燃气管道带电问题的研究.doc

谈天然气管道带电问题

　　一、概述
　　重庆是一座老工业城市，城区占地面积小，人口多，市区楼房林立，地下各种管网、电缆密布，最繁华的市中区面积仅14.5平方公里，人口就有47万多，人口密度每平方公里达32000多人。重庆市1980年开始发展民用气，当时天然气管道走廊很难找到，因此给输配管道的敷设带来了很多问题。我司现有高、低压输配管道520公里左右，其中市中区高压管道约103公里，低压约81公里。由于多种原因，致使天然气管道多处多次带电，现就此问题给予浅述。
　　二、带电事例
　　1、江北区建新东路一宿舍管道出现发热现象。1990年5月3日下午，一用户偶然发现垃圾口旁天然气管道发烫。接报修后，我司当即派人前往处理，经检查发现在该栋楼房的三楼Φ25.4天然气立管的活接头处发热，烫得用手都不能摸，测得最高温度为103℃，且有轻微漏气，初步分析是管道带电所致，但在该用户家未发现有电线与管道相连，后检查至七楼时，发现该用户将照明线的一零线从闸刀并关牵接到天然气管道上，而立管在三楼的活节头拧得不紧，带电后因接触电阻较大而发热，将零线拆掉后，活接头处的发热现象即消除。
　　2、市中区某中学新宿舍外漏气。1990年8月31日，用户反映有明显天然气味，经挖土检查，在地表以下约400毫米处，一根Φ32低压天然气管道下面有一接地扁铁(图1)。该扁铁带电，两维修人员手接触时均被电击。管子下侧与扁铁接触处的防腐绝缘层遭损坏，在其中部发现一个长、宽约10×4毫米不规则的孔，该孔很明显是由电弧烧穿所致，而不属腐蚀穿孔(图2)。最后找出了接地扁铁的带电原因：是宿舍用电火线与接地线同装于铁套管内，由于安装时的弯折和日常风吹摇动，使电线在套管口锋利部位受到磨擦，绝缘损坏，致使接地装置断续带电。

　　1992年2月，在市中区人和街某处，用户几天来在室外嗅到有天然气味，没有查出原因，公司接报后，抢修人员到现场察看，判断是埋地管道漏气，挖开覆土后发现管子(Φ57×4)被电弧烧穿了一个直径约3毫米的洞。该管道平行于下水道敷设，其顶部压着一根扁铁接地线，据了解半年前，有关部门修下水道时，把原来沿下水道敷设的附近变压器的接地线，移到了埋地气管道顶部，于2月17日该变压器发生过一次接地短路故障停电事故。分析认为：由于接地短路电流造成瞬时高电压，在防腐蚀绝缘层薄弱处，通过弧光放电被击穿成孔。
　　3、天然气管道带电。1991年5月市中区心心餐厅厨师反映：厨房内发生数人多次在工作时，由于手指有小伤口，在接触房内的天然气管线时(在水管道下侧靠墙平行敷设，距水管约200毫米)，感到触电麻手。公司当即派人检查，用菜刀将气管与水管相碰，发生较大火花；用数字万用表测得气管对水管(地)交流电压为3.9-4伏。火花发生，曾经作过停电试验，将餐厅的电源总闸门拉掉，气管仍然带电。在6月和10月份两次该地区停电时，又去检查，分别测得气管对水管电压降至1.1伏和1.8伏，气、水管相碰时仍有轻微火花发生。当将调压箱的低压法兰拆开后，气、水管相碰就不再发生火花了。经多次查找原因，测试和分析，认为是次高压埋地气管道带电。12月25日在该餐厅调压箱低压侧联接法兰处加了绝缘垫和绝缘套管，再测气、水管间电流仅为0.35-0.47伏，次高压侧对地电压仍为6.6伏，1992年元月23日和2月20日两次去该餐厅厨房测量，交流电压分别为0.38伏和0.3伏，用菜刀短路仍无火花发生。
　　在市中区其他几个地方及江北区均发现过类似低压气管带电现象。
　　三、带电原因分析
　　第一类带电例子，是由于错将气管当成水管，作为接地所致。
　　在民用供电系统设计规范中指出："接地体应充分利用与大地有可靠连接的自然接地体，如自来水管和建筑物的金属构架等。"一般用电户多具有这方面的常识，故将家用电器的接地线搭接到水管上。
　　在无重复接地的保护接零系统中，当零线断线时，即使用电设备没有发生碰壳，在三相负荷严重不平衡的情况下，零线上也会出现危险的对地电压；如果有重复接地，当零线断开后，零线对地电压虽然有所降低，但仍有对地电压存在。
　　在三相四线制低压供电系统中，当个别设备只接地而不接零，且发生碰壳事故时，就有接地电流I。通过该设备的接地电阻Rb和系统中性点接地电阻RO构成回路(图3)，实际上由于Rb往往较大，所以接地电流不会很大，此时线路中的熔断器可能不动作，电源切不断，这时不但碰壳设备的外壳有对地电压，而且所有接在零线上的设备外壳都将带电。零线的对地电压为：

