強電線路下的陰極保護管道交流干擾防護措施

茅斌輝,王勝炎,胡士信,阮景紅

(1. 杭州市城鄉建設設計院有限公司，杭州 310004； 2. NACE上海中國分會，上海 200120；3. 北京安科管道工程科技有限公司，北京 100083)

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強電線路下的陰極保護管道交流干擾防護措施

茅斌輝1,王勝炎1,胡士信2,阮景紅3

(1. 杭州市城鄉建設設計院有限公司，杭州 310004； 2. NACE上海中國分會，上海 200120；3. 北京安科管道工程科技有限公司，北京 100083)

在總結國內外最新交流干擾防護措施及工程實踐的基礎上，指出固態去耦合器接地是目前強電線路下的陰極保護管道減輕交流干擾和抗強電沖擊有效措施，實踐中各種排流設備因檢驗手段和檢測標準的缺失存在的風險也是不容忽視的問題。

強電線路；陰極保護；交流干擾；防護措施;固態去耦合器

隨著經濟建設的迅速發展，能源、電力、電氣化鐵路運輸系統等行業也隨之都得到極大的發展。各線路管道本身遵循路由擇優的原則，同時受到土地資源等外部因素的制約，出現了大量埋地鋼質管道與架空的高壓交流輸電線路、交流電氣化鐵路等強電線路平行或交叉的情況，甚至在局部地區集中在一個“公共走廊”中[1]。管道防腐蝕層和陰極保護聯合保護是被公認的最有效的管道防腐蝕措施，但當實施了陰極保護的埋地鋼質管道緊挨著強電線路敷設時，管道防腐蝕層和陰極保護系統都可能遭受到交流干擾腐蝕的破壞，從而威脅埋地管道的長期安全可靠運行。緩解交流干擾影響的措施有很多，大部分都在實踐中獲得了成功應用。但是對于實施陰極保護的埋地鋼質管道而言，應重點考慮防護措施不能與管道的陰極保護相沖突，以免影響到陰極保護系統的保護范圍和效果。

1 交流干擾防護設計

對于已建管道需應進行管道交流干擾電壓、交流電流密度和土壤電阻率等參數的現場測量。對于處于設計階段的管道在可能遇到強電線路交流干擾(包括干擾源未運行)的情況時，在管道陰極保護設計的同時應考慮交流干擾的防護設計，對干擾源正常和故障條件下管道可能受到的交流干擾進行計算。交流干擾防護系統設計可按國際大電網委員會(CIGRE)報告《高壓電力系統對金屬管線的影響導則-1995》進行計算或采用一些專用軟件進行建模計算分析，如CDEGS軟件等[2]。同時，對于已建管道也可以采用軟件進行計算分析。對已實施陰極保護管道的交流干擾防護理論公式和軟件排流設計流程如下。

(a) 理論設計公式:基礎資料收集及現場測量→確定接地地床安裝位置→根據交流干擾緩減目標值、結合強電線路相序、現場測試參數計算地床目標接地電阻→根據現場環境確定地床安裝方式→結合陰極保護系統，選擇地床材料→結合陰極保護系統，選擇地床材料→根據地床目標接地電阻、安裝方式，確定地床材料規格→出施工圖和技術規格書。

(b) 軟件設計:基礎資料收集及現場測量→管道交流干擾模型的建立→管道交流干擾緩解地床設計計算→管道交流干擾緩解地床形式對比→確定管道交流干擾緩解方案→出施工圖和技術規格書。

2 交流干擾防護措施

根據調查和測試計算結果，對處于嚴重交流干擾影響下的埋地管道，必須采取一定的防護措施，對于埋地管道的交流干擾防護主要可以從設計上遠離干擾源、接地排流、電屏蔽、隔離等這幾個方面進行考慮。

2.1 增加埋地管道與強電線路的間距

圖1 增加管道和平行高壓線最外側相線的距離對干擾電壓的影響Fig. 1 The effect of increasing the distance between pipeline and parallel outermost phase lines

