直流接地極電流干擾下陰極保護(hù)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(xué)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(fā)生[1-5]。特別是在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，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(wǎng)云廣線增城換流站出現(xiàn)故障，雙極運(yùn)行改為單極運(yùn)行，導(dǎo)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?cái)嚅y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(yùn)行時，接地極入地電流達(dá)1 800 A，導(dǎo)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(diào)節(jié)該管段陰極保護(hù)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(hù)電源報警并自動關(guān)閉。

近幾年，國內(nèi)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(jì)算方法[7-9]、評價指標(biāo)[10-14]、防護(hù)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(hù)措施設(shè)計(jì)方面，主要通過仿真計(jì)算[19]的手段進(jìn)行。但在實(shí)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(huán)境十分復(fù)雜，仿真計(jì)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(jìn)行等效處理。另外，考慮管道非線性極化特性的計(jì)算方法目前還不成熟，使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)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(hù)措施效果的最佳途徑還是現(xiàn)場測試。

直流輸電工程一般以雙極運(yùn)行，這種運(yùn)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(tǒng)調(diào)試、檢修或故障時才會出現(xiàn)單極大地回路運(yùn)行的工況，而系統(tǒng)故障具有不可預(yù)判性且持續(xù)時間很短，所以只有系統(tǒng)調(diào)試時才具備計(jì)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(xiàn)場測試案例主要關(guān)注管道防護(hù)措施的防護(hù)效果，關(guān)于調(diào)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(diào)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(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測，并調(diào)整距接地極最近的兩個陰保站內(nèi)陰極保護(hù)電源的輸出電流大小，研究了陰極保護(hù)電源的輸出電流對管道電位分布的影響。相關(guān)測試結(jié)果可為川氣東送管道的安全運(yùn)行維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐，也可為后續(xù)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(shè)，內(nèi)外環(huán)直線段長都是380 m，兩端半圓半徑分別為180、215 m，外環(huán)電極埋深為4.5 m，內(nèi)環(huán)電極埋深為3.5 m。2019年1月系統(tǒng)調(diào)試中，涇縣接地極陰極運(yùn)行，流入電流約為5 540 A；2019年9月系統(tǒng)調(diào)試中，涇縣接地極陽極運(yùn)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(jié)構(gòu)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(zhèn)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(hù)電源，陰保站兩側(cè)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(qū)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(guān)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(shù)

用大地電磁測深法測接地極附近的土壤電阻率及對應(yīng)厚度，結(jié)果見表1。將管道測試區(qū)域內(nèi)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(shù)據(jù)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(nèi)的電阻率在100～200 Ω·m。測試區(qū)域內(nèi)管道經(jīng)過了水田、農(nóng)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(nèi)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(fù)偏，而管道電位過負(fù)會增大管道氫脆的風(fēng)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(guī)律。

2.1 測試內(nèi)容

為獲得直流接地極電流影響下，陰極保護(hù)電源的輸出電流水平對管道電位分布的影響規(guī)律，在昌吉-古泉±1 100 kV特高壓直流輸電工程調(diào)試期間，對川氣東送管道安裝測試設(shè)備，進(jìn)行管道通/斷電電位分布測試。分別調(diào)整距涇縣接地極最近的兩個陰保站(池州輸氣站、十字鎮(zhèn)分輸站)內(nèi)陰極保護(hù)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(jìn)行測試。

2.2 測試方法

根據(jù)GB/T 50991-2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 21246-2007《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測量方法》中推薦的測試方法對管道進(jìn)行通/斷電電位測試。使用的測試設(shè)備包括管道陰保干擾測試儀、數(shù)據(jù)記錄儀。陰極保護(hù)電源顯示和調(diào)節(jié)面板見圖2。

圖2 陰極保護(hù)電源顯示和調(diào)節(jié)面板

測量管道通/斷電電位前，預(yù)先在管道一側(cè)埋設(shè)鋼質(zhì)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(shù)據(jù)記錄儀配合便攜式銅/硫酸銅參比電極對管地電位進(jìn)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(shù)據(jù)。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(hù)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(hù)電源的輸出電壓和輸出電流。

3 陰極保護(hù)電源輸出調(diào)整的影響

昌吉-古泉±1 100 kV特高壓直流工程調(diào)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(nèi)，選擇32～40個測試樁進(jìn)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(zhèn)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(diào)整管道已有陰保系統(tǒng)對直流接地極電流干擾下管道電位分布的影響，進(jìn)行了2個階段(直流接地極陰極運(yùn)行和陽極運(yùn)行)的陰極保護(hù)電源輸出調(diào)整,并測試了對應(yīng)的管道電位。

3.1 第一階段調(diào)整陰極保護(hù)電源輸出

第一階段，直流接地極陰極運(yùn)行，流入電流5 540 A，池州輸氣站陰極保護(hù)電源由恒電位模式自動跳轉(zhuǎn)到恒電流模式，輸出電流為0.5 A；十字鎮(zhèn)分輸站陰極保護(hù)電源由恒電位模式自動跳轉(zhuǎn)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(qū)域內(nèi)靠近池州輸氣站的管道電位負(fù)向偏移，其他位置管道電位正向偏移，通電電位最正達(dá)7.84 V，出現(xiàn)在CQDS-1300測試樁處，斷電電位最正達(dá)1.14 V，出現(xiàn)在CQDS-1350測試樁處，斷電電位最負(fù)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(diǎn)在CQDS-1240測試樁附近。

