高壓直流接地極對管道干擾規(guī)律及緩解措施研究

張浩強 陳少松 張驍勇 徐學(xué)利 劉昊天

（1. 西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2. 北京安科腐蝕技術(shù)有限公司，北京 102211）

0 引言

由于我國能源需求量的快速增長，直流輸電項目和油氣管道的建設(shè)迅速增加。遠(yuǎn)距離大容量的油氣輸送管道，油氣管道走廊穿越的走廊地形復(fù)雜，幾千公里管道可能穿越低電阻率區(qū)域，也可能穿越高電阻率區(qū)域，一般需要采取陰極裝置，管道陰極保護(hù)用的陽極地床選址要求與傳統(tǒng)的直流淺埋接地極極址的選擇原則基本一致，導(dǎo)致直流輸電線路和油氣管道相互靠近或交叉的情況時有發(fā)生。人口密度較大的東南沿海地區(qū)，經(jīng)濟發(fā)展迅速土地資源緊張，為了減少土地資源的浪費，直流輸電項目和油氣管道的建設(shè)有時使用同一區(qū)域土地，這使得我國高壓直流輸電系統(tǒng)對埋地長輸管道及站內(nèi)設(shè)備運行的電干擾問題日益嚴(yán)重的暴露出來。

1 高壓直流輸電系統(tǒng)對管道干擾的產(chǎn)生及規(guī)律

1.1 高壓直流輸電系統(tǒng)對埋地管道的干擾的產(chǎn)生

高壓直流輸電系統(tǒng)可以在很大的空間范圍內(nèi)對埋地長輸管道及站內(nèi)設(shè)備造成干擾問題，這與其運行模式密不可分。高壓直流輸電系統(tǒng)運行方式主要有雙極運行方式、單極大地回路運行方式和單極金屬回路運行方式。

雙極對稱運行模式。理論上，此種運行模式下由于兩極攜帶同樣的諧波電流，因此大地中沒有電流流過。但在實際工況中并非如此，兩極之間的諧波電流差將流過大地，這種不平衡電流一般會小于額定電流的1%[1]。然而，姜子濤等[2]的研究結(jié)論指出，盡管在該模式下運行比較安全，但依舊會使埋地管道通電電位干擾達(dá)到數(shù)百毫伏。大多數(shù)情況下的高壓直流輸電系統(tǒng)皆采用雙極運行模式，因此會對鄰近埋地管道造成持續(xù)干擾。雖然接地電流較低，但長時間的干擾對埋地管道會造成腐蝕的累積。因此，在實際工程中，這種不平衡電流對埋地管道的影響也不容忽視。

單極大地回路運行模式。在投運初期、年度檢修或出現(xiàn)故障排查時，高壓直流輸電系統(tǒng)往往切換為單極大地回路模式運行，輸送電流通過接地極流入大地形成閉合回路，大量電流通過大地回流，會在兩側(cè)接地極周圍極大程度地抬升或降低地電勢，對附近的金屬管道及構(gòu)筑物造成顯著的雜散電流干擾[3]。西氣東輸廣東段埋地管道上監(jiān)測到的304V干擾正是這種工況下造成的[4]。高壓直流接地極的尺寸往往很大，直徑范圍可達(dá)公里級，而且當(dāng)接地極通過幾百甚至上千安電流時，即使在距離較遠(yuǎn)的區(qū)域所產(chǎn)生的地電勢梯度還是較高。盡管高壓直流輸電系統(tǒng)只有較短時間是在單極大地回路模式下運行，隨著時間累積，仍會在管道上引起嚴(yán)重的腐蝕風(fēng)險。顧清林等人[5]對我國不同區(qū)域的17個高壓直流接地極鄰近的埋地管道進(jìn)行了長時間連續(xù)的監(jiān)測，結(jié)果表明高壓直流接地極放電總時長不到全年正常運行時長的1.2%。

