直流接地極影響地下金屬管道問題研究

陳海焱，劉小強

(1.電力規劃設計總院，北京 100120；2.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085)

直流接地極影響地下金屬管道問題研究

陳海焱1，劉小強2

(1.電力規劃設計總院，北京 100120；2.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085)

接地極是高壓直流輸電工程的重要組成部分。近年來，直流接地極影響地下金屬管道的問題受到了廣泛關注，本文主要對該領域的研究現狀進行綜述，指出目前直流接地極影響地下金屬管道的機理以及防治措施研究過程中迫切需要解決的問題，并對該領域今后應該進一步深入研究的方向提出了若干建議。

高壓直流輸電；接地極；金屬管道；腐蝕；陰極保護。

1 概述

當直流輸電工程采用單極大地運行方式時，接地極入地電流將會使得接地極附近大地電位升高，一方面可能使直流電流流過具有接地系統的電氣設施，從而影響電氣設施的正常運行，另一方面還可能導致極址周圍地下金屬管道產生電腐蝕或者陰極保護運行異常等問題。對于前者，接地極的影響主要體現在直流偏磁問題，該問題在電力行業已得到了相當重視，治理措施方面也取得了一定的工程經驗。而對后者來說，接地極地電流對地下金屬管道的影響缺乏快速評估和有效治理的方法，而且由于金屬管道大多埋設在地下，在接地極的工程建設中往往容易忽視，這給當前電力部門的直流輸電工程建設留下了安全隱患。

在國內建成的直流輸電工程中，已經出現多起接地極影響周邊地下油氣輸送管道設施的案例，如：溪洛渡送電廣東±500 kV直流輸電工程、向家壩－上海特高壓直流輸電工程、三峽－上海±500 kV直流工程等，這些事故暴露出直流接地極影響油氣輸送管道的分析計算還存在較大的局限性，迫切需要從機理上進行更加深入的研究，并從工程上提出有效的防范措施。

近年來，直流接地極影響地下金屬管道的問題受到了廣泛關注，本文主要對該領域的最新研究情況進行綜述，指出目前直流接地極影響地下金屬管道的機理與防治措施研究過程中迫切需要解決的問題，并對該領域今后應該進一步深入研究的方向提出了若干建議。

2 國內研究現狀

有關直流接地極對地下金屬管道的影響國內已開展了一些理論計算和研究，大多集中在埋地金屬管道腐蝕、陰極保護運行、最小保護距離等方面。

2.1 金屬管道腐蝕研究

從已有的文獻和標準來看，評價金屬管道腐蝕程度時一般采用兩個重要參數：管道泄漏電流密度和土壤地電位梯度(反映的是土壤中流動的雜散電流的強弱)。國內近期經過修訂發布的電力行業標準《高壓直流輸電線路大地返回運行系統設計技術規定》DL/T 5224－2014中規定：對非絕緣的地下金屬管道，在正常額定電流下，如果泄漏電流密度大于1 μA/cm2，或者累積腐蝕量(厚度)影響到其安全運行，應采取保護措施。IEC在2007年發布的高壓直流輸電接地極設計導則“General guidelines for the design of ground electrodes for high－voltage direct current(HVDC) links(NPPAS)”(IEC PAS 62344)中規定對非絕緣的地下金屬管道泄漏電流密度限值為1 μA/cm2，與我國電力行業標準規定一致。我國其他如城鎮建設等行業標準中也規定了金屬構件允許泄漏電流密度的限值要求，如《地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程》CJJ 49－1992中規定生鐵、混凝土中鋼筋、鋼結構等不同金屬構件材質對應的泄漏電流密度限值分別為7.5 μA/cm2、6.0 μA/cm2和1.5 μA/cm2，其限值遠大于電力行業標準。在石油天然氣行業中，近期制定發布的國家標準《埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準》GB 50991－2014中明確規定：對設計階段的管道，可采用地電位梯度來判別，當管道兩側各20 m范圍內地電位梯度大于0.5 MV/m時，確認存在直流干擾；當地電位梯度大于2.5 MV/m時，應評估直流干擾的影響和根據評估結果預設防護措施。

