雷擊干擾下，臨近管道工作人員存在接觸、跨步等電擊危險(xiǎn)，人員受到的電擊危害主要取決于電流大小和通電時(shí)間。與輸電線路穩(wěn)態(tài)、故障態(tài)干擾電流不同，雷擊電流的脈沖電流峰值更大、持續(xù)時(shí)間更短，對(duì)應(yīng)的人員安全電壓限值也發(fā)生改變。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于雷擊導(dǎo)致人身安全的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)多參考IEEE Std 80-2013和IEC/TR 60479等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)比IEEE Std 80和IEC/TR 60479系列標(biāo)準(zhǔn)可知，IEC/TR 60479細(xì)化地考量了人員阻抗、耐受電流及電流路徑的影響，且對(duì)于持續(xù)時(shí)間不超過(guò)10 ms的瞬態(tài)電流的電擊危害也進(jìn)行了考慮，因此該標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍更廣。常見(jiàn)雷擊波形為2.6/50 μs瞬態(tài)波形，其持續(xù)時(shí)間小于10 ms，為此雷擊下人員電擊危害的安全評(píng)估應(yīng)采用IEC/TR 60479。國(guó)標(biāo)GB/T 13870.2-2016《電流對(duì)人和家畜的效應(yīng) 第2部分：特殊情況》取標(biāo)IEC/TR 60479，其效能為等同采用。

雷擊電流人員安全標(biāo)準(zhǔn)限值采用GB/T 13870.2-2016標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值即左手到雙腳電流路徑下心室纖維性顫動(dòng)電流閾值，如圖1所示。圖1中曲線C1以下為無(wú)心室纖維性顫動(dòng)危險(xiǎn)；C1以上到C2為心室纖維性顫動(dòng)危險(xiǎn)小（概率達(dá)5%）；C2以上到C3為心室纖維性顫動(dòng)危險(xiǎn)中等（概率達(dá)50%）；C3以上為心室纖維性顫動(dòng)危險(xiǎn)大（概率大于50%）。其他電流路徑下雷擊電流人員安全標(biāo)準(zhǔn)限值應(yīng)參考表1中的心臟電流系數(shù)進(jìn)行修正。

圖1 脈沖持續(xù)時(shí)間小于10 ms時(shí)心室纖維性顫動(dòng)電流閾值

對(duì)一定厚度防腐蝕層施加電壓后，其束縛的電子在電場(chǎng)的作用下得到加速，并與其他原子碰撞釋放出更多電子，從而導(dǎo)致“雪崩”效應(yīng)使防腐蝕層被擊穿。防腐蝕層電氣擊穿是個(gè)復(fù)雜的現(xiàn)象，取決于電場(chǎng)強(qiáng)度，防腐蝕層厚度、均勻性等。有文獻(xiàn)指出引起聚乙烯防腐蝕層介電擊穿的電壓（防腐蝕層耐受電壓）為厚度與防腐蝕層電氣強(qiáng)度的積分值。擊穿防腐蝕層需要的峰值電壓比雷擊電流、輸電線路故障電流引起的瞬態(tài)脈沖電壓更高。通常，隨著電壓持續(xù)時(shí)間的減少，擊穿防腐蝕層所需電壓增大。還有文獻(xiàn)給出防腐蝕層瞬態(tài)擊穿電壓為穩(wěn)態(tài)電壓的2.5倍。

此外，各標(biāo)準(zhǔn)還給出了漏點(diǎn)電火花檢測(cè)電壓的計(jì)算辦法，以判斷管道防腐蝕層質(zhì)量。事實(shí)上，電火花撿漏電壓僅表征了針孔、縫隙、金屬夾雜的空氣耐受擊穿電壓或一定厚度防腐蝕層的電氣強(qiáng)度，該強(qiáng)度與防腐蝕層電氣強(qiáng)度存在一定差異。各標(biāo)準(zhǔn)中的防腐蝕層電火花檢漏電壓值小于防腐蝕層電氣強(qiáng)度值，鑒于兩者的差異，在最新標(biāo)準(zhǔn)NACE SP 0177-2019中關(guān)于防腐蝕層耐受電壓限值相關(guān)內(nèi)容已刪除。為此，本工作推薦采用2.5倍的防腐蝕層電氣強(qiáng)度計(jì)算雷擊下防腐蝕層耐受電壓，正常穩(wěn)態(tài)電壓下常見(jiàn)防腐蝕層的電氣強(qiáng)度見(jiàn)表2。

