高壓直流接地極對埋地管道的電流干擾及人身安全距離

曹國飛 顧清林 姜永濤 李永發 毛 建 修林冉 王修云 姜子濤

1. 中石油管道有限責任公司西氣東輸分公司 2. 安科工程技術研究院（北京）有限公司

0 引言

高壓直流輸電系統具有輸送容量大、造價低、損耗小、輸送距離不受限制等優點。因此我國長距離電力輸送常常采用這種方式[1]。我國高壓直流輸電系統運行過程中多采用雙極大地方式，但在建設投運初期、檢修以及出現故障排查時，常采用單極大地返回運行方式（或稱放電）[2-3]。單極大地返回運行方式是利用導線和大地構成直流側的單極回路[4]，在該運行方式中，兩端換流站均需接地，大地相當于直流輸電線路的一根導線，通過接地極入地的電流即為直流輸電工程的運行電流，可高達數千安培[5]。大量的直流電流入地形成的電場導致大地電位升高，鄰近的金屬結構在電場的作用下內部電子定向移動，引發金屬結構的雜散電流腐蝕問題，給操作人員及設施帶來嚴重的安全隱患。目前，我國各地已經出現多起高壓直流干擾問題，例如：向家壩水電站至上海±800 kV直流工程接地極放電時，導致川氣東送管道受到干擾，管地電位可達-2.9 VCSE，影響范圍達40 km[6]；三峽—上海±500 kV直流工程接地極放電時，導致西氣東輸管道出現明顯的陰極保護系統異常[7]；云廣特高壓直流工程魚龍嶺接地極放電時，導致廣東某天然氣管道的氣液聯動球閥引壓管及絕緣卡套位置發生持續打火放電現象，并導致引壓管燒蝕，后期現場檢測結果顯示管道上的干擾電壓高達175。

國外關于高壓直流干擾已展開一些研究[8-9]，Paul和Schre[10]認為涂層較好的管道所受的干擾高于裸管道。而且金屬結構物尺寸會影響干擾水平，管道直徑越大，所受干擾越大。O'Brien等[11]調研了新西蘭Benmore—Haywards高壓直流工程對附近管道腐蝕的影響后指出，即便土壤中的地電位梯度較小，但仍可能對金屬管道產生比較明顯的腐蝕影響。Verhiel[12]現場測試了加拿大不列顛哥倫比亞—溫哥華島高壓直流輸電系統對附近管道的影響，結果顯示直流接地極入地電流達1 200 A時，管地電位偏移可高達264 mV。但由于國外高壓直流輸電工程電壓和功率較低，因此其可借鑒性不足。而國內對于高壓直流干擾這種新型干擾的相關研究尚處于起步階段，對其風險認識不足，對于安全距離的研究采用現場測試的方法，存在參數調節困難、效率低、一些影響因素會干擾測試結果等問題，而試驗室又無法模擬上千米管道受高壓直流接地極干擾的工況。因此，利用數值模擬技術進行高壓直流干擾研究更加可靠和有效，目前國內關于數值模擬技術的應用已開展到油氣田研究的多個方面，例如陳小凡等[13]利用數值模擬技術得到了可用于頁巖氣儲層體積壓裂設計以及多段壓裂水平井生產動態預測的方法；陳玉鳳等[14]利用數值模擬技術研究了基于分形孔隙模型的含天然氣水合物沉積物電阻率，而有關數值模擬技術在高壓直流接地極對埋地管道電流干擾方面的研究較少。為此，筆者利用數值模擬技術研究了不同土壤電阻率、管線長度、接地極入地電流、管道防腐層、管道尺寸情況下高壓直流接地極對埋地管道雜散電流干擾的人身安全距離（以下簡稱安全距離），以期為埋地管道和高壓直流接地極選址及相互避讓提供參考和借鑒。

1 計算模型參數及計算內容

1.1 計算模型參數

對于埋地管道受阻性雜散電流干擾程度的計算方法，早期一些學者研究了簡化模型下的解析解[15]：

式中U表示金屬管道某點對無窮遠的電壓，V；ρ表示土壤電阻率，Ω·m；γ表示“管線—大地”回路的傳播常數，1/m；I表示干擾電流；Ω（u, v）表示特殊函數，其具體表達式和計算方法詳見本文參考文獻[15]。

采用CDEGS軟件開展計算研究。該軟件以邊界元技術求解麥克斯韋方程組為基礎，通過構建三維空間模型、邊界網格劃分及賦值邊界條件、設置材料屬性，迭代法計算模型內各個結構和位置處的電位和電流分布。

由于高壓直流輸電距離很長，其對埋地管道的干擾可以簡化成集中激勵電流通過高壓直流接地極對埋地管道的干擾（另一級在無窮遠處）。首先建立三維空間模型，為增強對比性，計算過程中將管道統一簡化為直線結構，管道中點正對高壓直流接地極。管道埋深為1.5 m，接地極埋深為4.0 m，計算模型示意圖如圖1所示。

