直流接地極對鄰近埋地金屬管道影響測試與分析

曹方圓 白 鋒

（中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192）

0 引言

直流輸電系統(tǒng)接地極電流會對鄰近的埋地金屬管道造成腐蝕和危險影響，在直流接地極與埋地金屬管道距離較近的地方，直流接地極入地電流對附近管道的影響會很大[1]，工程中出現(xiàn)過多例直流接地極電流造成的管道安全運行事故[2]。在此背景下，電力部門和管道部門對于直流接地極對油氣管道的影響問題越來越重視，相繼開展了相關(guān)的研究工作[3-5]。其中，現(xiàn)場測試是掌握直流接地極對管道影響水平最直接、最有效的手段。

電力行標(biāo)DL/T 5224-2014《高壓直流輸電大地返回系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》[6]中規(guī)定，對于公眾不可接觸到的地上金屬體，在單極額定電流下，接地極導(dǎo)體對導(dǎo)流構(gòu)架（桿塔）間的電壓不宜大于50V；在過負(fù)荷電流情況下，通信系統(tǒng)最大轉(zhuǎn)移電位不宜大于60V，該電壓可作為管道受到直流干擾時人體安全的危險電壓。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中[7,8]的腐蝕速率指標(biāo)值（0.0254mm/a、0.01mm/a）主要是用于判斷陰保系統(tǒng)是否滿足要求的控制值，都屬于腐蝕可忽略的水平（基于當(dāng)極化電位為-850mV或極化電位偏移100mV時所測得的金屬腐蝕速率），其用于作為直流接地極電流干擾下的允許腐蝕量過于嚴(yán)格，需要雙方共同協(xié)商提出一個適用于高壓直流接地極對埋地油氣管道直流腐蝕影響的評判指標(biāo)值。GB/T 21448-2017規(guī)定，管道的陰極保護電位應(yīng)為-850mV（CSE）或更負(fù)，但不能比-1200mV（CSE）更負(fù)[9]，也即管道的陰極保護電位應(yīng)控制在-0.85V～-1.2V之間。

本文針對直流接地極對埋地金屬管道的影響，在德陽-寶雞±500kV直流輸電工程運行期間，對千陽接地極鄰近的蘭鄭長成品油管道進行了為期一年的現(xiàn)場測試，獲得了千陽接地極對蘭鄭長成品油管道的影響水平和管道電壓電流分布規(guī)律，相關(guān)測試結(jié)果可為蘭鄭長成品油管道的安全運行維護提供數(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

德陽-寶雞±500kV直流輸電工程已于2009年底正式投運，該工程額定輸送容量3000MW，接地極額定電流3000A。蘭鄭長成品油管道使用的是三層結(jié)構(gòu)的聚乙烯（3PE）防腐層，埋深2m，管徑610mm，壁厚約為9.5mm。千陽接地極距蘭鄭長成品油管道最近距離約3.5km，管道上距接地極最近的測試樁為445號測試樁，最近的閥室為15號閥室，接地極與管道相對位置關(guān)系如圖1所示。用大地電磁測深法測得的千陽接地極附近的深層土壤電阻率及對應(yīng)厚度如表1所示。土壤在水平方向大致分為3層，第一層電阻率在30～55Ω.m，厚度約50m，第二層電阻率在10～30Ω.m，厚度約1000m；最后一層電阻率較大，在500Ω.m以上。

表1 千陽接地極附近土壤參數(shù)

