青州換流站高青接地極對周邊油氣管道影響研究

蘇 煒，馬詩文，李文祥，劉效通，白 鋒

（1.華東電力設計院有限公司，上海 200001；2.國網山東省電力公司，山東 濟南 250001；3.國網山東省電力公司威海供電公司，山東 威海 264200；4.國網山東省電力公司煙臺供電公司，山東 煙臺 264001；5.中國電力科學研究院有限公司，北京 100192）

0 引言

隨著我國經濟持續增長，對能源的需求越來越大，高壓直流輸電系統和輸油輸氣管道都在快速發展，直流輸電系統接地極與輸油輸氣管道接近難以避免，使得直流輸電系統對輸油輸氣管道的電磁影響問題日益突出。因此，合理解決直流輸電系統接地極對地下輸油輸氣管道的電磁影響，保證輸油輸氣管道的安全可靠運行，減少工程投資，具有重要的意義。

青州換流站高青接地極（以下簡稱高青接地極）作為±800 kV扎魯特—青州直流輸電工程受端接地極，落點在山東省淄博市的高青縣，其周邊30 km范圍內分布有多條油氣管道。因此，開展高青接地極對周邊油氣管道影響的研究，保證油氣管道安全可靠運行是十分必要的。

1 高壓直流輸電工程對埋地金屬管道干擾影響機理

1.1 我國直流輸電系統運行簡介

我國目前直流輸電工程都是按雙極直流輸電系統設計，正常運行情況下，多采用雙極對稱平衡運行方式，兩極不平衡電流很小。當一極停運或發生故障時，可采用單極金屬回路運行方式，或單極大地回路運行方式。而單極大地回路只作為從雙極回路轉變為單極金屬回路的過渡運行方式，運行時間很短，以減少對環境的影響，并延長接地極的壽命。此外，僅在工程投運之前的系統調試期間，為單極大地回路工況試驗的需要，采用單極大地運行方式，但時間較短，一般不超過1天。

1.2 直流輸電系統接地極對埋地金屬管道腐蝕影響機理

當接地極流過直流電流時，在土壤中會形成恒定的直流電流場，并伴隨大地電位升高。如接地極附近埋設有地下油氣管道，因管道的電阻遠比土壤小，直流電流會在管道上流通，并在流出管道的區域發生電腐蝕。

我國用于輸油輸氣的管道，表面一般敷設有防腐層，較為常見的有PE防腐層、FBE防腐層和石油瀝青防腐層。當防腐層完好時，防腐層與土壤之間交換的電流密度很小，可不考慮地中直流電流對管道的腐蝕影響。但是，當防腐層出現破損點時，則破損點處的電流密度可能會很大。接地極入地電流對附近埋地油氣管道的影響如圖1所示。

圖1 接地極對埋地管道干擾示意

對于直流電流流出的接地極，管道破損點處金屬和土壤接觸面發生腐蝕反應。流出的電流強度越大，持續時間越長，管道腐蝕越嚴重。

因此，管道一般采取陰極保護措施使得管道保持負電位，使管道不發生電腐蝕，同時其電位又不能太低，以保證管道表層不發生氫脆。

1.3 直流接地極對埋地金屬管道的影響限值

1.3.1 管道直流腐蝕影響限值

目前，直流接地極對鄰近埋地油氣管道直流腐蝕影響的限值主要采用以下標準。

1）GB 50991—2014《埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準》。

管道工程處于設計階段時，當地電位梯度大于或等于2.5mV/m時，應評估管道敷設后可能受到的直流干擾影響，并應根據評估結果預設干擾防護措施。

沒有實施陰極保護的管道，宜采用管地電位相對于自然電位的偏移值進行判斷。當任意點上的管地電位相對于自然電位正向或負向偏移超過20mV時，應確認存在直流干擾；當任意點上的管地電位相對于自然電位正向偏移大于或等于l00mV時，應及時采取防護措施干擾。

管道投運后，對于施加陰極保護的管道，當干擾引起的管道極化電位不滿足陰極保護準則要求時，干擾程度為不可接受，應及時采取干擾防護措施。

2）DL/T 5224—2014《高壓直流大地返回系統設計技術規程》。

在接地極與地下金屬管道、地下電纜、非電氣化鐵路等地下金屬構件的最小距離（d）小于10 km，或者地下金屬管道、地下電纜、非電氣化鐵路等地下金屬構件長度大于d，應計算接地極地電流對這些設施產生的不良影響。

對非絕緣的地下金屬管道、鎧裝電纜，在等效入地電流Ieq下，如果泄漏電流密度大于1μA/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。

對用水泥或瀝青包裹絕緣的地下金屬管道，在等效入地電流Ieq下，如管道對其周邊土壤（相對于Cu-CuSO4電池）的電壓超出-1.5～-0.85 V范圍，應采取保護措施。

結合國內外標準和相關研究的觀點，對輸油輸氣管道，由于現場測量獲得的地中電場強度的可靠性尚存在爭議，本工程按接地極流過等效入地電流進行計算，并采用管地電位正向偏移100mV作為評價指標。

1.3.2 管道操作人員安全電壓限值

涉及人身安全風險的主要是由于管道金屬電位與所在大地電位出現電位差，進而導致人身接觸電壓風險。長時間作用下的人體安全電壓相關標準如表1所示。

表1 人體長時間安全電壓標準 V

從表1中可以看出，長時間作用下的人體接觸電壓限值一般分為15 V、33 V和60 V左右3級。其中美國NACE RP 0177—2014標準中規定的限值最嚴格，為15 V。但該限值考慮的是不使人有明顯感覺，作為一種長期埋于地下、一般只會由職業人員接觸到的設施，采取此限值顯然過于嚴格。

