直流接地极附近引压管绝缘卡套放电原因分析

楚金伟 韦晓星 刘青松

南方电网超高压输电公司检修试验中心

直流接地极附近引压管绝缘卡套放电原因分析

楚金伟 韦晓星 刘青松

南方电网超高压输电公司检修试验中心

西气东输二线韶关翁源县段会受到附近翁源直流接地极的入地电流干扰。当接地极有较大入地电流时，翁源接地极将产生几百伏的管地电位，但该管地电位差不足以使阀室内引压管绝缘卡套发生放电烧蚀现象，绝缘卡套内部局部螺纹尖端场强畸变、雷击以及端部湿污是引起绝缘卡套绝缘水平下降甚至放电烧蚀的主要原因。为减少大地入地电流情况下绝缘卡套发生放电现象，建议增强绝缘卡套内部绝缘材料的绝缘强度，改善绝缘卡套的螺纹设计并加强阀室避雷器设计。

接地极；管地电位；绝缘卡套；放电

接地极是高压直流输电系统的重要组成部分。绝缘卡套是气液联动阀及引压管中常见的绝缘部件，用来保证接地的附属设备和不接地的主管道部分维持绝缘，将阀室的接地网与主管道绝缘，避免阴极保护电流的漏失[1]。西气东输二线天然气管道在广东省境内有2座分输站，分别为韶关分输站、广州分输站。在2个分输站间，分布有153#～160#共8座阀室。距离翁源接地极最近的阀室分别是154#和155#阀室，2阀室中间管道与翁源接地极最近直线距离约7 km。

1 入地电流引起电位抬升

翁源接地极在牛从直流系统正常运行时，不平衡入地电流为64 A；在单极大地回线运行方式下，额定入地电流为3 200 A；当双极均采用该运行方式时，最大短时入地电流将达到6 400 A。

当接地极有较大入地电流时，翁源接地极将产生几百伏的管地电位。如表1所示，在翁源接地极附近，靠近接地极的阀室或者分输站内的管地电位最大，达到160 V；随着阀室与接地极距离的增加，阀室内管地电位逐渐减小；并且，阴极入地电流引起的管地电位比阳极入地电流高。

行业标准《绝缘接头与绝缘法兰技术规范（SY/T 0516—2008）》规定，绝缘法兰和绝缘接头应能在工频交流电下承受2.5 kV交流电压。直流电压下固体绝缘的电介质损耗较小，直流击穿电压比工频击穿电压高。由此推断，绝缘接头应能承受的直流击穿电压值要大于2.5 kV。实测结果显示，在绝缘水平完好的情况下，绝缘卡套可承受2.65 kV的直流电压[2]。由此认为，在绝缘卡套绝缘水平满足行业标准规定的情况下，入地电流造成的几十至几百伏的直流电压不会对绝缘接头产生放电烧蚀的影响。

表1 翁源接地极附近油气管道阀室管地电位分布V

2 绝缘卡套结构及放电烧蚀现象

图1为翁源接地极附近油气管道阀室内的绝缘卡套结构。管件材质为不锈钢，通过喇叭形热塑性绝缘材料、聚四氟乙烯垫圈、氟碳密封圈实现金属构件之间的电绝缘。其中，氟碳密封圈横截面为方形结构，主要起密封作用。

图1 绝缘卡套结构

经统计，绝缘卡套易发生放电灼烧现象的部位主要集中在3个区域，见图1中的P1～P3位置。其中，发生在P1位置的放电现象属于外部放电，而发生在P2和P3处的放电属于绝缘卡套内部放电。

3 产生缺陷的原因分析

3.1 局部场强过大引发放电

大部分绝缘卡套发生放电烧蚀现象主要集中在变径管裸露区域，即图2中红色方框所示区域。从图2可以看出，变径管斜面包覆有喇叭形绝缘材料的部分并未出现放电烧蚀现象，而在变径管凸台处发生了严重的放电烧蚀现象。这说明，绝缘卡套结构内部变径管凸台区域是绝缘薄弱区域。