單管道和高壓直流接地極均采用線單元，單元格按照固定長度劃分長度為10 m。激勵采用恒電流激勵，電流大小采用廣東某接地極實際單極大地回路運行電流3 200 A。其他材料屬性如下：

高壓直流接地極參數：接地極為雙環形，外環直徑600 m、內環直徑400 m。接地導體為直徑75 mm的高硅鉻鐵，相對電導率為10（相對于銅的電阻率0.017 2 μΩ·m），相對磁導率為300（相對真空磁導率μ0）。導流線簡化為截面積240 mm2的銅導體，相對電導率為1，相對磁導率為1。導流線外部為絕緣防腐層。

埋地管道參數：管徑1 219 mm，壁厚21 mm，鋼制管道相對電導率為10，相對磁導率為200。管道外防腐層選擇三層結構聚乙烯防腐涂層（3PE）、環氧粉末和石油瀝青3種常見防腐層，3種防腐層的面電阻率分別是3PE為100 000 Ω·m2，環氧粉末為50 000 Ω·m2，石油瀝青為 10 000 Ω·m2。

土壤電阻率：計算模型土壤為均一土壤結構，土壤電阻率介于20～15 000 Ω·m。計算的安全間距為高壓直流接地極中心與管線中心在地表的水平距離（圖1-b）。

圖1 計算模型示意圖

1.2 計算內容

高壓直流接地極入地電流可達上千安培，影響范圍較廣，對管道的影響范圍甚至達成百上千公里[16]。現實生產中管線電連續長度不一，受到干擾的程度有別。為了將計算結果更有效地應用于工業生產，筆者首先對不同長度管線的干擾情況進行計算，計算模型中土壤電阻率選擇1 000 Ω·m，管線涂層為3PE，其他參數見1.1節，計算結果如圖2所示。由圖2可見，隨著管線長度增加，管道干擾程度增加，當管線長度超過600 km（單邊300 km）時，管道干擾程度變化不大（達到最大干擾的99.5%）。

由圖2可見，不同長度管道所受的干擾程度不同，筆者結合實際情況將管道的長度分為4大類：①一類管線為城鎮管網，長度通常在50 km左右，如上海、北京、杭州的城市管網最長輸運跨度約為50 km；②二類管線為長輸管道相鄰兩個站場之間的管道，其長度約為200 km，如中國石油西氣東輸管道公司的部分管道進出場站時均設置有絕緣法蘭，因此在站場處可將管道電力分隔；③三類管線即存在進出場站管道跨接的長輸管道，長度可達400 km，如一些長輸管道由于陰級保護，防止干擾等需求將進出站場的管線進行電連接；④四類管線為全線跨接長輸管道，按照前面的計算結果，采用極限長度600 km，例如西氣東輸西部地區場站進出站管道均采用跨接[17]。計算不同管道長度、不同防腐層、不同土壤電阻率下的人身安全距離，計算內容如表1所示。

圖2 不同長度管線干擾程度計算結果圖

1.3 安全距離評價方法

計算安全距離前需要明確安全的評價指標。高壓直流接地極對埋地管道產生的危害主要包括：產生較高的管地接觸電壓導致人身安全問題、管道電位正移導致的金屬腐蝕以及管道電位負移導致的氫脆和防腐層剝離問題[18]。腐蝕是一個復雜的累積過程，與土壤情況[19]、管道可接受腐蝕總量、高壓直流輸電系統的單極運行時間等因素相關，關于腐蝕問題高壓直流輸電系統運行管理方面可通過降低單極大地運行時間減小腐蝕速率，而對于高壓直流干擾下的氫脆和防腐層剝離問題目前還沒有相關的評價指標。因此，筆者主要考慮高壓直流接地極導致的人身安全問題。根據GB/T 3805—2008規定：潮濕環境下，人身安全直流電壓為35 VCSE[20]。因此，本文計算過程中，當管道全線干擾在±35 V以內時，確定管道與高壓直流接地極的距離為安全距離。

表1 人身安全距離計算內容簡表

2 計算模型參數及計算內容

2.1 一類管線（50 km）安全距離

針對一類管線，即一般城市管網（50 km），計算在不同管線涂層、不同土壤電阻率情況下的安全距離。計算結果如表2、圖3所示。計算結果表明：隨著土壤電阻率增加，不同管線涂層的安全距離均逐漸增大，但增幅逐漸減小；相同土壤電阻率環境下，隨著管線面電阻率的增大，安全距離逐漸增大。

表2 一類管線安全距離計算結果表

2.2 二類管線（200 km）安全距離

針對二類管線，即長輸管道相鄰兩個站場之間的管道（200 km），計算在不同管線涂層、不同土壤電阻率情況下的安全距離，計算結果如表3、圖4所示。隨著土壤電阻率的增加，不同管線涂層的安全距離均逐漸增大，但增幅逐漸減小；相同土壤電阻率環境下，隨著管線面電阻率增大，安全距離逐漸增大。

