雷电流A分量冲击长输管道影响研究*

张英杰

(中石化安全工程研究院有限公司化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266104)

0 前言

管道运输与铁路、公路、水运、航空运输并称为现代五大运输方式，它承担着大部分原油和天然气的运输，在经济发展、社会安定和国防建设中发挥了重要作用，我国的油气能源与经济发展水平在地理位置上总体呈逆向分布，因此长距离管道输送成为能源安全经济运输的首选。管道的铺设根据地理条件不同会分为埋地管道和架空管道，两种管道不可避免地都会受到雷电流冲击的危害，埋地金属管道本身属于良导体，而管道的架空部分和地面部分(站场管道和露天工业设备等)对埋地管道而言相当于接闪装置，整个管道系统极易成为雷电流泄散通道，遭受直击雷的威胁非常大。2019年中海油天津管道公司发现一处埋地管道泄漏点，经现场勘察排除外力破坏等原因，综合管道表面烧蚀情况推断极有可能是遭受雷击，印度、巴西等国也有类似发现。

目前国内外对于雷电流冲击管道的研究主要集中在管道防腐层的耦合作用上，研究方法以ATP、CDEGS等仿真软件为主，本文从实验室冲击试验和软件仿真模拟两个角度出发，开创性地建立雷击管道冲击试验平台，重点研究雷电流A分量对管道的冲击影响，并结合实验室冲击试验加以验证，得到40 kA雷电流A分量对3PE层管道的冲击结果。

1 雷电流分解

雷电活动具有很强的地域性和随机性，其波形规律与参数特点是研究雷击管道机理的基础。根据各地气象观测数据显示，雷电流幅值集中于0～40 kA的区间内，根据标准推荐的雷电流幅值累积概率表达式可以推算出，我国40 kA及以下的雷电流发生概率大约为65%。波形方面，雷电流波头时间为1～5 μs，我国电力规程中对于雷电流冲击波规定采用2.5/50的双指数波。对于雷击管道来说，一次完整的雷击过程不只包括首次回击，还包括雷击中后段建立长时间的持续电流和继后回击分量，因此将实际雷电流进行分解，在试验中运用各分量进行组合使模拟雷电流更能接近真实情况。实验室模拟雷电流波形如图1所示。

图1 实验室模拟雷电流波形

中国石化雷电静电灾害控制重点实验室开发的多分量实际雷电流模拟试验系统是把其分为A、B、C、D 4种波形，其中A波形用于模拟雷电流首次回击电流，可产生峰值为10～200 kA，持续时间小于500 μs；B波形为雷电流中间电流分量，幅值为0.5～2 kA、持续时间小于5 ms；C波形幅值为100～400 A，持续时间为0.25～1 s、传递的电荷量为25～400 C的雷电流持续电流波形；D波形为雷电流继后回击分量，峰值为5～100 kA，持续时间为100～500 μs。

2 雷电流A分量冲击管道电磁仿真

统计数据显示真实雷电流能量主要集中于首次回击电流，即A分量中，因此对雷电流A分量冲击管道进行研究，CDEGS是雷击电磁场计算仿真的知名软件，利用傅里叶变换和矩量法来研究雷直击于裸露管道的影响。A分量的典型波形是双指数波， 40 kA的雷电流A分量输入波形如图2所示。

图2 雷电流A分量输入波形

为简要起见，此次模拟的管道长度为60 m，雷击点为管道中心位置，冲击电流按40，60，90，117.59 kA输入，管道防腐层按照常见的三层聚乙烯保护层结构设置，采用钢制管道，管道参数参照华东某管道进行设置，沿线土壤特性采用100 Ω/m的均匀土壤结构。模拟管道的尺寸和电气特性如表1所示。

