直流接地極電流干擾下陰極保護電源輸出對管道電位分布的影響

曹方圓,白 鋒,李 博,沈光霽

(1.中國電力科學研究院有限公司，北京 100192；2.沈陽龍昌管道檢測中心，沈陽 110168)

隨著我國對能源需求的快速增長，直流輸電工 程接地極和輸油輸氣管道接近的情況時有發生[1-5]。特別是在經濟發達地區，直流輸電工程和輸油氣管道甚至共用走廊[6]，使得直流接地極電流對附近埋地油氣管道的電磁干擾影響日益突出。2013年12月，南方電網云廣線增城換流站出現故障，雙極運行改為單極運行，導致3 125 A電流從魚龍嶺接地極流入大地，造成了鰲廣線從化分輸站線路截斷閥引壓管絕緣接頭損壞、塑料管卡融化。2014年8月，天廣線大塘接地極單極運行時，接地極入地電流達1 800 A，導致附近管道的電位從-1.3 V迅速正向偏移至10 V左右，手動調節該管段陰極保護電源滿載輸出(20 A)，管道電位從10 V變化至8.5 V左右，幾秒鐘后，陰極保護電源報警并自動關閉。

近幾年，國內在直流接地極電流對油氣管道影響方面開展了大量的研究[7-15]，包括直流接地極電流對油氣管道影響的計算方法[7-9]、評價指標[10-14]、防護措施[15-18]等，并取得了一系列成果。其中，在直流接地極電流對埋地油氣管道影響水平評估和防護措施設計方面，主要通過仿真計算[19]的手段進行。但在實際工程中，長輸管道通常綿延幾百上千公里，管道沿線土壤環境十分復雜，仿真計算難以考慮管道沿線土壤情況的差異，一般都是將管道沿線土壤進行等效處理。另外，考慮管道非線性極化特性的計算方法目前還不成熟，使得計算結果與實際情況存在一定的誤差。所以，獲得直流接地極電流對埋地油氣管道影響水平和防護措施效果的最佳途徑還是現場測試。

直流輸電工程一般以雙極運行，這種運行工況下，只有不平衡電流(不超過額定電流的1%)會通過直流接地極入地。只有在系統調試、檢修或故障時才會出現單極大地回路運行的工況，而系統故障具有不可預判性且持續時間很短，所以只有系統調試時才具備計劃性開展直流接地極電流對油氣管道影響的測試條件。目前，工程現場測試案例主要關注管道防護措施的防護效果，關于調整管道已有措施對管道電位影響的研究鮮有報道。

本工作在昌吉-古泉±1 100 kV特高壓直流輸電工程調試期間，對受端換流站接地極鄰近的川氣東送管道的通/斷電電位進行了現場實測，并調整距接地極最近的兩個陰保站內陰極保護電源的輸出電流大小，研究了陰極保護電源的輸出電流對管道電位分布的影響。相關測試結果可為川氣東送管道的安全運行維護提供數據支撐，也可為后續直流工程接地極選址和埋地油氣管道路徑選擇提供參考。

1 工程介紹

1.1 接地極情況

昌吉-古泉±1 100 kV特高壓直流輸電線路工程，額定輸送容量為12 000 MW，直流接地極額定電流為5 455 A。涇縣接地極按雙跑道型方式埋設，內外環直線段長都是380 m，兩端半圓半徑分別為180、215 m，外環電極埋深為4.5 m，內環電極埋深為3.5 m。2019年1月系統調試中，涇縣接地極陰極運行，流入電流約為5 540 A；2019年9月系統調試中，涇縣接地極陽極運行，流出電流約為3 680 A。

1.2 管道情況

川氣東送管道全長約2 203 km，管材為X70鋼，管道外徑為1 016 mm，壁厚為12 mm，防腐蝕層為三層結構的聚乙烯(3PE)。距接地極最近的管道陰保站是池州輸氣站和十字鎮分輸站，各有一個額定輸出電壓/電流為40 V/15 A的陰極保護電源，陰保站兩側的管道皆通過電纜跨接。兩陰保站之間的管道長度約為163 km，這段管道上有7個閥室和1個場站(宣城輸氣站，兩端管道通過電纜跨接)。兩陰保站之間(含陰保站)的范圍即為測試區域。距接地極最近的閥室為牌樓村閥室，距接地極最近的測試樁為CQDS-1280測試樁。接地極與管道相對位置關系如圖1所示。

