Условия работы электрической изоляции фланцевых соединений газопроводов природного газа при аварийных режимах работы системы катодной защиты

Один из способов электрохимической защиты металлических трубопроводов от коррозии состоит в увеличении их продольного сопротивления с помощью изолирующих фланцевых соединений (ИФС). В соответствии с [1] ИФС устанавливаются, помимо прочего, на вводе газопроводов в здания, где возможен электрический контакт газопровода с землей через металлические конструкции здания и инженерные сети.

За последние пять лет государственными газоснабжающими организациями, входящими в систему ГПО «Белтопгаз», при эксплуатации газораспределительных сетей индивидуального жилого фонда граждан были зафиксированы несколько случаев возгорания жилых домов, обусловленных утечкой газа в ИФС, установленных на вводах газопроводов к этим домам. Одной из причин воспламенения газа в области его утечки можно считать электрический пробой изоляции ИФС, сопровождающийся искрой.

Обзор научных публикаций по данной проблематике [2] показал, что исследования условий пробоя ИФС практически не проводятся. В основном внимание сосредоточено на совершенствовании методов выявления и идентификации повреждений изоляционного покрытия подземных нефтегазопроводов [2], [3].

Вероятными причинами пробоя ИФС могут быть нарушения в работе газораспределительной системы со стороны источника газоснабжения (например, аварийный режим работы станции катодной защиты (СКЗ)), а также со стороны потребителя (к примеру, пробой электрической изоляции газовых устройств, имеющих систему электророзжига). Кроме того, пробой изоляции ИФС также вероятен в случаях атмосферных перенапряжений в результате попадания молнии в элементы газораспределительной системы.

Было проведено изучение условий пробоя электрической изоляции фланцевых соединений вводного газопровода [4] при аварийных режимах работы системы катодной защиты.

Разработка схемы замещения

Предварительно в ОАО «Минский электротехнический завод имени В. И. Козлова» были проведены электрические испытания ИФС с различными типами изоляции. В результате установлено, что пробой прокладок из паронита наступает при напряжении 2,85 кВ, а прокладок из фторопласта — при 5,15 кВ (табл. 1). Испытание проводилось повышенным напряжением промышленной частоты.

Табл. 1. Результаты испытаний изолирующих фланцевых соединений

Для проведения вычислительных экспериментов, имитирующих анормальный режим работы СКЗ, способный привести к электрическому пробою ИФС, была составлена схема замещения участка газораспределительной системы, включающая элементы, оказывающие влияние на условия работы изоляции ИФС.

Рассматриваемый участок газораспределительной сети (рис. 1) включает: СКЗ 1; участок распределительного газопровода низкого давления 2 от СКЗ до места присоединения к нему газопровода-ввода длиной l₁; участок газопровода 3 от места присоединения к распределительному газопроводу до ИФС длиной l₂; ИФС 4; участок газопровода  5 от ИФС до газоиспользующего устройства длиной l₃; газоиспользующее устройство 6.

Рис. 1. Функциональная схема газоснабжения жилого дома: 1 — СКЗ; 2 — распределительный газопровод; 3 — газопровод-ввод; 4 — ИФС; 5 — вводной газопровод; 6 — газоиспользующее устройство

Рассмотрим аварийный режим работы газораспределительной системы наружного газопровода, характеризующийся переходом первичного напряжения понижающего трансформатора станции катодной защиты на вторичную сторону с одновременным пробоем выпрямительных элементов выпрямительной установки. Будем считать, что при переходе первичного напряжения понижающего трансформатора СКЗ на вторичную сторону, с одновременным пробоем выпрямительных элементов выпрямительной установки, на стальном газопроводе появится потенциал 220 В относительно земли.

Данный аварийный режим работы газораспределительной системы будет моделироваться схемой замещения, приведенной на рис. 2.

Рис. 2. Схема замещения аварийного режима работы газораспределительной системы

Описание параметров схемы замещения приведено в табл. 2.