圖3 一類管線安全距離計算結果圖

表3 二類管線安全距離計算結果表

2.3 三類管線（400 km）安全距離

針對三類管線，即長輸管道有站場進出站管道跨接管道（400 km），計算在不同涂層面電阻率、不同土壤電阻率情況下的安全距離，計算結果如表4、圖5所示。隨著土壤電阻率的增加，不同管線涂層的安全距離均逐漸增大，但增幅逐漸減小；相同土壤電阻率環境下，隨著管線面電阻率的增大，安全距離逐漸增大。

圖4 二類管線安全距離計算結果圖

表4 三類管線安全距離計算結果表

圖5 三類管線安全距離計算結果圖

2.4 四類管線（600 km）安全距離

針對四類管線，即長輸管道全線跨接（600 km），計算在不同涂層面電阻率、不同土壤電阻率情況下的安全距離，計算結果如表5、圖6所示。隨著土壤電阻率增加，不同管線涂層的安全距離均逐漸增大，但增幅逐漸減小；相同土壤電阻率環境下，隨著管線面電阻率增大，安全距離逐漸增大。

表5 四類管線安全距離計算結果表

圖6 四類管線安全距離計算結果圖

由計算結果可知，管道越長干擾越大，安全距離也越大。在實際工程中，在未開展數值模擬的條件下或者僅作為粗略評估，為了評估結果的準確性，保守起見可將管道長度向上取值，然后根據不同類型管線的安全距離計算結果進行查詢，即：50 km以下的管道建議按照50 km選取安全距離，50～200 km的管道建議按照200 km選取安全距離，200～400 km的管道建議按照400 km選取安全距離，大于400 km的管道建議按照600 km選取安全距離。

3 分析與討論

3.1 多層結構土壤的影響

筆者計算中土壤結構采用均一土壤結構，但實際的土壤環境往往為多層復雜結構。由圖3～6可見，土壤電阻率越高需要的安全距離越大。為了研究多層結構土壤下的安全距離，建立計算模型：管線長度為600 km，土壤環境設置情況如表2所示，管道防腐層為3PE，計算結果如表6、圖7所示。由圖7可見，土壤結構1（均一結構，電阻率為1 000 Ω·m）的高壓直流干擾安全距離最大，而土壤結構6（均一結構，電阻率為500 Ω·m）的高壓直流干擾安全距離最小。這表明對于多層土壤結構，采用其中電阻率最大的一層作為整體電阻率計算得到的安全距離最大，評價結果也更保守。因此，在實際工程中如果不具備數值模擬條件或者僅需要粗略評估，可根據多層結構中最大的土壤電阻率，查詢相應的圖譜得到安全距離。

表6 不同土壤結構安全距離計算結果表

圖7 不同土壤結構安全距離計算結果圖

3.2 不同入地電流的影響

實際的高壓直流接地極入地電流并不相同，當入地電流發生變化時應該如何估算安全距離？式1中Ω（u, v）只與傳播常數γ和相對位置關系有關，而對于一般的管道，其防腐層面電阻率較高（如3PE，環氧粉末），土壤電阻率ρ對傳播常數γ的影響可忽略。因此，管道干擾電壓U與ρI之成正比。對于其他不同程度的放電電流，可以利用公式（2）轉換成等效土壤電阻率再進行安全距離評估。例如：入地電流為5 000 A，土壤電阻率為100 Ω·m的情況，可以等效轉化為入地電流3 200 A，土壤電阻率為156 Ω·m的情況，再進行查圖。

式中ρ等效表示等效后的土壤電阻率，Ω·m；I實際表示實際入地電流，A；ρ實際表示實際土壤電阻率，Ω·m。

3.3 管道直徑和壁厚的影響

實際生產運行的管線尺寸有多種，因此計算表7所示多種尺寸管線受高壓直流接地極干擾時的安全距離[21]。計算模型中土壤電阻率選擇1 000 Ω·m，管線涂層為3PE，管線長度選擇600 km，其他參數見1.1節。計算結果如圖8所示，管線尺寸對安全距離影響程度較小。因此設計時可不予考慮。

表7 不同管線尺寸表

4 結論

1）管線長度對高壓直流接地極干擾程度影響較大，管線越長，安全距離越大；土壤環境對高壓直流接地極干擾程度影響較大，多層土壤環境造成的干擾安全距離均小于單一最大層土壤電阻率；管線涂層對高壓直流接地極的干擾程度影響較大，當管線涂層面電阻越高，安全距離越大；管線尺寸對高壓直流干擾影響較小，可不予考慮。

2）利用上述計算結果，可以完成擬建高壓直流接地極或埋地管線安全距離選取，假如擬建管線長度200 km，涂層擬使用3PE，現場測試各層土壤電阻率最高為1 000 Ω·m，參考圖6中3PE涂層管線安全距離計算結果，可以獲得該設計條件的安全距離為9.18 km。

圖8 不同尺寸管線安全距離計算結果圖