圖1 接地極與管道的相對位置

1.3 土壤參數

用大地電磁測深法測接地極附近的土壤電阻率及對應厚度，結果見表1。將管道測試區域內的淺層土壤分成幾種典型土壤類型，用四極法測量每一種典型土壤的土壤電阻率，見表2。

表1 涇縣接地極附近不同深度土壤的電阻率

表2 管道附近淺層土壤電阻率

從土壤測試數據可以看出，接地極周圍的淺層土壤電阻率與深層土壤電阻率相差不大，3 000 m深度范圍內的電阻率在100～200 Ω·m。測試區域內管道經過了水田、農田、山地等不同類型土壤，不同類型的淺層土壤電阻率相差較大，即便是同一類型土壤，不同位置的土壤電阻率也相差較大。

2 測試內容及方法

直流接地極電流會使鄰近管道的部分位置有電流流入，部分位置有電流流出。電流從管道流出流向土壤會造成管道腐蝕，電流從土壤中流入管道會使管道電位負偏，而管道電位過負會增大管道氫脆的風險。在直流接地極電流影響下，通過管道電位分布可以獲得直流接地極電流對鄰近管道的影響水平和影響規律。

2.1 測試內容

為獲得直流接地極電流影響下，陰極保護電源的輸出電流水平對管道電位分布的影響規律，在昌吉-古泉±1 100 kV特高壓直流輸電工程調試期間，對川氣東送管道安裝測試設備，進行管道通/斷電電位分布測試。分別調整距涇縣接地極最近的兩個陰保站(池州輸氣站、十字鎮分輸站)內陰極保護電源的輸出電流大小，在不同輸出電流下對管道電位分布進行測試。

2.2 測試方法

根據GB/T 50991-2014《埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準》、GB/T 21246-2007《埋地鋼質管道陰極保護參數測量方法》中推薦的測試方法對管道進行通/斷電電位測試。使用的測試設備包括管道陰保干擾測試儀、數據記錄儀。陰極保護電源顯示和調節面板見圖2。

圖2 陰極保護電源顯示和調節面板

測量管道通/斷電電位前，預先在管道一側埋設鋼質試片，埋深1 m，試片裸露面積為1 cm2，使用管道陰保干擾測試儀或數據記錄儀配合便攜式銅/硫酸銅參比電極對管地電位進行測試，記錄儀采用通12 s斷3 s的通斷模式，每1 s記錄一個數據。接線示意圖如圖3所示。

圖3 管道通/斷電電位、泄漏電流密度測試裝置示意

為保證獲取的陰極保護電源輸出電壓和電流有更高的精度，通過管道陰保干擾測試儀來記錄陰極保護電源的輸出電壓和輸出電流。

3 陰極保護電源輸出調整的影響

昌吉-古泉±1 100 kV特高壓直流工程調試期間，在距涇縣接地極最近的兩個陰保站之間(含陰保站)的163 km范圍內，選擇32～40個測試樁進行測試。陰保站和測試樁從上游到下游的順序依次是：池州輸氣站、CQDS-1231、CQDS-1232……CQDS-1280……CQDS-1387、CQDS-1388、十字鎮分輸站。其中，CQDS-1280是距接地極最近的測試樁，距離涇縣接地極約16 km，兩相鄰測試樁之間的距離約為1 km。測試期間，為獲得調整管道已有陰保系統對直流接地極電流干擾下管道電位分布的影響，進行了2個階段(直流接地極陰極運行和陽極運行)的陰極保護電源輸出調整,并測試了對應的管道電位。