GB 3805—2008中規定的 33 V限值，考慮的是干燥環境下人體長時間能夠承受的安全電壓，并且該標準指出此限值沒有人群特定針對性。GB 6830—1986中規定的60V限值，考慮的是電信工作人員在接觸通信線時，載到人體上的安全電壓限值。人體長時間安全電壓可取33 V和60 V，前者適用于普通大眾，后者適用于職業人員。因此，本工程人體長時間安全電壓限值 （針對可接觸到管道金屬部位的職業操作人員）應取60 V。

2 計算條件

2.1 接地極極址概況

高青接地極落點在山東省淄博市高青縣，高青縣西偏北約14 km處。與附近埋地油氣管道的相對位置關系如圖2所示。圖中，高青接地極附近30 km范圍內涉及的管道主要包括5條：中石油滄淄線管道（含2條分支）、中石化石油管線東臨線、中石化石油管線東臨復線、中石化天津—濟南LNG管道和中石化濟青二線管道。高青接地極與中石油滄淄線管道的距離最近，約7.55 km。

圖2 高青接地極與附近埋地油氣管道的相對位置示意

高青接地極極址的土壤電阻率參數如表2所示。

表2 高青接地極極址土壤電阻率

2.2 接地極系統參數

高青接地極為淺埋型陸地接地極，極環按雙圓環設計，布置如圖3所示。內、外環半徑分別為150m和200m，電極埋深3.5m。高青接地極的額定電流為6 250A，雙極不平衡電流10 A。

2.3 管道參數

表3匯總了圖2涉及的5條埋地油氣管道的相關參數。

圖3 接地極布置示意

表3 涉及的管道參數

3 電磁影響計算結果及分析

3.1 管道對地電壓計算

基于高青接地極與鄰近埋地油氣管道的相關參數，可建立仿真計算模型進行計算分析。表4列出了高青接地極在流過額定電流（6 250 A）時，鄰近油氣管道上對地電壓的最大值。從計算結果可以看出：高青接地極流過額定入地電流時，附近埋地油氣管道上距接地極最近處管道上的對地電壓最高；結合第1.3.2節的相關限值分析和調研，5.37 V的管地電位差對管道操作人員和管道上的恒電位儀不會產生危險影響。

表4 額定電流時管道對地電壓最大值 V

3.2 接地極對管道的腐蝕影響

接地極電流對地中管道的腐蝕影響是一個長期累積的過程，采用額定電流為控制標準來衡量直流電流在管道上產生的管地電位差或電流密度，則過于嚴格；如僅考慮不平衡電流，則忽略了大電流可能造成的不利影響。為此，在計算管道腐蝕時應采用一個可以兼顧強電流和不平衡電流不同腐蝕特性的等效入地電流。最新的行業標準DL/T 5224—2014中已基于法拉第電解定律提出了“等效入地電流”的概念，該電流是在假定管道的腐蝕速度與接地極的入地電流成正比的前提下，等效入地電流為根據接地極各類入地電流的持續時間在設計壽命中占有的比例確定權重，加權累計后的電流值。

表5給出了高青接地極的等效入地電流計算方法。

表5 高青接地極等效入地電流

現階段，在直流接地極入地電流對鄰近埋地油氣管道的腐蝕影響計算中，較多的還是采用與交流入地電流對埋地油氣管道影響相同的計算方法，未考慮管道防腐層破損點處金屬與土壤交界面上的直流“極化效應”。

基于現有計算方法和評價指標，表6列出了高青接地極壽命期內長期以等效入地電流運行時鄰近油氣管道上對地電壓的最大值。從計算結果可以看出：接地極流過等效入地電流時，距接地極最近管道處的對地電壓最高，約44.81mV；在現有計算方法和評價指標下，與GB 50991—2014中規定的100mV限值比較，可認為高青接地極對鄰近埋地油氣管道的直流腐蝕影響滿足要求。

表6 等效電流時管道對地電壓最大值 mV

需要說明的是，表6中計算結果是基于直流接地極上大電流短時間和小電流長時間對管道的腐蝕影響仍滿足法拉第電解定律的前提下提出的，該假設需要通過開展大量的試驗驗證才可確定。另外，上述計算過程中未考慮管道金屬的直流極化效應，且接地極入地電流的持續時間考慮較為保守，計算結果可能誤差偏大。

4 結語

基于現有計算方法和評價指標，進行了高青接地極對鄰近埋地油氣管道的電磁影響分析，分析結果可供工程前期設計參考。

建議本工程采用60 V作為人體長時間安全電壓限值；按接地極流過等效入地電流進行計算分析，并以管地電位正向偏移100mV作為管道直流腐蝕影響的評價指標。

高青接地極流過額定入地電流（6 250 A）時，所涉及的5條油氣管道上對地電壓的最大值約為5.37 V，其對管道操作人員和管道上的恒電位儀不會產生危險影響。

高青接地極流過等效入地電流時，距接地極最近管道處的對地電壓最高，約44.81mV。與GB 50991—2014中規定的100mV限值比較，高青接地極對鄰近埋地油氣管道的直流腐蝕影響滿足要求。