華東特高壓直流接地極對輸氣管道電干擾的監測及分析

李 想1,滕衛明,肖劍鋒3,勞旦鳴

(1. 浙江浙能技術研究院有限公司,杭州 310003； 2. 浙江浙能天然氣運行有限公司，杭州 310003；3. 中石油西氣東輸管道公司 浙江管理處，杭州 310003)

隨著我國高壓/特高壓輸電線路及油氣管網的大規模建設，高壓/特高壓輸電線路與埋地油氣管道臨近或并行情況越來越多。當高壓直流(HVDC)輸電系統直流工作電流或不平衡電流通過接地極泄入大地時，會形成雜散電流，使附近土壤電位發生變化[1]。油氣管道受高壓直流輸電系統雜散電流干擾(簡稱高壓直流干擾)以及由此引發的管線腐蝕及安全問題日益突出[1-4]。雖然高壓直流干擾的影響周期較短，但其影響范圍卻很大，影響程度極其劇烈。瞬間大電流可能會燒毀與管道相連的陰極保護電源設備，也可能造成操作人員的人身傷害。同時，高壓直流干擾會導致管道快速腐蝕，其腐蝕速率往往是自然腐蝕的幾十倍甚至上百倍。目前，國內電力和石油行業已經逐步意識到油氣管道受到高壓直流干擾問題的嚴重性[2]。

近期，華東地區進行了5次特高壓直流輸電線路不平衡電流試驗，致使省天然氣公司3臺恒電位儀故障，西氣東輸浙江省內輸氣管道的陰保系統大部分數據異常。本工作對華東特高壓直流接地極單級運行放電時管道的電位變化進行了監測，分析研究了接地極單級運行時對長輸管道的影響范圍，為以后油氣管道建設及運行防護提供一定的借鑒。

1 干擾原因分析

1.1 管道陰保系統工作原理

在土壤電解質溶液中，金屬表面由于電化學不均勻，形成腐蝕原電池。原電池的陽極區發生腐蝕，不斷輸出電子，陰極區發生陰極反應，析出氫氣或接受正離子的沉積，但金屬本身卻不發生腐蝕[3]。因此，如果給金屬通以一定的電流，使金屬表面處于陰極狀態，就可以抑制表面陽極區金屬釋放電子，從根本上防止腐蝕發生[4]，該方法即為強制電流陰極保護系統,見圖1。按照陰極保護標準，管道的陰極保護電位應控制在-1 200～-850 mV(相對于銅/硫酸銅電極,CSE)，當電位高于-850 mV時管道將發生腐蝕，低于-1 200 mV將發生析氫反應。

圖1 強制電流陰極保護系統示意圖Fig. 1 Schematic diagram of impressed current cathodic protection system

1.2 干擾電流的產生

高壓直流輸電線路一般為雙極運行，在雙極運行方式中，利用導線將其正負兩個接地極和兩端換流站的正負極相連，構成直流側的回路。在地層中，正負兩極的電流方向相反，電流大小為兩極電流之差。在雙極運行時，不平衡電流一般控制在額定電流的1%以內。

在故障或檢修期間，往往采用單級運行，此時利用一根或兩根導線將單極接地極和大地構成直流側的單極回路。在該運行方式中，兩端換流站均需接地，大地作為一根導線，通過接地極入地的電流即為直流輸電工程的運行電流。單級運行可能會造成金屬管道設施放電、燒蝕，氣液聯動執行機構誤操作，陰極保護電源設備、電位傳送器及等電位連接器被燒毀，甚至出現閥室爆炸、燃燒等嚴重事故。

盡管埋地管道都有防腐蝕層保護，但管道防腐蝕層在制造、運輸、下溝、覆土等各環節不可能做到百分之百無漏點。當高壓直流接地極陰極放電時，雜散電流在管道遠端穿過防腐蝕層破損點流入管道，使近端管道陰極保護電位正向偏移(形成陽極干擾)，雜散電流在管道近端穿過防腐蝕層破損點流出管道，形成腐蝕區[5]，如圖2(a)所示。現代埋地管道防腐蝕層的絕緣性好，進入管道的雜散電流可以長距離傳輸后，從防腐蝕層破損、剝落等缺陷處流出，局部腐蝕速率極大[6]。此外，如果過多的電流聚集，管道被陰極極化并超過了安全水平，會出現防腐蝕層的剝離損傷。高壓直流接地極陽極放電時，雜散電流在管道靠近接地極端通過防腐蝕層破損點進入管道，管道陰極保護電位負向偏移(形成陰極干擾)，雜散電流在管道遠離接地極端通過防腐蝕層破損點流出管道，形成腐蝕區,如圖2(b)所示。