單極金屬回路運行模式。為了降低單極大地回路運行方式對自身電力設(shè)施及外源結(jié)構(gòu)物造成的潛在威脅，有時也會采用專用的金屬回路來實現(xiàn)單極運行，電流不經(jīng)過大地回流，而是通過一根金屬電纜線回流。這種運行模式下不會在大地中產(chǎn)生任何雜散電流，但會增加電網(wǎng)的投資，因此未被更廣泛地采用[6]。

1.2 高壓直流輸電系統(tǒng)對管道干擾的規(guī)律

高壓直流輸電系統(tǒng)在周期性或不定期的單極大地回路時，直流電流沿著高壓直流送端和受端接地極之間的大地路徑傳導(dǎo)。這種運行模式下，埋地長輸管道處于接地極入地電流形成的地電勢梯度場中。與接地極單極運行的極性有關(guān)，一部分電流被處于地電勢較高區(qū)域內(nèi)的管道及其接地設(shè)施所吸收，并沿著管道進(jìn)行較長距離傳輸，接著在地電勢較低的區(qū)域內(nèi)排放至大地中[7]。本質(zhì)上來講，根據(jù)管道所處的位置和高壓直流接地極單極運行極性的不同，長輸管道的不同管段可以吸收、傳導(dǎo)或釋放接地極的入地電流。由于雜散電流過大，比管道自身的陰極保護(hù)系統(tǒng)電流可能存在數(shù)量級差異，管道的對地電位在其路由沿線不同的位置相應(yīng)地發(fā)生了不同程度的偏移[6]。當(dāng)與管道接近的高壓直流接地極以陽極模式運行（即向大地中釋放電流）時，來自接地極的雜散電流由位于其附近區(qū)域的管道所吸收，管地電位發(fā)生負(fù)向偏移；然后在遠(yuǎn)離接地極的位置從管道中重新排入大地，管地電位則發(fā)生正向偏移。相反，當(dāng)高壓直流接地極在管道附近以陰極模式運行（即從大地中吸收電流）時，雜散電流在遠(yuǎn)離接地極的區(qū)域由管道所吸收，管地電位發(fā)生負(fù)向偏移；而在接地極附近的管道中重新排入大地，管地電位則正向偏移。

2 高壓直流接地極對管道干擾的影響因素

高壓直流接地極單極大地回路運行對管道造成的干擾程度以及影響范圍與多個因素有關(guān)，包括接地極的入地電流大小、管道防腐層質(zhì)量、電連續(xù)性長度、與接地極的垂直間距等，以及接地極和管道沿線的土壤環(huán)境。通過大量的現(xiàn)場干擾監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合仿真計算方法[7,8]，已得到上述因素對高壓直流干擾的影響規(guī)律如下。

2.1 接地極入地電流

當(dāng)管道和土壤環(huán)境條件保持一致時，管道干擾水平與接地極入地電流大小呈正相關(guān)關(guān)系。接地極單極大地回路運行時，入地電流越大，對附近管道干擾電位的偏移影響越明顯，而發(fā)生電位偏移的管段長度則不會變化。

2.2 防腐層質(zhì)量

接地極陽極運行時，大量電流涌入大地導(dǎo)致附近土壤電位相對于遠(yuǎn)地大幅抬升，由于防腐層的阻隔，管道產(chǎn)生了很高的管地電位差。防腐層電阻率越高，管道近地電位越高。當(dāng)管道長度較短時，防腐層類型和質(zhì)量對管道所受干擾影響較小。但隨著管道長度增加，干擾影響相應(yīng)增大。防腐層質(zhì)量越好，管道的干擾范圍則越大。

2.3 管道電連續(xù)性長度

當(dāng)管道縱向無任何絕緣部件時，隨著管道長度的增加靠近接地極位置處管道干擾升高，遠(yuǎn)離直流接地極位置處管道干擾降低。當(dāng)管道縱向長度越長，靠近接地極近端管道發(fā)生電位偏移的范圍增加，即干擾距離增大。

