高壓直流輸電線路單極大地回路電流運行方式對天然氣管道的影響

周亞駒

摘要：高壓直流輸電線路在系統調試或發生故障情況下，會處于單極大地回路電流運行方式。本文測試了魚龍嶺接地極單極大地回路運行時，對廣東管網天然氣管道的影響。得到了接地極的入地電流對管道的影響規律，入地電流大小與管道電位的關系，站場、閥室接地網與管道跨接對干擾的緩解效果，入地電流對管道極化電位的影響。提出了高壓直流輸電線路單極大地回路運行時，管道存在的風險。

關鍵詞：高壓直流輸電線路;雜散電流;天然氣管道;接地極;管道電位

引言

隨著國民經濟迅猛增長，電力系統輸送容量不斷增大，而我國能源分布又遠離負荷中心[1]，同時高壓直流輸電線路與高壓交流相比較，輸送相同功率時，線路造價低、線路損耗小，因此近年來高壓/特高壓直流輸電系統快速發展。

接地極是直流輸電工程中的重要設施，它在單極大地回路和雙極運行方式中分別擔負著導引入地電流和不平衡電流的重任[2]。直流輸電線路采用單極大地回路電流運行方式時，泄放入大地中的電流有數千安培，雙極運行方式時，通過接地極泄入大地中的不平衡電流小于額定電流的1%，電流值相對較小。直流輸電線路大地回路電流運行或不平衡電流通過直流接地極泄入大地時，必將使附近土壤中各點的地電位發生變化，接地極電流引起的地電位升會使接地極周圍的不同地點間產生電位差，這一電位差會在埋入地中的金屬構件中產生電流，從而導致地下和地面金屬構件產生腐蝕，對于距接地極較近且長度較大的金屬構件，產生的腐蝕影響更為明顯[3]。

本文在魚龍嶺接地單極大地回路電流運行方式下，研究了接地極泄放入電流至大地時，對廣東管網天然氣管道影響的規律，入地電流大小與管道電位的關系，站場、閥室接地網與管道跨接對干擾的緩解效果，入地電流對管道極化電位的影響。

1.管道和接地極簡介

1.1管道簡介

廣東管網天然氣管道一期工程包含了廣惠干線（廣州站至惠州站）約150公里、鰲廣干線（鰲頭站至廣州站）約39公里、廣肇干線（鰲頭站至肇慶站）約163公里、東莞支線約19公里、清遠支線約7公里、韶關支線約64公里管道。該管線全線共設置了13座站場、20座閥室。全線采用了3PE防腐層和強制電流陰極保護方式，于管道沿線分輸站及分輸閥室共設置了6座線路陰極保護系統（鰲頭首站、廣州分輸站、潼湖分輸閥室、清遠分輸閥室、三水分輸站、肇慶分輸站），干線上共設置10個絕緣接頭，分別分布在鰲頭首站兩個，石角閥室一個、三水分輸站一個、肇慶分輸站一個、廣州分輸站兩個、增城分輸站兩個、惠州分輸站站一個。

1.2接地極簡介

魚龍嶺接地極位于清遠市飛來峽區江口鎮魚龍嶺，接地極采用同心雙圓環水平鋪設布置，內外環直徑分別為700米和940米，電極內環采用Φ60鋼棒，埋深3.5米，電極外環采用Φ70鋼棒，埋深4米。焦炭斷面尺寸1.1m×1.1m（外環）、0.7m×0.7m（內環），接地極的形貌見圖1。魚龍嶺接地極為云廣±800kV、貴廣II回±500kV直流輸電線路增城穗東換流站和深圳寶安換流站共用接地極[4]。云廣±800kV特高壓直流輸電線路，容量500萬千瓦，故障狀態下最大入地電流3125A;貴廣II回±500kV超高壓直流輸電線路，容量300萬千瓦，故障狀態下最大入地電流3000A。