(a) 陰極放電

(b) 陽極放電圖2 高壓直流接地極陰極放電和陽極放電時入地電流對管道腐蝕的影響Fig. 2 Effects of cathode discharge (a) and anode discharge (b) of HVDC grounding electrode on pipeline corrosion

1.3 直流干擾的判定

根據SY/T 0017-2006《埋地鋼制管道直流排流保護技術標準》的規定，當管道任意點的管地電位較自腐蝕電位正向偏移大于20 mV或管道附近土壤電位梯度大于0.5 mV/m時，確認為直流干擾,其干擾程度的判斷指標見表1。

2 現場監測

2.1 浙江周邊高壓直流接地極分布

目前，浙江省省內特高壓直流接地極有兩處：一處在金華武義，與金麗溫天然氣管道最近距離為860 m；另一處在浙江臨安，采用雙地極并聯的方式，測試期間還未投運。浙江省周邊對輸氣管道有影響的特高壓直流接地極有三處，具體見表2。浙江省及周邊特高壓直流接地極位置見圖3。

表1 直流干擾程度的判斷指標Tab. 1 Judgement index of DC interference degree

表2 浙江省省內及周邊特高壓直流輸電線路分布情況Tab. 2 Distribution of UHVDC transmission lines in and around Zhejiang Province

圖3 浙江省省內及周邊特高壓直流接地極與管線分布圖Fig. 3 Distribution diagram of UHVDC grounding electrodes and pipelines in and around Zhejiang Province

2.2 試驗概況

通過監測及調研，從2017年5月30日至6月3日，共進行了5次直流接地極不平衡試驗。其中，6月1日，賓金(溪洛渡左岸-浙江金華)直流接地極電流不平衡試驗，金華站極1功率為3 969 MW，極2功率為1 569 MW，接地極不平衡電流為3 000 A；6月3日，賓金直流開始極1額定功率試驗，試驗期間接地極不平衡電流為2 750～3 000 A。5月30日至6月2日，復奉線(向家壩-上海)和葛南線(葛洲壩-南橋)也進行了大功率不平衡試驗。

測試期間，發現直流接地極入地電流造成衢州站、龍游站和奉化站恒電位儀故障，見表3。西氣東輸浙江省管道陰保系統幾乎全線異常。

表3 恒電位儀故障統計Tab. 3 Fault statistics of potentiostats

2.3 監測數據

2.3.1 武義接地極干擾

由圖4可見：6月1日13∶00至20∶00，武義接地極陽極放電7 h，監測到西二線上海支干線諸暨站29#FS測試樁處管道陰極保護電位負向偏移700 mV；6月3日08∶10至11∶30，武義接地極陽極放電200 min，諸暨站29#FS測試樁處管道陰極保護電位負向偏移4 500 mV。

2.3.2 奉賢接地極干擾

圖4 諸暨站29#FS測試樁電位監測數據Fig. 4 Potential monitoring data at test pile 29#FS in Zhuji station

5月30日9∶50至17∶40，奉賢接地極陰極放電時，監測到嘉甪聯絡線嘉興站附近29#FS、45#FS、46#FS、47#FS、48#FS測試樁處管道陰極保護電位均發生負向偏移，其中48#FS測試樁處負向偏移量最大，為-2.6 V；其余6個閥室處管道陰極保護電位均發生正向偏移，距嘉興站最近測試樁處管道陰極保護電位正向偏移量最大為1.75 V，如圖5所示，電位偏移量遠大于標準規定的0.2 V，說明此處管道受到的干擾非常嚴重。

6月1日23∶30至次日10∶20，奉賢接地極陰極放電時， 45#FS、46#FS、47#FS、48#FS測試樁處管道陰極保護電位均發生正向偏移，其中48#FS處正向偏移量最大，為2.3 V；其余6個閥室處管道陰極保護電位均發生負向偏移，距嘉興站最近測試樁處 管道陰極保護電位負向偏移量最大為1.05 V，如圖5所示。

圖5 距嘉興站最近測試樁電位監測數據Fig. 5 Potential monitoring data at test pile closest to Jiaxing station