图2 局部场强过大引发放电

引发这类现象主要原因为：当大地入地电流提高了阀室内引压管绝缘卡套的管地电位后，螺帽螺纹牙处的电场畸变随着管地电位的提高而增大，由于该区域螺纹牙与变径管凸台距离较近，造成绝缘距离偏小引发放电。

3.2 雷击造成绝缘卡套绝缘性能下降

在引压管内部变径管凸台附近（P2）或者密封圈附近（P3）形成大面积的金属熔融现象的原因初步确定为：绝缘卡套中的绝缘材料发生击穿并形成低阻通道，使引压管绝缘卡套的整体绝缘水平下降。当低电压大电流通过时，大电流释放的热量使金属发生熔融现象，并进一步使绝缘材料裂化，形成一个正反馈过程，促进绝缘水平的进一步降低和绝缘卡套的损坏。

绝缘卡套的绝缘水平下降可能是由于雷击原因造成的。广东是多雨和雷电活动频繁的地区，埋有电缆（或金属管道）的地方落雷率要比其他地方落雷率高。从翁源县2012—2014年的雷电数据情况统计可以看出，翁源县地区雷电非常活跃。

雷击时电位显著升高的落雷点与管道之间极大的电位差击穿土壤，形成电弧通道，电弧又会烧伤雷击点处的管道外绝缘层，使部分电流从这一绝缘烧伤部位进入金属管道并向两侧传输。事实上，根据油气管道公司的调研测试，运行一段时间后，引压管绝缘卡套的绝缘水平普遍会发生下降。现场调研显示，部分阀室氧化锌避雷器损坏，避雷器周边有大电流放电烧黑的痕迹。

实验表明，完好绝缘卡套的直流电阻可达到8 000 MΩ；当绝缘卡套被8次5 kV的冲击电压击穿后，绝缘卡套的绝缘电阻降低至4 MΩ。这说明，绝缘卡套在受到雷击冲击后，绝缘材料击穿使绝缘强度急剧下降，并形成低阻通道。

当绝缘卡套的绝缘强度下降后，若翁源接地极有较大电流入地，并沿着管道破损点进入阀室，大电流可直接击穿薄弱的绝缘材料并流入阀室接地网。由此形成的高温将进一步使密封垫或者喇叭形绝缘套内部炭化甚至高温汽化。聚四氟乙烯和氟碳垫圈的高温融化进一步释放大量热量，引发金属变径管端部或者斜面发生高温熔融现象。

3.3 端部湿污削弱变径管外部绝缘强度

由于绝缘卡套端部的喇叭形绝缘材料裸露在空气中，并且延伸距离较短，易造成污秽的堆积。在雷雨天气、空气湿度较大的条件下，该区域污秽受潮易引发污秽放电现象，造成端部绝缘材料的老化。

4 结论及建议

（1）绝缘水平完好的绝缘卡套，可以承受至少2.65 kV的直流电压。翁源接地极入地电流造成的几百伏管地电位不足以造成绝缘卡套的放电烧蚀。

（2）当大地入地电流提高了阀室内引压管绝缘卡套的管地电位后，螺帽螺纹牙处的电场畸变随着管地电位的提高而增大，局部场强增加，可能导致局部放电。建议完善绝缘卡套的装卸步骤和工艺，避免绝缘卡套内部螺纹出现放电尖端。

（3）在绝缘卡套经过多次较高电压冲击后（比如雷击），导致其绝缘水平下降形成低阻通道，在直流大电流时由于电阻效应产生大量热量，引发金属变径管端部或者斜面发生高温熔融烧蚀现象。建议改善绝缘卡套设计，增加内部材料的绝缘强度，并加强阀室避雷器设计或者更换满足要求的避雷器。

[1]应斌．高压直流输电系统接地极对长输管道安全运行的影响[J]．油气田地面工程，2014，33（7）：23-24.

[2]王同强，孙春庆，张丽萍，等．雷击对输油管线的危害及防范[J]．油气田地面工程，2013，32（8）：74.

（栏目主持 关梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.10.028

楚金伟：工程师，2009年毕业于清华大学电气工程专业，从事直流接地极对油气管道影响及防护等研究工作。

2015-05-15

18565590136、wxxzwb@163.com