 Табл. 2. Параметры схемы замещения

В схеме замещения СКЗ, работающей в аварийном режиме, представим реальным источником ЭДС, внутреннее сопротивление которого, будем предполагать, равно внутреннему сопротивлению электрической сети 0,4 кВ (ориентировочно R_СКЗ = 0,5 Ом, L_СКЗ = 0,3 мГн).

Расчет активных сопротивлений трубопроводов газораспределительной системы R_р.г, R_г.в, R_в.г проведем, считая, что они изготовлены из конструкционной стали со значением удельного электрического сопротивления 0,14 мкОм·м [5].

Значения L_р.г, L_г.в, L_в.г рассчитаем по формуле для индуктивности полого прямолинейного проводника [6].

При определении параметров схемы замещения участков газопровода примем, что l₁ может изменяться в диапазоне от 1 до 10 км, l₂ = 10 м, l₃ = 10 м, общая протяженность распределительного газопровода изменяется в диапазоне от 10 до 50 км.

Общую емкость всех электрически соединенных участков распределительного газопровода С_р.г определим как сумму емкостей отдельных газопроводов по формуле цилиндрического конденсатора [7].

Для проведения исследований РУП «Гомельоблгаз» были предоставлены различные образцы изоляции ИФС. Значения R_ИФС и С_ИФС образцов были определены опытным путем с помощью измерителя иммитанса Е7-14. Результаты измерений приведены в табл. 3.

Табл. 3. Результаты измерений электрических параметров ИФС

При определении параметров изоляции газоиспользующих устройств между газопроводом и электрической частью этих устройств будем считать, что в нормальных условиях между газопроводом и электропроводкой потребителя находится воздух, а электропроводка проложена параллельно газопроводу, идущему от ИФС до потребителя, на расстоянии 0,1 м от трубопровода.

Значение Е_г.у примем равным фазному напряжению электрической сети потребителя, т. е. 220 В.

Согласно ПУЭ металлические трубы газоснабжения должны быть присоединены к системе уравнивания потенциалов. Причем если трубопровод газоснабжения имеет изолирующую вставку на вводе в здание, к основной системе уравнивания потенциалов присоединяется только та часть трубопровода, которая находится относительно изолирующей вставки со стороны здания. В схеме замещения данное требование учтено путем введения активного сопротивления R_з. В соответствии с [8] примем значение сопротивления заземления R_з равным 10 Ом.

Значения инвариантных параметров схемы замещения, использованные для имитационного моделирования, приведены в табл. 4.

Табл. 4. Значения параметров схемы замещения

Результаты расчета

В результате проведенных расчетов и анализа полученных данных выяснили следующее.

Значение напряжения на ИФС при аварийных режимах работы системы катодной защиты определяется расстоянием от ближайшей станции катодной защиты до ответвления от газопровода в рассматриваемый жилой дом. Чем меньше расстояние, тем выше значение напряжения на ИФС (табл. 5).

Табл. 5. Расчет напряжения на ИФС для различных значений расстояния от ближайшей станции катодной защиты до ответвления от газопровода в рассматриваемый жилой дом

Примечание. Расчет проведен для общей протяженности распределительного газопровода равной 40 км.

Значение напряжения на ИФС при аварийных режимах работы системы катодной защиты зависит от принятых потребителем мер защиты от поражения электрическим током при косвенном прикосновении. В случае присоединения трубопровода газоснабжения к системе уравнивания потенциалов значение напряжения на ИФС будет увеличиваться (табл. 6).

Значение напряжения на ИФС при аварийных режимах работы системы катодной защиты зависит от топологии газораспределительной системы. При определенном соотношении параметров схемы замещения газораспределительной системы может возникнуть резонанс напряжения. В этом случае напряжение на ИФС может достигнуть критического значения (десятков киловольт), при котором вероятен пробой изоляции (табл. 6).

Табл. 6. Результаты расчетов при наличии резонансных явлений

Примечание. Расчеты проведены для l₁ = 1000 м и общей протяженности распределительного газопровода равной 24 050 м.