1.3管道和接地極相對位置關系

魚龍嶺接地極中心距離廣東管網天然氣管道的垂直距離約為2.8km，距離鰲頭首站的直線距離約為10.1km，距離清城閥室的直線距離約為9.9km。接地極外圍圓環距離廣東管網管道的垂直最近距離為2.3km。

1.4接地極單極大地回路運行對管道的影響

接地極單極大地回路電流運行方式主要出現在以下幾種情況：（1）高壓直流輸電系統投產初期的調試階段;（2）運行期間進行系統的設備或者線路檢修過程中;（3）輸電系統的線路出現故障時。

在單極大地回路電流運行方式中，利用一根或兩根導線和大地構成直流側的單極回路，見圖1。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系統的運行電流。

1.4.1接地極單極大地回路運行對管道不同位置的影響

由有關數據可以看出，接地極運行極性為陰極時，在同一絕緣管段（兩端存在絕緣接頭的管段）內的管道，靠近接地極位置管道流出雜散電流，電位往正方向偏移，如鰲頭往從化方向、鰲頭往清遠方向、鰲頭至清城4#樁位置，形成管道的陽極區，管道存在雜散電流腐蝕的風險[4];遠離接地極位置管道流入雜散電流，電位往負方向偏移，如清遠閥室、石角閥室上游，形成管道的陰極區，管道存在陰極剝離和氫脆的風險，雜散電流的流動方向見圖2。管道中最大最小的電位值出現在離接地極最近的位置和同一絕緣管段內離接地極最遠位置。

對比離垂直距離相同兩個位置廣州出站和石角閥室下游的管道電位，廣州出站位置電位遠高于石角閥室下游，表明廣州出站位置干擾程度大于石角閥室下游位置。兩個位置不同點在于廣州進站絕緣接頭采用固態去耦合器將站外管道與站內接地網跨接，接地網接地電阻較管道小，造成此處管道的雜散電流流入增加，使得下游管道的雜散電流流出增大，因此下游管道受干擾程度升高。說明在受干擾的管道中存在絕緣接頭，能降低絕緣接頭下游管道受雜散電流的干擾程度。

不同絕緣管段，離接地極越遠，受接地極干擾程度越低，見表1石角閥室至三水站段和三水站至永安閥室段管道的電位偏移情況。

測試結果顯示，在受干擾情況下，絕緣接頭兩側管道的電位的極性是相反的，絕緣接頭的一側管道電位往負方向偏移，另外一側管道電位往正方向偏移，說明兩側分別形成了雜散電流流入流出點，見圖3。因此在受到雜散電流干擾情況下，絕緣接頭位置是一個腐蝕風險點。

1.4.2接地極入地電流大小和管道的關系

本次實驗測試接地極單極大地回路電流陰極運行1000A、1200A、1350A、1800A、2100A、2250A和3000A電流時，鰲頭至清城閥室4#號樁位置的管道電位的變化，見圖7。測試結果可以看出管道電位和接地極入地電流成正比。由于接地極放電時，接地極和管道附近的環境不變，整個電流流經的回路電阻不變，因此管道電位隨接地極入地電流增加成正比例關系上升。

1.4.3接地極單極大地回路電流運行對管道極化電位的影響

接地極單極大地回路電流運行時，采用極化試片測試管道在雜散電流干擾下管道的極化電位。本次在四個位置進行管道極化電位的測試：（1）鰲頭站往清遠方向絕緣接頭外側管道、（2）從化站絕緣接頭外側管道、（3）廣州站進站絕緣接頭外側管道、（4）鰲頭至清城閥室4#號樁。

測試結果顯示，在接地極單極大地回路電流運行時，雜散電流流出的位置（1）、（2）、（4），管道的極化電位正向偏移到1V左右，遠高于陰極保護的-0.85V準則要求，存在重大的雜散電流腐蝕風險;在電流流入的位置（3），極化電位負向偏移至-1.7V，遠低于陰極保護的-1.2V準則要求，處于過保護狀態，存在重大的陰極剝離和氫脆的風險。