從以上DL/T 5224和GB 50991兩項標準可知，電力行業標準以泄漏電流密度的大小，而石油天然氣行業標準以土壤電位梯度來評價金屬管道腐蝕程度。但是實際工程中這兩個參數評價地電流對金屬管道的腐蝕影響都不可避免存在局限性，因為金屬管道的腐蝕不僅取決于電流密度或者地電位梯度，關鍵取決于金屬管道的累計腐蝕厚度，即與接地極地電流的累計持續時間還有關系。因此實際工程中，要計算金屬管道的累計腐蝕厚度，還需統計各種工況下直流輸電工程單極大地運行小時數(與建成初期單極大地運行時間以及工程投產后的一極強迫停運率、一極計劃停運率等幾個因素相關)。關于直流接地極對地下金屬管道腐蝕問題，國際大電網會議CIGRE指出，對泄漏電流密度為1 μA/cm2，在一年時間內對鐵材料的腐蝕厚度是0.174 mm，是可以接受的。

2.2 陰極保護影響研究

在石油天然氣行業中絕大多數埋地金屬管道都采用了絕緣防腐層(3LPE、石油瀝青、煤焦油瓷漆等)，嚴格來說分析對這些類型金屬管道的影響采用泄露電流和土壤電位梯度這兩個指標是不適用的，只有在管道未建、設計階段評估時可采用這兩個參數進行粗略分析。考慮實際工程中管道絕緣層難免出現破損點，因此重要的埋地長金屬管道一般都安裝了陰極保護裝置。

針對做了絕緣防腐處理的埋地金屬管道，DL/T 5224和GB 50991都對管地電位的偏移進行了規定，其中DL/T 5224規定了在等效入地電流下如管道對其周邊土壤電壓超出－1.5 V～－0.85 V范圍，應采取保護措施。GB 50991規定對未實施陰極保護的管道，可采用管地電位偏移來判別，當任意點的管地電位相對于自然電位正向或負向偏移超過20 MV時確認存在直流干擾，當正向偏移大于或等于100 MV時應采取防護措施；規定對已實施陰極保護的管道，當干擾導致管道不滿足最小保護電位要求時，應及時采取干擾防護措施。關于最小保護電位的要求，GB 50991中并未給出具體規定，但是在《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》GB/T 21448和IEC PAS 62344－2007標準中有明確規定，其中GB/T 21448規定的正常管道陰極保護電位范圍為－1.2V～－0.85 V，IEC規定的陰保電位范圍為－1.1V～－0.85 V，與國內標準略有差異。另一方面，考慮接地極入地電流對金屬管道的影響是動態干擾(電流可大可小、持續時間可長可短)，目前國內陰極保護準則并沒有明確規定在動態直流干擾下允許金屬管道電位偏離陰極保護電位的程度與時長，造成現有標準無法有效指導動態直流干擾下陰極保護系統的運行管理。

從實際工程暴露出的問題看，導致管道陰極保護的異常運行是直流接地極地電流影響埋地金屬管道的一個重要體現，雖然DL/T 5224和GB 50991中有相應的識別和判定條款，但是在接地極工程設計中如何量化計算極址周邊金屬管道的管地電位偏移還面臨管道資料收集不夠詳細、大地土壤模型建立不夠精確、計算方法和工具還不夠完善等諸多困難，一般只能在工程建成調試時通過實測來確定入地電流對金屬管道陰極保護運行的影響。一旦到了調試階段就意味著接地極工程已建成，若調試過程中對管道出現較大影響，此時再考慮更換接地極極址在工程上將是難以接受的，最好的解決方式只能是配合管道部門采取相應的防治措施來解決。需要強調的是，GB 50991是國家強制性標準，其中3.0.8條是強制性條款，明確規定“當確認管道受直流干擾影響和危害時，必須采取防護措施”。因此在接地極極址選擇階段，一方面要求對極址周邊數十公里范圍的埋地金屬管道進行詳細的收資調查(該項工作需要得到管道建設方和設計方的支持與配合)，杜絕出現可能導致影響的重要管道的遺漏、疏漏，另一方面也要求重視量化計算入地電流對金屬管道的影響，為極址選擇決策提供全面科學的依據。

2.3 最小防護距離研究

目前國內標準中評估接地極對金屬管道不良影響的最小距離有一些相關規定。DL/T 5224中規定在接地極與地下金屬管道最小距離(d)小于10 km或者地下金屬結構的長度大于d的情況下，應計算接地極地電流對管道產生的不良影響，國網公司企標規定更為嚴格，將這一評估不良影響的最小距離擴大到30 km。《高壓直流接地極技術導則》DL/T 437規定預選極址10 km范圍內原則上不宜有地下金屬管道等設施。