　　UO=〔RO/(RO+Rb)〕U

　　UO——为低压供电系统的相电压，伏
　　RO——为变压器中性点接地电阻，要求不大于4欧
　　Rb——设备保护接地电阻，当变压器容量不大于100千伏安，要求不大于10欧。

　　若接地电阻均符合设计规范的要求，由计算可知，UO接近63伏，但实际上往往接地装置是不符合要求的，因此UO实际要小得多。
　　当有上述情况发生时，零线都带电，连在接零线上的接地线也就带电了。
　　在分布很广的单相线路中，相线和零线经常发生互相错接的情况，这就导致连到零线上的接地线带电。但很多居民却对三相四线制低压系统的接地和接零搞不清楚，多将接地线连到接零线上。为确保安全用气，不允许零线与气管道相连，也不允许把气管道当作接地线使用。在电力设备接地设计技术规程中明确规定："低压电力设备的接地线可利用金属管道，但可燃液体、气体的金属管道除外。"因此天然气(煤气)公司在宣传和检查安全用气时，要将此问题列入重要内容。
　　第二类带电例子，是由于埋地气管道与电气设备接地体相碰所致。
　　有关设备接地技术规范要求：接地体最高点离地面的深度一般不应小于600毫米，接地线与接地体的连接要求采用搭接焊接或螺栓、卡箍连接，确保电气接触良好。该幢宿舍的接地体埋设深度不到400毫米，在有关城市燃气设计技术规程中，要求埋设在庭院内的管道管顶的覆土厚度，应不小于400毫米。施工人员在敷设埋地管道时，未注意到气管道压着了接地体，并损伤了下部沥青绝缘层。该接地线是铝绞线不符合要求，也未用线卡、线鼻子与扁铁联接，而仅是穿过扁铁上部的孔拧紧而已，其联接处也因松动发现有电火花痕迹，扁铁长仅300毫米，完全不合接地体的要求，接地处土质为砂砾石子且干燥，未作任何处理，接地明显不良，致使接地电流未能经接地体流入大地，而主要流向气管道。另一方面，管壁与扁铁顶端也并非紧密牢固接触，因而导致了管子被电火花烧穿。
　　1985年6月份，在市中区红球坝110千伏高压架空线铁塔附近，在高压线遭雷击后，使埋地气管道(Φ76×4)被击穿，出现一个直径约6毫米的孔。抢修时发现，在气管道顶部有一根被割断的扁钢接地线横放其上，遭雷击时间虽然极短，但雷电流幅值很高，可达几十千安甚至更大，瞬时电压极高，产生的弧光放电很快就击穿绝缘层和管壁。
　　第三类带电例子，主要是由于防腐绝缘层遭损坏的埋地管道与配电变压器中性点接地体相距太近，或埋地气管与埋地电力电缆相距太近所致。
　　城市用电是以照明和家用器为主，多是单相负载，这对于三相四线制供电系统来说，一般都是三相不对称负载，特别是在家电"热"的今天，除电冰箱、彩电和洗衣机外，用户增加的红外线取暖器、空调器的功率多为600-1000瓦，造成了三相互载严重不平衡，这就导致变压器中性点位移，对地产生电位差，中性点接地体将有电流流过，接地体及其周围的土地将有对地电压产生，与该点至接地体的距离成反比，以接地体处最高，靠近接地体的对地电压变化大，距离愈远对地电压下降愈缓慢，如图4所示。针对这一实际情况，在"工业与民用供电系统设计规范"中作了一个限制：三相变压器中性线电流不得超过低压绕组额定电流的25％。