《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》(GB/T 50698-2011)第4.1.1和5.1.5條款分別規定了埋地管道與強電線路需進行干擾調查測試的距離要求及管道與高壓交流輸電線路的最小距離要求。增加埋地管道與強電線路的間距，可有效減小管道上的交流干擾電壓。從圖1可見，通過增加管道和平行高壓線最外側相線的距離，平行間距由20 m增加至100 m，交流干擾電壓最大值(位于管道與高壓輸電線路拐點處)下降約62.5%。管道設計人員在路由的選擇時都考慮到了盡可能避免或遠離強電線路干擾源，但在很多情況下，地管道不得不與高壓輸電線路、電氣化鐵路共用同一“公共走廊”，實際工程應用中該方案還是很難實現。對于在已建管道沿線后建設的強電線路或管道與強電線路同步建設的情況，可以考慮從干擾源側采取一定的防護措施盡可能減少對我方管道的交流干擾。文獻[3]介紹了強電線路一側可以采取的措施，具體包括：交流電氣化鐵路可采用回流變壓器或自耦變壓器的供電方式；對稱高壓輸電線可減少中心點接地數目，限制短路電流或經電阻、電抗接地，增加屏蔽和導線換位等；220 kV高壓線為減少幾何不對稱形成的干擾電壓，建議采用貓形鐵塔；電氣化鐵路存在阻性耦合的地段，建議加強鐵軌與枕木間的絕緣，以減少入地電流。

2.2 管道接地排流

在管道持續干擾的防護措施中，接地排流是被廣泛采用并行之有效的措施。但是對于實施陰極保護的埋地鋼質管道而言，應特別考慮的是接地系統不能與管道的陰極保護相沖突，從而影響到陰極保護系統的保護范圍和效果。管道排流方式根據不同的接地方式分為直接排流、負電位排流和隔直排流三種(注：隔直接地在GB/T 50698-2011寫法為固態去耦合器接地，為避免和后面隔直裝置名稱混淆，沿用隔直接地表述)。

直接排流接地極通過排流導線與管道直接連接。接地極接地電阻必須顯著小于管道接地電阻，否則會影響排流效果。接地材料通常為鋼質，適用于陰極保護站保護范圍小的被干擾管道。這種排流裝置具有簡單、經濟，減輕干擾效果好等特點。但是對于采用陰極保護系統的長距離管線來說并不適合，同時采用直接接地會造成陰極保護電流的流失，加快犧牲陽極的消耗或增大外加陰極保護電源的輸出功率。因此，工程實踐中很少采用。

負電位排流即采用犧牲陽極作為接地極，適用于受干擾區域管道與強制電流保護段電隔離，且土壤環境適宜于采用犧牲陽極陰極保護的干擾管道。具有減輕干擾效果好、向管道提供陰極保護的優點；缺點是接地極與管道直接連接時進行瞬間斷電測量與評價陰極保護有效性實施困難。同時需要注意的是，強電交流干擾情況下如果造成犧牲陽極極性逆轉，反而加速管道的腐蝕。同時，試驗表明[4]用于緩解交流干擾的犧牲陽極的效率(失重和理論值比值)隨交流干擾增加而明顯降低，當交流電流密度高于7 A/m2時，鎂陽極的消耗速率增加大約10倍。

隔直排流是指在埋地管道和接地極之間安裝隔離直流電裝置的措施，防止陰極保護電流的流失。因為對于實施陰極保護的埋地管道，通過接地雖然可以直接將感應產生的交流電流排出管道，但它同時會對陰極保護系統產生導致直流保護電流流失的重要影響。隔離直流電裝置包括極化電池、鉗位式排流器、固態去耦合器等。目前國內交流排流用的較多的是固態去耦合器和鉗位式排流器。表1為固態去耦合器和鉗位式排流器優缺點比較。

表1 固態去耦合器和鉗位式排流器優缺點比較

固態去耦合器接地是NACE SP0177-2007[6]中給出的方法，在國外減緩交流干擾工程中應用普遍，同時近年來在國內大型長輸管道工程也得到了成功應用。固態去耦合器具有較好的抗雷電與故障電流沖擊性能,常用于管道、絕緣裝置等故障電流和雷電干擾的防護,但是實踐中仍存在一些問題。

目前國內外對于固態去耦合器，包括鉗位式排流器等設備仍缺少相應的檢驗手段和檢測標準。國內外產品質量參差不齊，同時又缺乏對相關產品性能長期的跟蹤測試和評價，無法或不會對產品性能質量進行判斷。出現故障情況時，也很難做到及時維修。因此，關于排流設備的檢測檢驗的相關標準應盡快制定并出臺。

排流點位置很大程度上決定了排流效果。實踐中對于固態去耦合器的作用距離的初步研究發現，單一的固態去耦合器雖然能降低排流點附近的交流干擾電壓，但卻能使得排流點遠處附近的交流干擾電壓升高，部分管段甚至升高較大[7]。因此，在管道的交流排流中，應綜合現場的干擾情況，有原則地采用固態去耦合器，才能達到交流減緩的要求。建議排流實施有條件時應采取分步設計與施工，輔以同步測試的方法，根據排流后確定下一個排流點的施加位置。