表1 模拟管道的尺寸和电气特性

短时大电流入地会与管道及其他金属附件发生阻性耦合、容性耦合和感性耦合，油气管道本身埋于地下居多，两端经绝缘法兰接地，且在施工时会分段敷设，容性耦合作用很小，感性耦合是交流电流产生磁场后在金属管道上产生的电磁耦合，因而只有在管道与交流输电线路临近时才会产生，阻性耦合是雷电冲击电流入地后引起地电位迅速抬升，从而与管道产生很高的电势差，同时雷电流作用时间短，管道表面防腐层电阻率非常高，防腐层两侧瞬时由于阻性耦合产生巨大的电势差，因此雷电流入地对管道的影响只考虑阻性耦合。雷电流入地原理如图3所示。

图3 雷电流A分量入地原理示意

根据仿真软件的要求，电流激励点位于管道中间位置地表以上，通过一段接闪导体引入管道，管道两端绝缘法兰电阻很高，起到了很好的绝缘效果。从仿真软件的输出结果可以得到管道金属电压和管道防腐层电压如图4所示。

图4 雷电流A分量冲击下管道金属电压和管道防腐层电压

从仿真结果可以看出，在40 kA雷电流A分量直击于管道的极端情况下，冲击点的管道金属电压和管道防腐层电压已接近900 kV，远远超过标准规定的管道冲击电压耐受峰值109 kV；从冲击点向两端金属电压和防腐层电压先迅速下落之后平缓下降，从冲击点向两端7 m位置开始，管道防腐层电压和管道金属电压低于管道冲击电压耐受峰值109 kV。电压的变化过程符合短时大电流入地产生的耦合作用，可以认为40 kA及以上的雷电流A分量直击于管道产生了破坏性影响。

3 雷电流A分量冲击管道试验

平均而言，雷电流的能量有60%集中于A分量中，仿真结果显示40 kA的雷电流A分量可对管道产生损伤，实验室模拟雷电流A分量同样会对管材产生破坏性损伤。中国石化雷电静电灾害控制重点实验室自主研发了多分量实际雷电流模拟试验系统和雷击管道试验平台，可对管道样品进行单重和多重分量的雷击试验。

利用实验室多分量实际雷电流模拟试验系统分别产生30，40，60，90，117.59 kA的A分量，对覆盖有3PE防腐层的X70管材进行冲击试验。试验结果显示40 kA及以上的雷电流A分量冲击电流使覆盖有3PE防腐层的X70管材表面防腐层爆裂，带有近似圆形烧蚀痕迹；30 kA雷电流A分量未能将表面防腐层爆裂，以冲击点为中心表面防腐层有大范围近似圆形烧蚀痕迹。40 kA及以上的雷电流A分量冲击试验结果与仿真结果中超过管道冲击电压耐受峰值109 kV是相符合的，试验结果证明对于3PE层X70管材来说，40 kA及以上的雷电流A分量可对管道产生破坏性损伤，加速管道腐蚀，产生泄漏风险。30 kA和40 kA雷电流A分量冲击试验结果如图5、图6所示。

图5 30 kA雷电流A分量冲击试验

图6 40 kA雷电流A分量冲击试验

4 结论

利用CDEGS软件进行雷电流A分量冲击管道的电磁仿真，并开创性地在实验室内应用多分量实际雷电流模拟试验系统对管材进行雷电流A分量冲击试验，得到以下结论：

a) 软件仿真结果显示，在雷电流直击于管道的极端情况下，40 kA及以上的雷电流A分量在管道直击点附近产生的冲击电压接近900 kV，远远超过标准规定的管道冲击电压耐受峰值109 kV。

b) 多分量实际雷电流模拟试验系统的冲击试验结果显示40 kA及以上的雷电流A分量已足以破坏金属管道的3PE保护层，这与仿真结果中冲击电压超过标准值是相符合的。

c) 本研究结果对管道设计与运行相关标准的修订有参考意义，40 kA及以上的高幅值雷电流可破坏长输管道的防腐保护层，导致金属管道失去保护，加速腐蚀，产生泄漏风险。