Резонанс возможен при выполнении следующего условия:

где ω — угловая частота сети; L_уд, C_уд — удельные значения индуктивности и емкости распределительного газопровода; L_общ — общая протяженность распределительного газопровода.

Заключение

Следует отметить, что в работе определены необходимые, но не достаточные условия для воспламенения газа в области его утечки из ИФС. Были определены только условия пробоя изоляции ИФС, который сопровождается образованием искры, что в свою очередь может привести к воспламенению газовой смеси лишь при превышении минимальной мощности воспламенения искры и достаточной концентрации газа в области воспламенения. Проведенные расчеты являются приближенными, так как при моделировании и расчетах параметров схемы замещения были приняты ряд упрощений и допущений: например, в схеме замещения не учитывалась среда, в которой находится газопровод (сопротивлением грунта и воздуха пренебрегали), пренебрегали активным сопротивлением изоляции газоиспользующих устройств между газопроводом и электрической частью этих устройств (считали, что оно бесконечно велико), не учитывали емкость газопровода-ввода и вводного газопровода и т. п.

Для уменьшения вероятности пробоя ИФС можно предложить следующие мероприятия:

1. при проектировании газораспределительных систем следует проводить дополнительные расчеты по определению резонанса напряжений на ИФС потребителей и принимать меры для исключения таких явлений;
2. в качестве вводного газопровода следует использовать пластиковые трубопроводы, не присоединяя их и газовые устройства к системе выравнивания потенциалов;
3. при эксплуатации газораспределительных систем следует принимать меры для исключения аварийного режима работы СКЗ, сопровождающегося переходом первичного напряжения понижающего трансформатора СКЗ на вторичную сторону с одновременным перекрытием выпрямительных элементов выпрямительной установки, например, применять быстродействующие защиты от повышения тока и повышения напряжения со стороны СКЗ;
4. величина значения напряжения на ИФС зависит от типа изоляции фланцевого соединения;
5. наибольшие значения напряжения при моделировании наблюдались для ИФС типа ИФС д. 32 с изолирующей прокладкой из фторопласта Ду-32, а также ИФС д. 50 с изолирующей прокладкой из фторопласта Ду-60 (см. табл. 6).

Список литературы 

1. ТКП 45-4.03-267–2012 (02250) Газораспределение и газопотребление. Строительные нормы проектирования. — Минск: Минстройархитектуры, 2012. — 97 с.
2. Надежность и безопасность магистрального трубопроводного транспорта : материалы VII Междунар. науч.-техн. конф., Новополоцк, 22–25 ноября 2011 г. / Полоц. гос. ун-т; под общ. ред. д-ра техн. наук, проф. В. К. Липского. — Новополоцк, 2011. — 292 с.
3. Цих В. С. Проблеми безконтактного виявлення та ідентифікації дефектів підземних нафтогазопроводів з поверхні землі / В. С. Цих, А. В. Яворський, С. П. Ващишак // Науковий вісник ІФНТУНГ. 2011. № 3 (29). — С. 104–111.
4. Правила промышленной безопасности в области газоснабжения Республики Беларусь. — Минск: Энергопресс, 2014. — 262 с.
5. Богородицкий Н. П. Электротехнические материалы: учеб. для вузов / Н. П. Богородицкий, В. В. Пасынков, Б. М. Тареев. — Л.: Энергоатомиздат, 1985. — 304 с.
6. Калантаров П. Л. Расчет индуктивностей / П. Л. Калантаров, Л. А. Цейтлин. — Л.: Энергоатомиздат, 1986. — 488 с.
7. Яворский Б. М. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов / Б. М. Яворский, А. А. Детлаф, А. К. Лебедев. — М.: Оникс, 2008. — 1056 с.
8. ТКП 339–2011 Электроустановки на напряжение до 750 кВ. — Минск: Филиал «Информ.-издат. центр» ОАО «Экономэнерго», 2011. — 593 с.