固態去耦合器排流對接地材料的要求較低，只要接地電阻滿足相關要求即可，不過國外的經驗告訴我們去耦合器的故障為短路狀態，所以要考慮接地極材料的選用[5]。但需要注意的是，接地極施工時不能碰到高壓輸電線路的桿塔、變電站或通信鐵塔、大型建筑的接地體上，因為在雷電或者高壓輸電故障時，容易將故障電流引至管道。

2.3 電屏蔽

屏蔽往往用于電力故障或雷電情況下減輕強電沖擊對管道防腐層和管道本體的影響。通常在管道鄰近架空輸電線路桿塔、變電站或通訊鐵塔、大型建筑的接地體的局部位置處，可沿管道平行敷設一根或多根淺埋接地線作屏蔽體。強電沖擊防護措施有多種，目前在國內外應用最廣泛也是最有效的措施就是對管道實施電屏蔽防護。目前，國內外最常采用的屏蔽措施是在管道與鐵塔接地之間沿管道平行敷設1根屏蔽線(推薦采用鋅帶)，同時屏蔽線與管道最好通過接地電池或固態去耦合器連接。

屏蔽線的效果與土壤電阻有很大關系，特別是北方地區，屏蔽線埋設在冰凍線以上，常因凍土中水體、濕地障礙造成屏蔽線間斷使得屏蔽線效果大打折扣。Ruan等[8]研究后發現，當凍土電阻隨深度呈指數降低時，屏蔽線的防護效果相對較好，屏蔽線間斷距離越長，防護效果越差，但總體影響不大。因此，屏蔽線敷設時應對埋設地段土壤電阻隨深度的變化情況及障礙情況進行調查分析，從而確定最佳的鋪設方式和路線。

2.4 安裝絕緣接頭分段隔離

絕緣接頭在陰極保護中往往用于實現被保護結構物或保護區段與非保護區段的電絕緣。然而在減緩交流干擾，在受到交流干擾的管段上安裝絕緣接頭，可中斷管線電連續性、減小受干擾管段的長度，從而減小管線上的交流感應電壓最大值。特別對于外加電流陰極保護管段來說，要求管道全線具有電連續性，這與安裝絕緣接頭中斷電連續性獲得較短的導電區段又是相悖的。同時增加絕緣接頭特別在干線上也會給管道本身的運行、管理帶來不便，絕緣接頭本身還需采用接地電池或避雷器等保護裝置。因此，對于外加電流陰極保護管道應謹慎采用安裝絕緣接頭分段隔離措施。

除上述提到的交流干擾防護措施外，文獻[9]還提出了外加交流電源的交流感應電壓補償法、更換土壤法以及安裝平行極等措施。但這些措施不是實施難度大、成本高，就是長期使用效果不理想而沒有得到廣泛的應用。因此，從目前實踐來看，強電線路下陰極保護管道采取固態去耦合器接地排流和屏蔽保護分別是緩減管道持續交流干擾和強電沖擊的有效措施。

3 交流干擾防護實踐

3.1 工程概況

浙江寧波境內某天然氣輸氣管道管線在2條500 kV架空高壓交流輸電線線路中間平行敷設約5.2 km；與1條220 kV高壓線平行敷設約2 km。高壓線塔接地與管道距離較近，交流輸電線路對管線造成干擾。設計采用理論公式方法進行，確定鉗位式排流器/固態去耦合器+地床相結合的交流干擾排流措施。

3.2 檢測結果

工程實施完成后，對管道1～18號測試樁排流前和排流后的交流干擾電壓和排流后的交流電流密度進行測試，測試結果見表2。

由表2可見，排流前管道的最高交流電壓能達到47.65 V，其中有7處的交流干擾電壓高于15 V(管線操作人員操作安全電壓)，在1～10號樁及14號樁安裝排流后(其余樁未安裝排流設施)，交流電壓均下降較多，管道最高的交流電壓只有7.9 V，表明交流排流效果較好。在全線排流器連通時，測試的18處排流后交流干擾電壓中有5處高于4 V，分別為1號、2號、7號、8號和9號處，這5處的土壤電阻率均小于25 Ω·m，根據GB/T 50698-2011標準中4.1.2交流干擾防護效果要求，土壤電阻率小于25 Ω·m處的管道交流干擾電壓應低于4 V，表明以上5處交流干擾防護效果均未達到標準的要求，且這5處的交流電流密度均高于30 A/m2，根據標準要求，這5處應采取進一步的排流措施。