事實上，規定最小防護距離或評估影響的最小距離往往來自經驗值，沒有科學依據，因為接地極對金屬管道的影響與直流輸電工程的輸電容量、極址周邊大地土壤特性、金屬管道本身的防護措施等眾多因素有關，每個工程的具體情況不同，很難用統一的標準來規定。一般來講，接地極極址距離埋地金屬管道越遠對其影響越弱，而從工程決策的角度總希望能找到這樣一個直流接地極與地下金屬管道的最小防護距離，即大于此距離時認為對金屬管道無影響，但是這往往是非常困難的。現階段在工程設計中部分設計院以行標DL/T 437中規定的10 km近似作為最小防護距離，也有部分設計院采用GB 50991中規定的地電位梯度2.5 MV/m作為邊界條件，也即當接地極周圍地電位梯度衰減到2.5 MV/m時，此處距極址中心的距離被認為是最小防護距離。

3 迫切需解決的問題

從國內外情況來看，直流接地極影響地下金屬管道的機理與防治措施還需學術界和工程界進行更加深入研究，迫切需要解決以下問題：

(1)接地極入地電流對埋地金屬管道的腐蝕能否進行精確的量化計算，能否明確管道腐蝕的判定標準，通過量化計算的手段來評估影響，從而為接地極極址選擇提供依據。

(2)如果腐蝕計算結論表明管道腐蝕量在工程上無法接受，管道部門是否具備措施來解決，代價有多大，在接地極極址選擇論證工作中探討是否可以吸納石油管道建設方共同研究提出綜合最優方案，從而創新目前的接地極建設管理模式。

(3)當接地極入地電流對管道陰極保護造成影響時，管道部門能否通過在運行上采取適當措施以相對較小的代價加以解決，而不必限制高壓直流輸電運行方式、更換接地極極址或者改遷管道。

4 建議

鑒于以上分析，筆者針對接地極影響地下金屬管道問題的未來研究方向提出以下建議：

(1)大地土壤參數及模型是影響工程計算精度的重要因素，目前工程中一般只對接地極極址周圍1～2 km范圍內的大地土壤參數進行測量，然后在仿真模型中以此小范圍的測量數據來模擬假設極址周圍數十甚至數百公里范圍內土壤參數，因此目前工程仿真計算中大地土壤參數的有關取值存在局限性，計算結果與實際情況必然會存在差異。未來應深入研究和建立適應工程要求的大地土壤計算模型，并在此基礎上提出量化金屬管道腐蝕程度的計算方法。

(2)金屬管道的腐蝕不僅取決于泄露電流密度或者地電位梯度，關鍵取決于金屬管道的累計腐蝕厚度。目前不論是電力行業標準DL/T 5224還是國家標準GB 50991，均未對金屬管道可接受的腐蝕厚度有明確的規定。未來電力行業應配合有關管道部門，分別針對不同材質的金屬管道，研究提出工程上可接受的腐蝕厚度，為接地極入地電流腐蝕地下金屬管道提供科學的判定標準。

(3)深入調研國內外各類型埋地金屬管道抗腐蝕防治措施的研究現狀和應用情況，并在技術經濟綜合比較的基礎上，提出各種措施的應用場合。

(4)建議電力行業聯合管道部門，研究在動態直流干擾下金屬管道電位偏離陰極保護電位的允許程度與時長，并提出陰極保護異常運行的解決措施。

(5)同時建議電力部門進一步創新接地極設計技術，針對接地極選擇的條件、直流系統單極運行的限制條件、金屬回線的設置等方面，深入開展站內接地網替代接地極技術、深井接地極技術、站外簡易接地極技術、金屬中性回線運行技術等課題研究。

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Effect of Direct Current Earthing Pole on Underground Metallic Pipelines

CHEN Hai-yan1, LIU Xiao-qiang2
(1. Electric Power Planning and Engineering Institute, Beijing 100120, China; 2. Beijing Sifang Automation Co.,Ltd., Beijing 100085, China)

The ground electrode is an important part of HVDC system. Recently, the impact of HVDC ground electrodes on buried metallic pipelines has caused great attention of people abroad. The research status on the impact is reviewed in this paper. Several special problems of the mechanism and prevention measures about the impact of HVDC ground electrode on buried metallic pipelines are analyzed and discussed. Some suggestions with a certain reference value for ground electrode designers are proposed.

HVDC; ground electrode; metallic pipeline; corrosion; cathode protection.

TM63

B

1671-9913(2016)06-0056-04

2015-11-23

陳海焱(1979- )，男，博士，主要從事變電站和換流站工程的設計評審以及電力行業設計標準的編制和管理工作。