2.采用站場接地網與管道電連接的緩解效果

由于接地極單極大地回路電流運行時，造成進出站位置絕緣接頭兩端電位差增大，因此在測試過程中，采用固態去耦合器將絕緣接頭的外側管道與站內接地網進行跨接，固態去耦合器的直流閥值為±2V，當絕緣接頭兩端的電壓差大于2V是，固態去耦合器導通，站外管道與站內接地網形成了電連接。

在接地極單極大地回路電流運行1000A時，通過斷開鰲頭去清遠方向固態去耦合器，測試斷開前后管道電位變化情況。

鰲頭去清遠方向跨接斷開后，站外管道電位從16V偏移到25V，4#測試樁管道電位從46V偏移到53V，清城閥室電位從-0.4V偏移到-0.2V，表明此段管道表面流出的電流增加;同時源潭閥室、清遠閥室、石角閥室上游電位負向偏移量減小，表明此段管道表面吸收的電流減小;石角閥室下游管道正向偏移量減小，流出電流減小。測試結果可以看出，當鰲頭去清遠方向跨接時，原來從管道表面流出的雜散電流，部分通過站內接地網流出，使得管道的電位正向偏移量減小，對跨接位置的干擾有緩解作用。同時由于接地網與管道跨接后，雜散電流流經的回路電阻降低，靠近接地極段整體流出的雜散電流增加，造成遠端管道吸收的電流也需要增加，使得吸收電流管道的電位負向偏移量增加，增大了陰極剝離和氫脆的風險。

3、接地極單極大地回路電流運行時管道存在的風險

3.1接地極單極大地回路電流運行3000A時，測試到管道最正電位達到140.5V，最負的電位達到-12.5V，管道的最正電位遠高于標準規定的人體安全電壓35V，管道操作人員存在觸電的危險。

3.2接地極單獨大地回路電流運行時，管道上存在高電壓，管道上附屬設施和設備存在損壞的風險，陰極保護系統的恒電位儀均無法工作，無法對管道進行有效的陰極保護。

3.3接地極單極大地回路電流運行時，在電流流出的位置存在重大的腐蝕風險;在電流流入的位置存在重大的陰極剝離和氫脆的風險。

4、結論

4.1接地極單極大地回路運行的影響范圍很廣，運行為電流3000A時，管道最正電位達到能140.5V。管道中最大最小的電位值出現在離接地極最近的位置和同一絕緣管段內離接地極最遠位置。在受干擾的管道中存在絕緣接頭，能降低絕緣接頭下游管道受雜散電流的干擾程度，絕緣接頭兩側管道的電位的極性是相反的，絕緣接頭的一側管道電位往負方向偏移，另外一側管道電位往正方向偏移

4.2管道電位與接地極入地電流成正比;

4.3管道與站場或閥室的接地網進行電連接，能降低跨接位置管道的電位，使得跨接位置管道表面流入流出的電流減小，降低跨接位置管道的腐蝕和氫脆的風險，但是雜散電流通過接地網流入流出，使得管道整體流入流出的電流增加，會造成管道另外一端的雜散電流流入流出增加，增大遠端管道腐蝕和氫脆的風險。

4.4接地極單極大地回路電流運行，造成管道電位值升高，給管道操作人員帶來觸電的風險，同時會造成管道上設施或設備發生損壞，使得管道在電流流出的位存在腐蝕風險;管道電流流入的位置存在陰極剝離和氫脆的風險。

參考文獻：

[1] 李文文，劉超，鄒軍，袁建生.高壓/特高壓直流輸電線路對鄰近金屬管道危險影響暫態分析[c].中國電機工程學會電磁干擾專業委員會第十二屆學術會議.武漢：2012.

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[3] 胡毅. 直流接地極電流對輸電線路接地構件的腐蝕影響研究[J].中國電力，2000，33（1）.

[4] 程明，張平. 魚龍嶺接地極入地電流對西氣東輸二線埋地鋼質管道的影響分析[J]. 天然氣與石油.2010，28（5）.