為了確保管道免于電弧風(fēng)險(xiǎn)，管道與電力線塔基礎(chǔ)或接地系統(tǒng)任何部分之間必須保持足夠的間隔，即安全間距。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)RD 34.21.122—1987指出該安全距離與土壤電阻率密切相關(guān)：土壤電阻率ρ≤100 Ω·m時(shí)，安全間距為5米；100 Ω·m＜ρ≤1000 Ω·m時(shí)，安全間距為5~14米。

國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的接地裝置與管道安全間距D的計(jì)算公式為：D=0.4Z（Z為塔桿瞬態(tài)阻抗），且D不得小于3米。GB/T 50698—2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》給出了不同輸電電壓等級(jí)下接地體與管道的安全間距。

事實(shí)上，雷擊電流不僅會(huì)使注入點(diǎn)附近土壤形成體積型離子化區(qū)域即發(fā)生“體積擊穿”，還會(huì)在擊穿梯度更低的遠(yuǎn)處土壤中形成“離散弧形通道”，使得安全間距成倍增大。針對(duì)該弧形通道，MOUSA給出了更為保守的安全間距計(jì)算公式，簡(jiǎn)稱Mousa公式：

式中：E₀為土壤離子化電場(chǎng)強(qiáng)度，取值300 kV/m；E_b為土壤的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，取值50 kV/m。

對(duì)于安全間距內(nèi)管道，加拿大電力協(xié)會(huì)（簡(jiǎn)稱CEA）認(rèn)為只有當(dāng)塔桿與管道間存在持續(xù)的電弧時(shí)才會(huì)引起管道的電損害。基于實(shí)驗(yàn)室土壤箱和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，CEA建立了雷電持續(xù)電弧距離D′（cm）與塔桿地電位升V（kV）間的線性回歸公式：V=5.801+0.0703 D′。

對(duì)于安全間距以外的管道應(yīng)考慮雷擊塔桿引發(fā)的閃絡(luò)電弧影響，管道位于閃絡(luò)電弧距離范圍時(shí)，管道存在電弧風(fēng)險(xiǎn)。為此，CEA也給出閃絡(luò)引起的最大電弧距離D"（cm）與塔桿地電位升間的線性回歸公式：V=18.01+0.1082 D″。

基于以上安全間距，可實(shí)現(xiàn)管道受雷擊電流損傷風(fēng)險(xiǎn)定性評(píng)估，即當(dāng)安全間距大于土壤離子化距離時(shí)，結(jié)合CEA回歸公式并考慮閃絡(luò)電弧風(fēng)險(xiǎn)；安全距離小于土壤離子化距離時(shí)，應(yīng)按CEA回歸公式確定安全距離。

為定量評(píng)估管道受雷擊干擾風(fēng)險(xiǎn)，有研究發(fā)現(xiàn)，管道融蝕區(qū)損傷情況與流入管道電流即雷擊電流存在較好的擬合關(guān)系，從而得到了管道雷擊電損傷定量評(píng)估公式：

式中：T為管壁燒蝕深度，mm；U²為雷擊下管道干擾電壓均值有效值，V；E_b取值為750 kV/m。

基于該回歸公式，可實(shí)現(xiàn)管道損傷定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，為管道安全提供參考。

人員受接觸、跨步電壓電危害時(shí)，回路電阻為人體內(nèi)阻與腳-大地接觸電阻之和。其中：接觸回路中總電阻為人體內(nèi)阻+1.5ρ（ρ為土壤電阻率，Ω·m），跨步回路中總電阻為人體內(nèi)阻+6.0ρ。根據(jù)GB/T 13870.1給出的人體內(nèi)阻統(tǒng)計(jì)表，本案例中人體內(nèi)阻取值為500 Ω。為此，人員接觸電擊危害回路總阻值為575 Ω，跨步電擊危害回路總阻值為800 Ω。雷擊塔桿后，管道沿線特征點(diǎn)位置處人員接觸電壓、跨步電壓如圖5所示。