　　重庆市仅市中区就有配电变压器约420台(含用户自用变压器)，这些变压器的中性点均是接地的。也就是说在14.5平方公里范围，有400多个接地装置(未作重复接地，不含架空线路防雷接地等)，在人行道靠公路侧的电杆上安装了不少变压器，其接地体多埋设在电杆下人行道边，而市内天然气管道也正在沿公路边或人行道边敷设，因此往往距接地体较近，如上述的心心餐厅的供气支管距该厅供电变压器的接地体还一到1米，又由于该支气管道在接地体附近管段的绝缘遭到损坏，而致使气管道带电。
　　在江北区某单位宿舍的气管与水管相碰时，也发生火花，测得两者间交流电压为2.5伏，其320千伏安供电变压器的接地引下线距路边供气支干管距离不到2米。
　　在市中区某单位宿舍通气，上调压箱低压侧法兰螺栓时，发生轻微火花，测得气管对地电压为1.08伏，经察看附近并无供电变压器，安装人员反映，在敷设埋地管道时，与一根埋地电力电缆相交，其垂直距离仅约200毫米，分析认为：由于三相负载不平衡，距电缆很近的气管道，可能因感应而带电。
　　四、安全问题
　　天然气管道带电的安全，有三个问题必须考虑：其一，是带电后可能造成人身的触电危害；其二，是当户内气管道及燃气用具有漏气时，因偶发火花可能产生爆炸危险;其三，是电力设备接地体带电碰触气管道产生电弧而形成穿孔。
　　当供电系统发生故障短路时，虽有较大接地电流，产生危险的对地电压，但线路保护装置能迅速动作而切断电源，消除触电危害；在第一类带电例子的单相线路中，若相线与零线相互错接，用户又将零线接到气管上，那么气管对地可能出现危险电压，其电压值与气管连接、气管对地绝缘性能等情况有关。
　　对第二类带电例子，不仅使气管带有较高电压、造成气管穿孔，虽危险，但只要安装人员在敷设埋地管道时小心，防止与电器设备接地线、接地体相碰，确保管道防腐绝缘良好，并保持一定距离，是可以避免气管道带电的。
　　对第三类带电例子，所带交流电压并不高，凡处带电气管道的测量值均不大于10伏，手摸气管虽有触电感，但远小于安全电压36伏，不会危及人身安全。
　　对于人身安全威协最大的是当气管道带电后，随时都有产生电火花的可能，一但室内气管道或燃气用具发生漏气，就有可能发生爆炸、火灾事故。
　　为杜绝上述危险，必须采取措施，严防气管道带电。
　　五、腐触问题
　　交流电的干扰腐触是一个十分复杂的问题，金属气管道带交流电后，当这些电流迭加在腐触的电化学原电池上时，相当于去极化剂的作用，从而减轻了阳极和阴极极化现象和电化学钝态。试验结果表明，不论是平均失重量或腐触坑深，都随着交流干扰电压、电流的增大而增加。但交流电比直流电引起的腐触小得多，一般认为只有同等强度直流电的1％或更小一些。
　　据有关资料报导，与数十公里长低压架空线平行的埋地管道，可产生十几伏甚至二十几伏的感应干扰电压，而城市架空供电线路与埋地管道平行长度，很少有数十公里的，实际上架空供电线路电力系统接地体对埋地管道的不良影响要轻许多。
　　为了避免地下钢管的腐触穿孔，国内一些研究单位经实验后认为：在含盐量小的弱碱性土壤条件下，交流干扰电压以不超过10伏为宜，中性土壤以不超过8伏为宜。这样即使在防腐绝缘遭受损坏的情况下，钢管腐触坑深也不会超过0.1毫米/年，可保证管道使用20-30年不穿孔[注1]。
　　如上所述，加于埋地气管道上的交流干扰电压虽然较低，一般是几伏或十几伏，但持续时间可能很长，因此其危害不可忽视。有的研究认为：持续交流干扰电压过高，若超过18伏，则会使氢的析出量增多，从而造成沥青绝缘层剥离[注2]，加快管道的腐蚀。另外，持续交流干扰电压，对采用了牺牲阳极或阴极保护管道的正常运行，都有不利影响。
　　六、防止带电措施
　　防止气管道带电，牵涉的方面较多，需采取综合措施才行，主要有以下措施：
　　1、在规划、设计时，必须保证埋地气管道与电力线路和电力系统接地体的安全距离，这是最根本、最可靠的方法。有关城市燃气设计规范只规定了埋地燃气管道与电力电缆和直埋通讯电缆的水平距离为1米，垂直距离为0.5米。据本文前面所述，仅此是不够的，还必须规定出埋地气管道与电力系统接地体(含接地联接线)的最小允许距离，其安全值参见附表。