2.4 管道與接地極的間距

隨著接地極與管道間的垂直距離增加，管道受接地極干擾的電位偏移幅度相應(yīng)減小，但發(fā)生電位偏移的管段范圍則變化不大。我國DL/T5224《高壓直流輸電大地返回系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)范》中提出：如果直流接地極與地下金屬管道等地下金屬構(gòu)件的最小距離小于10km時，應(yīng)計算接地極的電流對這些設(shè)施產(chǎn)生的不良影響。曹國飛等[9]利用數(shù)值模擬計算對高壓直流接地極對埋地管道干擾產(chǎn)生的人身安全影響進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，埋地管道越長所受干擾范圍越大，所需的安全距離越大。

2.5 土壤特性

土壤結(jié)構(gòu)和電阻率對管道所受的直流干擾影響很大。上層土壤電阻率低、下層土壤電阻率高的結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生比較高的干擾電壓；而相反，上層土壤電阻率高、下層土壤電阻率低的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的干擾電壓則較低。結(jié)構(gòu)均勻土壤環(huán)境中，土壤電阻率越高，接地極對管道造成的干擾越大。呂超等[10]研究得出以下結(jié)論：表層電阻率的降低使得整體土壤電阻率降低，導(dǎo)致直流接地極對長輸管道的干擾也降低。表層土壤對干擾的影響與其厚度密切相關(guān)。高壓直流接地極附近管道所處土壤的電阻率對直流干擾的影響很大。

3 埋地管道直流干擾防護(hù)措施及其應(yīng)用

埋地管道的高壓直流干擾防護(hù)措施可以參考現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中推薦的常見直流雜散電流干擾治理方法，包括絕緣隔離、防腐層修復(fù)、排流保護(hù)、陰極保護(hù)、屏蔽、路由避讓、從源頭減少排放等[11]。這些標(biāo)準(zhǔn)均提出，對直流干擾的治理應(yīng)該從設(shè)計階段開始考慮。然而，干擾源和管道之間的安全距離受到多個因素的復(fù)雜影響，往往難以確定。研究人員通過仿真計算研究了接地極電流干擾下影響防護(hù)距離的因素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤電阻率和管道防腐層類型對管道防護(hù)距離的影響較大，而極化效應(yīng)引起的局部土壤pH變化幾乎不改變管道的防護(hù)距離[12]。

3.1 防腐層修復(fù)

管道防腐層缺陷點會成為雜散電流流入和流出的通道，修復(fù)防腐層缺陷可減少管道內(nèi)的雜散電流。處于干擾區(qū)域的管道應(yīng)定期進(jìn)行防腐層質(zhì)量及絕緣性能檢測，以便及時發(fā)現(xiàn)防腐層缺陷，并及時修復(fù)，降低管道的雜散電流干擾強度。

3.2 絕緣隔離

使用絕緣隔離方法可以降低管道電連接長度，達(dá)到防護(hù)的效果[13]。在被干擾管道上安裝絕緣裝置，可以通過增大被干擾管道回路電阻來減少管道的雜散電流干擾強度，并縮短干擾范圍。對于干擾復(fù)雜且采取其它干擾防護(hù)措施后無法有效緩解干擾的管段，可通過絕緣裝置將其從整條管道中隔離出來，便于單獨采取針對性措施。采用絕緣隔離措施后應(yīng)特別注意電絕緣裝置兩端可能形成的新的干擾點。分段隔離措施對限制干擾影響范圍，并可減小管道電位正向和負(fù)向偏移，分段隔離點宜選擇在干擾電壓的正偏移與負(fù)偏移之差的中間位置處。

3.3 排流保護(hù)

排流保護(hù)有多種方式，其中鋅帶排流和強制排流是常用的方式。鋅帶排流措施對緩解管道電位的正向和負(fù)向偏移均有效，是適用于已建管道的常見措施。其優(yōu)點是鋅帶本身的作用是接地，不需要特殊的調(diào)控，整體結(jié)構(gòu)簡單，不需要外部供電，因此排流設(shè)施可以放置在野外。強制排流是將埋地管道上的雜散電流引向排流器，并經(jīng)由排流器流入大地或流回干擾源，從而避免雜散電流直接從管道流入土壤造成電化學(xué)腐蝕[14]。排流器不能影響陰保系統(tǒng)的工作，同時要考慮其自身受到的雷電過電壓和高壓輸電塔故障電流的影響[15]。