(a) 接觸電壓

(b) 跨步電壓

圖5 接觸電壓、跨步電壓與時(shí)間的曲線

從圖5可以看出：接觸、跨步電壓隨時(shí)間逐漸衰減，距雷擊桿塔接地距離越遠(yuǎn)，接觸電壓、跨步電壓峰值越小，人體回路電流越小，人員觸電風(fēng)險(xiǎn)減小。基于接觸電壓、跨步電壓與人體回路電阻計(jì)算流經(jīng)人體回路均值電流有效值I_rms的公式如下：

式中：R_b為與人體電阻串聯(lián)后回路總電阻阻值，Ω；V_b為人體電壓（接觸電壓或跨步電壓），V。

結(jié)果表明，雷擊干擾下管道特征位置B2處接觸電壓、跨步電壓峰值均最大，流經(jīng)人體內(nèi)的電流也最大，接觸電壓引起的人體電流為1316.9 mA，跨步電壓引起的人體電流為251.8 mA。

管道沿線不同位置人員電安全風(fēng)險(xiǎn)情況如圖6所示，可以看出雷擊干擾下管道距桿塔接地最近特征點(diǎn)位置處流經(jīng)人員人體的均值電流遠(yuǎn)小于心室纖維性顫動(dòng)閾值、均位于C1以下，人員無(wú)心室纖維性顫動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，人員電危害風(fēng)險(xiǎn)小。

圖6 人員人身安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)圖譜

圖7為雷擊干擾下管道特征觀測(cè)點(diǎn)位置防腐蝕層耐受電壓分布，可以看出防腐蝕層耐受電壓峰值（2090 V）遠(yuǎn)小于3PE層電氣絕緣強(qiáng)度（25 MV/m），防腐蝕層被雷擊電流擊穿的風(fēng)險(xiǎn)小。

圖7 雷擊干擾下管道防腐蝕層耐受電壓分布

基于上小節(jié)中防腐層損傷風(fēng)險(xiǎn)可以看出，管道防腐蝕層受雷擊擊穿風(fēng)險(xiǎn)小，理論上此時(shí)3PE層保護(hù)下的管道發(fā)生雷擊電損傷風(fēng)險(xiǎn)也小。考慮到管道防腐蝕層可能存在劃傷、過(guò)薄甚至漏點(diǎn)等情況，雷擊干擾下管道損傷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估仍參考安全間距定性評(píng)估辦法與定量評(píng)估辦法進(jìn)行。

土壤電阻率取值為50 Ω·m，Sunde離子化半徑取值5.66 m，根據(jù)Mousa公式計(jì)算得到Mousa離子化距離為11.4 m。圖8為塔桿接地系統(tǒng)地電位升圖譜，圖9為管道特征點(diǎn)位置管地電位。

圖8 塔桿接地系統(tǒng)地電位升

圖9 管道特征點(diǎn)處管地電位

根據(jù)塔桿地電位升峰值，計(jì)算得到持續(xù)電弧間距為2.13 m、閃絡(luò)電弧距離為1.27 m；根據(jù)管地電位峰值與管道雷擊電損傷定量評(píng)估回歸公式，計(jì)算得到各觀測(cè)點(diǎn)位置管道雷擊損傷深度。管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果如表4所示。可知管道觀測(cè)點(diǎn)均位于Sunde離子化距離外，但B2點(diǎn)位于Mousa離子化距離內(nèi)，基于塔桿電位升和CEA關(guān)于持續(xù)電弧、閃絡(luò)電弧距離評(píng)估辦法對(duì)管道安全距離進(jìn)行了評(píng)估，觀測(cè)點(diǎn)均滿足安全間距要求，其雷擊損傷風(fēng)險(xiǎn)小；基于CEA燒蝕數(shù)據(jù)回歸方程得到的定量腐蝕評(píng)價(jià)結(jié)果，顯示其引起的最大燒蝕深度為0.14 mm（0.88%壁厚），滿足管道安全運(yùn)行強(qiáng)度要求。