對11處的排流器性能進行測試，測試結果見表3。

由表3可見，在所有排流器都接通時，每個排流器的排流量均在45 A電流范圍內，排流器的交流排流能力良好，但是8號和9號的排流量較大，接近了去耦合器參數規定的45 A。將所有排流器都斷開時，分別測試每個位置的排流電流時，其中8號樁的排流量為45.6 A，超過了去耦合器的規定的穩態電流，9號樁和1號樁的排流量也接近45 A。測試結果表明，去耦合器兩端的電位差均在±2 V之間，其中只有2臺耦合器(4號和8號)的直流漏流量小于等于1 mA，其他位置排流器的直流漏流量大于1 mA，不符合排流器參數要求，其中7號和9號的內阻小，接近于直流短路，沒有隔離直流電流的能力。測試3處的鉗位式排流器的交流排流效果良好，但是直流漏流量較大，這可能與測量時間相關聯。

表2 管道交流干擾測試結果

表3 排流器的交流排流量和直流漏流量測試結果

3.3 改進措施

根據檢測結果，后對該方案采取了相關的改進措施：

(1) 根據檢測結果，管道交流排流后，有5處土壤電阻率小于25 Ω·m，交流電壓高于4 V(實測排流后5處交流電壓為4～8 V)，不滿足GB/T 50698-2011要求。因此，結合現場實際，在1號與2號之間、8號與9號之間分別增加一處排流點。

(2) 對之前檢測存在問題的6臺去耦合器進行了更換，此次全部采用進口產品，同時耦合器產品發熱量大的問題基本解決。

從改進措施后現場檢測的結果看全線陰極保護電位均在-850～-1 200 mV之間，陰極保護效果良好，強電干擾段交流感應電壓也均低于規范的4 V要求。

4 結論及建議

(1) 對于處于設計階段的管道在可能遇到強電線路交流干擾(包括干擾源未運行)的情況時，在管道陰極保護設計的同時應考慮交流干擾的防護設計，可采用理論公式或專業軟件進行設計。

(2) 從目前實踐來看，強電線路下陰極保護管道采取固態去耦合器接地排流是緩減管道持續交流干擾和強電沖擊的有效措施。但實踐中各種排流設備因檢驗手段和檢測標準的缺失存在的風險也是不容忽視的問題。因此，建議關于排流設備的檢測檢驗的相關標準應盡快制定并出臺。

(3) 建議排流實施有條件時應采取分步設計與施工，輔以同步測試的方法，根據排流后確定下一個排流點的施加位置。

[1] 胡士信. 陰極保護工程手冊[M]． 北京：化學工業出版社，1999．

[2] GB/T 50698-2011 埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準[S]．

[3] 李自立，孫云峰，劉靜，等． 埋地油氣管道交流干擾腐蝕及防護研究進展[J]． 腐蝕科學與防護技術,2012，24(2)：376-380．

[4] 胡士信，路民旭，杜艷霞，等． 管道交流腐蝕的新觀點[J]． 腐蝕與防護,2010，31(6)：419-424．

[5] Allen,Robert F. Determining The effects on pipelines built In electric transmission ROW[J]. Pipeline & Gas Journal,2001,2:205-210.

[6] NACE SP0177-2007 Standard practice mitigation of alternating current and lightning effects on metallic structures and corrosion control systems[S].

[7] 滕延平，李熙，蔡培培，等． 去耦合器排流技術在管道交流干擾減緩中的應用[J]． 管道技術與設備,2011(5)：27-29．

[8] RUAN W,SOUTHEY R D,TEE S. Recent advances in the modeling and mitigation of AC interference in pipelines[C]//Corrosion 2007,Houston:NACE,2007.

[9] CEOCOR-2001 Booklet on:A.c.corrosion on buried metallic pipeline-guidelines for risk assessment and mitigation measures[S].

Protection of Alternating Current Interference to Cathodically Proteceded Pipelines under Power Transmission Lines

MAO Bin-hui1, WANG Sheng-yan1, HU Shi-xin2, RUAN Jing-hong3

(1. Hangzhou Urban & Rural Construction Design Institute Co., Ltd., Hangzhou 310004， China; 2. NACE Shanghai China Section, Shanghai 200120, China; 3. Beijing Safetech Pipeline Co., Ltd., Beijing 100083, China)

Power transmission lines can cause alternating current interference corrosion of buried pipelines when they share a “public corridor” with the pipelines. On basis of summarizing the practice of alternating current interference protection at home and abroad, the article points out that solid-state decoupler earthing is the most effective measures for reducing alternating current interference and resisting strong electric shock. Nevertheless, the risks of various drainage arrangements due to the lack of testing instruments and standards can not be neglected in practice.

power transmission line； cathodic protection； alternating current interference； protective measure； solid-state decoupler

2014-07-15

茅斌輝(1985-),工程師,碩士,從事城市燃氣領域管道腐蝕與防護的相關設計、研究工作,18606600421,maobhmail@163.com

TG174

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1005-748X(2015)03-0281-05