3.1 第一階段調整陰極保護電源輸出

第一階段，直流接地極陰極運行，流入電流5 540 A，池州輸氣站陰極保護電源由恒電位模式自動跳轉到恒電流模式，輸出電流為0.5 A；十字鎮分輸站陰極保護電源由恒電位模式自動跳轉到恒電流模式，輸出電流為0.2 A。管道上32個測試樁處測得的管道通/斷電電位如圖4所示。

圖4 第一階段管道通/斷電電位分布

由圖4可見，第一階段，測試區域內靠近池州輸氣站的管道電位負向偏移，其他位置管道電位正向偏移，通電電位最正達7.84 V，出現在CQDS-1300測試樁處，斷電電位最正達1.14 V，出現在CQDS-1350測試樁處，斷電電位最負為-1.05 V，管道的通電電位主要由IR降組成，電流流入流出分界點在CQDS-1240測試樁附近。

本階段，首先保持十字鎮分輸站陰極保護電源的輸出電流不變(1 A)，調整池州輸氣站陰極保護電源的輸出電流大小(0 A，5 A，10 A)，管道沿線通電電位的變化如圖5所示。然后，保持池州輸氣站陰極保護電源的輸出電流不變(0.5 A)，調整十字鎮分輸站陰極保護電源的輸出電流大小(0.2 A，0.5 A，1 A)，管道通電電位變化如圖6所示。需要說明的是，測試中也獲得了不同陰極保護電流對管道斷電電位分布的影響，雖然斷電電位的變化趨勢和通電電位的一致，但斷電電位本身沿線幅度變化較小，為更直觀地說明陰極保護電源的輸出電流對管道電位分布的影響規律，這里只給出了不同陰極保護電源的輸出電流對管道通電電位的影響結果。

由圖5和圖6可知，增大陰極保護電源的輸出電流，管道通電電位會整體下降，距被調整的陰極保護電源越近，管道通電電位下降的幅度越大，反之亦然。將池州輸氣站陰極保護電源的輸出電流從0調整到10 A時，距池州輸氣站陰極保護電源最近管道(CQDS-1231)的通電電位由-2.2 V降低到-5.3 V，距池州輸氣站陰極保護電源最遠管道(CQDS-1388)的通電電位由1.5 V降低到0.9 V。在測試中發現，十字鎮分輸站陰極保護電源的內阻太大，電流輸出受限，輸出電流為1 A時，輸出電壓就基本達到了該陰極保護電源的額定輸出電壓，所以十字鎮分輸站陰極保護電源輸出電流的調整幅度很小，對結果影響不明顯。這一工況下，增大陰極保護電源的輸出電流，電流流入流出分界點會向遠離陰極保護電源的方向偏移，管道上電流流出的區域變小，電流流入的區域增大，管道受直流干擾后的腐蝕情況會減弱。

圖5 第一階段池州輸氣站陰極保護電源的輸出電流對管道通電電位分布的影響

圖6 第一階段十字鎮分輸站陰極保護電源的輸出電流對管道通電電位分布影響

3.2 第二階段調整陰極保護電源輸出

第二階段，直流接地極陽極運行，流出電流3 680 A，池州輸氣站陰極保護電源由恒電位模式自動跳轉到恒電流模式，輸出電流2.8 A；十字鎮分輸站陰極保護電源由恒電位模式自動跳轉到恒電流模式，輸出電流0.8 A。在管道上40個測試樁處進行了管道通/斷電電位測試，與第一階段選取的測試樁相比，第二階段在管道CQDS-1300附近區域進行了加密測試，其他測試位置也根據測試時的實地情況略有調整，管道通/斷電電位分布結果如圖7所示。

圖7 第二階段管道通/斷電電位分布

由圖7可見,第二階段，測試區域內靠近池州輸氣站的管道電位正向偏移，通電電位最正可達-0.5 V，出現在距池州輸氣站最近的CQDS-1232測試樁處，其他位置管道電位負向偏移，通電電位最負可達-6.04 V，出現在CQDS-1303測試樁處。整個測試區域內管道斷電電位波動很小，最正為-0.56 V，最負為-1.22 V，管道的通電電位主要由IR降組成，電流流入流出分界點在CQDS-1235測試樁附近。