本階段，首先保持十字鎮(zhèn)分輸站陰極保護(hù)電源的輸出電流不變(1 A)，調(diào)整池州輸氣站陰極保護(hù)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(hù)電源的輸出電流不變(0.5 A)，調(diào)整十字鎮(zhèn)分輸站陰極保護(hù)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(hù)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(hù)電源的輸出電流對管道電位分布的影響規(guī)律，這里只給出了不同陰極保護(hù)電源的輸出電流對管道通電電位的影響結(jié)果。

由圖5和圖6可知，增大陰極保護(hù)電源的輸出電流，管道通電電位會整體下降，距被調(diào)整的陰極保護(hù)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(hù)電源的輸出電流從0調(diào)整到10 A時，距池州輸氣站陰極保護(hù)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(hù)電源最遠(yuǎn)管道(CQDS-1388)的通電電位由1.5 V降低到0.9 V。在測試中發(fā)現(xiàn)，十字鎮(zhèn)分輸站陰極保護(hù)電源的內(nèi)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(dá)到了該陰極保護(hù)電源的額定輸出電壓，所以十字鎮(zhèn)分輸站陰極保護(hù)電源輸出電流的調(diào)整幅度很小，對結(jié)果影響不明顯。這一工況下，增大陰極保護(hù)電源的輸出電流，電流流入流出分界點(diǎn)會向遠(yuǎn)離陰極保護(hù)電源的方向偏移，管道上電流流出的區(qū)域變小，電流流入的區(qū)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(hù)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(zhèn)分輸站陰極保護(hù)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(diào)整陰極保護(hù)電源輸出

第二階段，直流接地極陽極運(yùn)行，流出電流3 680 A，池州輸氣站陰極保護(hù)電源由恒電位模式自動跳轉(zhuǎn)到恒電流模式，輸出電流2.8 A；十字鎮(zhèn)分輸站陰極保護(hù)電源由恒電位模式自動跳轉(zhuǎn)到恒電流模式，輸出電流0.8 A。在管道上40個測試樁處進(jìn)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(qū)域進(jìn)行了加密測試，其他測試位置也根據(jù)測試時的實(shí)地情況略有調(diào)整，管道通/斷電電位分布結(jié)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(qū)域內(nèi)靠近池州輸氣站的管道電位正向偏移，通電電位最正可達(dá)-0.5 V，出現(xiàn)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(fù)向偏移，通電電位最負(fù)可達(dá)-6.04 V，出現(xiàn)在CQDS-1303測試樁處。整個測試區(qū)域內(nèi)管道斷電電位波動很小，最正為-0.56 V，最負(fù)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(diǎn)在CQDS-1235測試樁附近。

本階段，首先保持十字鎮(zhèn)分輸站陰極保護(hù)電源的輸出電流不變(0.8 A)，調(diào)整池州輸氣站陰極保護(hù)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(hù)電源的輸出電流不變(3 A)，調(diào)整十字鎮(zhèn)分輸站陰極保護(hù)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(diào)整池州輸氣站陰極保護(hù)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(zhèn)分輸站陰極保護(hù)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(hù)電源的輸出電流，管道通電電位會整體下降，距被調(diào)整的陰極保護(hù)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(hù)電源的輸出電流從2 A調(diào)整到6.9 A時，距池州輸氣站陰極保護(hù)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(hù)電源最遠(yuǎn)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(hù)電源的輸出電流，可使測試區(qū)域內(nèi)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(jié)果可以看出，通過合理布置陰極保護(hù)電源的位置，增大陰極保護(hù)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(yùn)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(fù)向偏移，在靠近接地極的管道處增大陰極保護(hù)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(yùn)行時，靠近直流接地極的管道電位負(fù)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(hù)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(guī)律。建議運(yùn)行維護(hù)時關(guān)注通電電位較高管道段內(nèi)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(jié)合直流接地極單極大地回路運(yùn)行時間進(jìn)行管道腐蝕風(fēng)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(hù)電源在恒電位輸出模式下，即使通電點(diǎn)得到有效保護(hù)(電位達(dá)標(biāo))，距陰極保護(hù)電源較遠(yuǎn)的管道處，電位也是不達(dá)標(biāo)的，這種情況下，用單點(diǎn)(通電點(diǎn))的保護(hù)效果去衡量全線的保護(hù)效果是不合適的。目前，油氣管道上的陰極保護(hù)設(shè)備很難完全應(yīng)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(shè)備聯(lián)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(jié)論

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

(2)增大陰極保護(hù)電源的輸出電流，管道通電電位會整體下降，距被調(diào)整的陰極保護(hù)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(yùn)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(fù)向偏移，在靠近接地極的管道處增大陰極保護(hù)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(yùn)行時，靠近直流接地極的管道電位負(fù)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(hù)電源的輸出電流對于減緩管道腐蝕的效果更好。