压±2V，阴极保护电位大致在-1.5V，因此在正常情况下可以阻挡阴极保护电流泄露大地。

当管线在雷电情况下的感应电压超过阀值时直接对地导通，将感应电压泄入大地，保护线路上设备不被再被感应高电压损坏。去耦合器的交直流排流电流额定值50A，故障电流（AC-rms/工频/30周波）≥5000A，标称放电电流 100kA（8/20μs），响应时间≤1ns,直流泄露电流≤1mA，工作温度-45～+70℃。

固态去耦合器安装简单，将去耦合器的一端与阀体执行机构电气连接，另一端与阀室站场内小于4Ω的可靠接地网连接。接地导体采用黄绿相间35 mm2的导线，应尽可能短以消除导线上的电磁感应。

其他建议

长输管线阀室选择尽量选择雷击概率较低的环境，尽量避开山顶或者山脊，减少雷雨天气在埋地管线上产生雷击感应电压的机率。

站内气液联动阀的驱动尽量选择氮气而不是天然气，避免当正常开关阀门而产生的天然气就地放空时又恰巧管线产生感应电压放电而导致可能出现爆炸危险事故的发生。

电气专业施工图纸审查及现场监理要特别注意看似形成接地良好的完整系统，却又有独立设备未接地的情况，具体问题具体分析，以免运行后期造成事故隐患。

本文编自《电气技术》，标题为“一起长输管线阀室设备内燃弧的事故分析”，作者为马坤、梅业伟等。