本階段，首先保持十字鎮分輸站陰極保護電源的輸出電流不變(0.8 A)，調整池州輸氣站陰極保護電源的輸出電流大小(2 A，4 A，6.9 A)，管道沿線通電電位的變化如圖8所示。然后，保持池州輸氣站陰極保護電源的輸出電流不變(3 A)，調整十字鎮分輸站陰極保護電源的輸出電流大小(0 A，1 A，2 A)，管道通電電位的變化如圖9所示。

圖8 第二階段調整池州輸氣站陰極保護電源的輸出電流對管道通電電位分布的影響

圖9 第二階段十字鎮分輸站陰極保護電源的輸出電流對管道電位分布的影響

由圖8和圖9可知，增大陰極保護電源的輸出電流，管道通電電位會整體下降，距被調整的陰極保護電源越近，管道的通電電位下降的幅度越大，反之亦然。將池州輸氣站陰極保護電源的輸出電流從2 A調整到6.9 A時，距池州輸氣站陰極保護電源最近的管道(CQDS-1232)的通電電位由-0.7 V降低到-1.8 V，距池州輸氣站陰極保護電源最遠的管道(CQDS-1388)的通電電位由-2.6 V降低到-2.7 V。這一工況下，增大陰極保護電源的輸出電流，可使測試區域內管道電流方向都是流入管道，管道受直流干擾后的腐蝕情況會大大減弱。

3.3 討論

從第一階段和第二階段測試的結果可以看出，通過合理布置陰極保護電源的位置，增大陰極保護電源的輸出電流，能夠一定程度解決直流接地極電流對鄰近管道的腐蝕問題。直流接地極陰極運行時，靠近直流接地極的管道電位正向偏移，兩端管道電位負向偏移，在靠近接地極的管道處增大陰極保護電源的輸出電流對于減緩管道腐蝕的效果更好；直流接地極陽極運行時，靠近直流接地極的管道電位負向偏移，兩端管道電位正向偏移，在兩端管道處增大陰極保護電源的輸出電流對于減緩管道腐蝕的效果更好。

在直流接地極電流影響下，管道的通電電位可用于判斷是否存在干擾，也能較好反映出管道電位分布規律。建議運行維護時關注通電電位較高管道段內的引壓管間距和有老化或污漬的絕緣卡套；對于斷電電位高于-0.85 V的管段，宜結合直流接地極單極大地回路運行時間進行管道腐蝕風險的分析和評估。

在直流接地極電流干擾下，管道上不同位置處的通/斷電電位差異較大。陰極保護電源在恒電位輸出模式下，即使通電點得到有效保護(電位達標)，距陰極保護電源較遠的管道處，電位也是不達標的，這種情況下，用單點(通電點)的保護效果去衡量全線的保護效果是不合適的。目前，油氣管道上的陰極保護設備很難完全應對特高壓直流接地極電流對管道的影響，采用大功率陰保設備聯合控制來抵御接地電流對管道的影響是一種可考慮的解決方案，這也為直流接地極電流對埋地油氣管道干問題的治理提供了新思路。

4 結論

(1)直流接地極陰極運行，流入電流5 540 A時，管道上通電電位最正可達7.84 V，斷電電位為-1.05～1.14 V；直流接地極陽極運行，流出電流3 680 A時，管道上通電電位最負可達-6.04 V，斷電電位為-1.22～-0.56 V。

(2)增大陰極保護電源的輸出電流，管道通電電位會整體下降，距被調整的陰極保護電源越近的管道，通電電位下降的幅度越大，反之亦然。

(3)直流接地極陰極運行時，靠近直流接地極的管道電位正向偏移，兩端管道電位負向偏移，在靠近接地極的管道處增大陰極保護電源的輸出電流對于減緩管道腐蝕的效果更好；直流接地極陽極運行時，靠近直流接地極的管道電位負向偏移，兩端管道電位正向偏移，在兩端管道處增大陰極保護電源的輸出電流對于減緩管道腐蝕的效果更好。