　　埋地钢质管道与交流电接地体最小安全距离
电力线等级（千伏）
1.0
35
铁塔或电杆接地（米）
1.5
3.0
电站或变电所（米）
5.0
10.0

　　上表系油田气田管道防腐蚀工程设计规范所规定的安全距离，考虑到缄市条件的限制和低压配电系统等具体情况，对城市煤气工程，上表所列最小安全距离可减小。建议埋地管道与铁塔、电杆接地体距离不宜小于2米。
　　2、在搬运、敷设和回填等施工作业时，不仅要防止硬物碰坏绝缘层，还要教育施工人员要特别留心，严禁气管道靠近电力系统的接地体和埋地电力电缆，必须与其保持适当距离，这是防止气管道带电的基本条件。
　　3、凡埋地管道经过接地体的地段，气管道应作加强绝缘，这是防止管道带电的有效办法。
　　4、对用气户加强安全宣传工作，严禁将室内单相供电线路的零线或接地线与气管道相联接；气管与自来水管的间距须符合规定，管卡或管钉应牢固。
　　5、若由于多种原因，建议的安全距离未得到保证，或已造成交流电干扰，并且电压已超过10伏时，就需要采取排流措施以减轻影响。最简便的办法是采用直接排流法，即人工接地，使接地电阻尽量减小，以不超过2欧为宜，选用镀锌钢管作接地体为好。其次是采用极性排流法，埋设一组接地极，通过二极管接到管道上，这样既可降低干扰电压，又可利用交流干扰产生的负压，作为阴极保护，如图5所示。[注3]。

　　6、对已带电的低压气管道，在未从根本上消除电源前，为了用气户的安全，可在调压箱的低压侧法兰处，加绝缘垫子和套管，确保埋地管道的电流流到低压侧气管道。
二、燃气供气管道的雷电危害方式
1、 直击雷危害
对于架空或埋地的燃气管道遭受直接雷电袭击，闪电中的电压高达几万伏乃至十亿伏，及易导致管道被击穿所引起的危害，同时产生的机械效应或热效应，使燃气产生燃烧或爆炸伤人的事故。
2、感应雷危害
雷云在起电、移动和先导放电的过程中，对燃气供气管道产生静电感应，使之产生异号静电位，一旦雷云对地放电管道中的束缚电荷成为自由电荷，以冲击波的形式对称地向管道两端移动，电荷移动所形成的电流为雷电感应电压。
所谓感应雷主要分为两种：一种是雷云对电源/信号电缆产生等电荷量的静电感应，随着雷云的扩展，导体上逐渐感应出大量异性电荷。当雷云突然放电后，电缆内聚集的感应电荷在线路上产生瞬间浪涌（过电压），并沿着电源线、金属管道等进入户内而造成损害。
另一种是雷云放电时产生巨大的交变磁场（电磁脉冲），使其附近的导体内产生感应过电压，这种微秒至毫秒级的浪涌电压具有：速度快、幅值高的特点。
3、 雷电波侵入危害
雷电波侵入是指直击雷或感应雷沿燃气供气管道等金属的引入线引入建筑物内，发生闪击而造成的雷击事故。这种事故的发生率很高，而且往往事故又严重。综上所述，燃气供气管道的雷电危害方式主要有以上三种，无论直击雷还是雷电波侵入，其危害都远远大于雷电静电感应。而雷电静电感应可导致1mm 间隙产生电火花引爆可燃气体，因此对直击雷与雷电波侵入的危害可想而知。