6月2日18∶40至次日00∶30，奉賢接地極陰極放電時，45#FS、46#FS、47#FS、48#FS測試樁處管道陰極保護電位均發生正向偏移，其中48#FS測試樁處正向偏移量最大，為2.4 V；其余6個閥室處管道陰極保護電位均發生負向偏移，距嘉興站最近測試樁處管道陰極保護電位負向偏移量最大為0.85 V，距金山站最近測試樁處管道陰極保護電位正向最大偏移量為1.05 V，見圖6。

圖6 金山站最近測試樁電位監測數據Fig. 6 Potential monitoring data at test pile closest to Jinshan station

3 分析與討論

3.1 接地極對埋地管道的影響距離

根據DL/T 5224-2005《高壓直流輸電大地返回運行系統設計技術規定》第9章規定：如果接地極與地下金屬管道、地下電纜、非電氣化鐵路的最小間距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的長度大于d，應計算接地極電流對這些設施產生的不良影響。

武義接地極距離西二線諸暨站直線距離約為91.9 km，距離浙能龍游站直線距離約為61.7 km，距離浙能衢州站直線距離約為96 km；奉賢接地極距離西二線嘉興站直線距離約為71 km。由此可見，在實際應用時直流接地極放電對管道的影響距離遠超過10 km。

3.2 絕緣接頭對高壓直流干擾的有效性

西二線浙江站場與閥室之間沒有設置絕緣接頭，在本次試驗時陰保系統幾乎全線異常。浙能天然氣管網在站場與閥室之間都設置了絕緣接頭，高壓直流干擾僅對接地極附近的站場恒電位儀造成了影響。由此可見,絕緣接頭的設置對高壓直流干擾具有很重要的意義。

3.3 排流保護措施的有效性

武義接地極距離浙能金麗溫管道最近距離不足1 km，由于金麗溫管道還在建設，因而本次高壓直流試驗對其附近管道的影響尚不知曉。就目前的情況來看，其無疑是一個重大安全隱患。目前，金麗溫天然氣管道已經敷設了排流帶，但建議同時考慮增設干線絕緣接頭，增加隔離段，配套增設線路陰極保護站，配套智能電位測試樁，并設置埋地試片，定期觀測、分析腐蝕狀況。

4 建議及應對措施

參考文獻[7-10]針對高壓直流輸電系統對埋地金屬管道的陰極保護的影響，提出以下建議和應對措施。

4.1 增強信息來源，與電網公司共建協調機制

建議省內管道公司與電網公司建立協調機制，提前獲取特高壓直流系統計劃性非正常運行信息，并能及時獲取特高壓直流系統突發異常信息，以便各管道公司及時做好應對措施。同時，建立長久的溝通渠道，實現雙方數據共享。

4.2 優化應急預案，配備專業檢測隊伍

由于本次試驗的突發性，各天然氣公司沒有能夠及時派技術人員在試驗期間進行測試，使此次直流試驗對管道的影響范圍及深度無數據支撐。建議各天然氣公司優化應急預案，建立專業檢測隊伍，在大直流故障或試驗期間能夠及時響應，搜集第一手資料。

4.3 摸清接地極分布情況，評估劃分影響區域等級

通過本次試驗發現，管道受影響的范圍遠超過預計，建議各天然氣公司摸清浙江省及周邊接地極、變電站的分布情況，并通過第三方機構對影響區域進行仿真、計算和評估，劃分一級、二級等影響區域，并對重點影響區域采取鋪設智能陰保測試裝置等相應防護措施。

4.4 加強施工建設管理和重點影響區域的檢測

由于管道防腐蝕層在基建和運行過程中必然會存在一些破損點，而雜散電流往往從管道防腐蝕層破損點流入流出管道，在管道破損點流出點發生較為嚴重的腐蝕，因而在管道下溝時，建議對重點影響區域的管道加強防腐蝕層檢查，落土時應避免大石塊等對管道防腐蝕層的損壞。覆土完成后，對管道進行高密度ECDA檢測，若建有排流保護裝置，應對排流保護效果進行評估。對于已建管道，由于大直流對管道本體造成的金屬腐蝕的影響無法直觀評估，建議加強重點區域管道的內檢測。

5 結論

(1) 從本次華東特高壓直流接地極單級運行放電結果來看，其對管道的影響范圍遠超DL/T 5224-2005規范的要求，必要時在設計階段通過模擬仿真計算其影響范圍。

(2) 絕緣接頭用于直流雜散電流干擾防護具有良好的防護效果，建議在管道建設期在合適的位置加裝絕緣接頭。

(3) 目前針對直流接地極干擾主要采用被動防護為主，加強信息渠道獲取和強化公司管理，在管道運行期的防護具有重要意義。