3.4 陰極保護(hù)

作為干擾防護(hù)措施的陰極保護(hù)系統(tǒng)可采用以下兩種方式：一是利用現(xiàn)有陰極保護(hù)系統(tǒng)，調(diào)整其運行參數(shù)以適應(yīng)干擾防護(hù)的需要；二是增設(shè)強制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)。增設(shè)的強制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置在被干擾管道的陽極區(qū)，其輔助陽極地床距管道不小于20m。如果在管地電位正負(fù)交變的場合使用犧牲陽極時，應(yīng)在管道與犧牲陽極之間串接單向?qū)娖髟?/p>

3.5 干擾防護(hù)措施的應(yīng)用

孟曉波等[16]分析了敷設(shè)防腐層和加設(shè)絕緣接頭對直流接地極的影響，對抑制管地電位的效果和規(guī)律，結(jié)果表明：管地電位對管道防腐層的電阻率和厚度依賴較小；加設(shè)絕緣接頭的管道可使管地電位顯著降低，進(jìn)一步使得入地電流對管道的直流干擾降低。

付龍海等[17]通過某工程實踐和計算定量探究了管地電位受直流接地極周圍管道及沿線環(huán)境上土壤結(jié)構(gòu)、土壤電阻率和接地極與管道間距離的影響，結(jié)果表明，距離越小干擾的程度越大，且傳導(dǎo)的干擾幅值受土壤環(huán)境影響較大。應(yīng)根據(jù)實際情況選擇合適的集中接地排流和緩解線排流措施。

北美Trans Mountain管道系統(tǒng)受到不列顛哥倫比亞至溫哥華島高壓直流輸電系統(tǒng)干擾，Verhiel等人[18]設(shè)置了3處強制排流系統(tǒng)在高壓直流干擾最嚴(yán)重位置，進(jìn)而施加反向電流，抵抗高壓直流干擾，最終緩解效果增強。

曹方圓等[19]研究了土壤結(jié)構(gòu)對直流接地極干擾下管道泄漏電流的影響，通過計算得出，土壤電阻率對泄漏電流影響成正比。在表層土壤電阻率大于底層土壤電阻率的情況下，比率越大管道的泄漏電流密度越小。總的來說，管道泄漏電流分布受土壤結(jié)構(gòu)影響較大。

廖永力等[20]的研究中，利用接地極仿真分析建立了對管道采取防腐層、絕緣接頭措施的等效電路模型，通過對比防護(hù)措施對降低管地電位的效果，結(jié)果表明：防腐層電阻率很大的情況時，其厚度對管地電位的影響很小。在管道上加設(shè)絕緣接頭可以減小管地電位。總的來說，在建設(shè)管道設(shè)計時，應(yīng)充分考慮優(yōu)化站場的選址，合理的設(shè)置絕緣段。

4 總結(jié)與展望

由于高壓直流接地極單極大地運行具有干擾程度高、發(fā)生時間不固定、干擾的極性不確定等特點導(dǎo)致人們無法通過單一的防護(hù)措施來緩解其對埋地管道的影響，需要通過多種防護(hù)措施組合的方式來達(dá)到緩解目的。目前國內(nèi)外就高壓直流輸電系統(tǒng)接地極對管道干擾問題的治理措施尚未形成系統(tǒng)成熟的規(guī)范性指導(dǎo)。主要難點仍在于達(dá)到最優(yōu)保護(hù)效果時的各種參數(shù)的設(shè)置及優(yōu)化防護(hù)措施。這些都需要借助人工智能、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)尋求防護(hù)措施的自動優(yōu)化設(shè)計，所以這些將是該領(lǐng)域未來的研究熱點方向及趨勢。