圖1 接地極與管道相對位置

2 測試內(nèi)容及方法

從2020年1月到12月，在蘭鄭長成品油管道上的27個位置安裝了智能測試樁（測試樁編號從403#～545#不等間距取點，靠近接地極處取點間隔密集），進行了管道測試樁處通/斷電電位測試和泄漏電流測試；在距接地極最近的三個測試樁處（444、445、446）埋設(shè)ER腐蝕速率探頭，進行管道腐蝕速率測試，其中444#探頭未與管道連接，做自腐蝕監(jiān)測。預(yù)先在管道一側(cè)埋設(shè)鋼質(zhì)檢查片，與管道同埋深，其中測量管道電位所用的試片表面積為1cm2，測量管道泄漏電流密度所用的試片表面積為10cm2，每5分鐘測量一次通/斷電電位和泄漏電流，如果通電電位正于-0.5V或負(fù)于-2.5V，設(shè)備記錄異常信息，并將監(jiān)測速率提升至每10秒測量一次通/斷電電位和泄漏電流。接線示意圖如圖2所示，現(xiàn)場安裝智能測試樁如圖3所示。

圖2 管道檢查片通/斷電位、泄漏電流測試方法示意圖

圖3 現(xiàn)場安裝智能測試樁

3 測試結(jié)果

測試期間，千陽接地極入地電流及對應(yīng)時間如表2所示，入地電流為正表示接地極陽極運行，電流流出接地極，入地電流為負(fù)表示接地極陰極運行，電流流入接地極。分別以接地極不同運行方式下的最大電流為例說明對管道的影響。2020年8月20日下午14:00出現(xiàn)直流工程單極大地回路工況（接地極陽極運行，流出3014A電流）后，管道通/斷電電位及泄漏電流分布如圖4所示（圖中通/斷電電位及泄漏電流皆為穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)）。

表2 千陽接地極入地電流情況（2020.1～2020.12）

圖4 蘭鄭長成品油管道通/斷電電位及泄漏電流分布（2020.8.20）

從測試結(jié)果可以看出，距接地極較近的測試樁處管道通/斷電電位負(fù)向偏移、泄漏電流流入管道，距接地極較遠的測試樁處管道通/斷電電位正向偏移、泄漏電流流出管道。管道上通電電位最負(fù)達-10.2V，斷電電位最負(fù)達-8.51V，出現(xiàn)在距接地極較近的管道測試樁處。除個別點外（452#測試樁），管道泄漏電流分布曲線基本與通/斷電電位分布曲線一致，泄漏電流范圍為-67.61～0.57mA，對應(yīng)的泄漏電流密度范圍為-67.61～0.57A/m2，管道受到了嚴(yán)重的接地極電流干擾。根據(jù)管道的極化特性可以判斷出，測量得到的管道斷電電位只是消除了從管道流入/流出電流引起的IR降，但仍包含了有接地極電流在土壤中分布引起的IR降，不能準(zhǔn)確的反映出管道本身的極化電位。

2020年12月31日上午10:00出現(xiàn)直流工程單極大地回路工況（接地極陰極運行，流入3012A電流）后，管道通/斷電電位及泄漏電流分布如圖5所示（圖中通/斷電電位及泄漏電流皆為穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)）。

圖5 蘭鄭長成品油管道通/斷電電位及泄漏電流分布（2020.12.31）

從測試結(jié)果可以看出，距接地極較近的測試樁處管道通/斷電電位正向偏移、泄漏電流流出管道，距接地極較遠的測試樁處管道通/斷電電位負(fù)向偏移、泄漏電流流入管道。管道上通電電位正向偏移達9.07V，斷電電位正向偏移達7.41V，出現(xiàn)在距接地極較近的管道測試樁處。除個別點外（452#測試樁），管道泄漏電流分布曲線也基本與通/斷電電位分布曲線一致，泄漏電流范圍為-6.99～55.61mA，對應(yīng)的泄漏電流密度范圍為-6.99～55.61A/m2，管道受到了嚴(yán)重的接地極電流干擾。根據(jù)管道的極化特性可以判斷出，測量得到的管道斷電電位只是消除了從管道流入/流出電流引起的IR降，但仍包含了有接地極電流在土壤中分布引起的IR降，不能準(zhǔn)確的反映出管道本身的極化電位。

在444#、445#、446#測試樁處安裝的ER腐蝕速率探頭厚度變化如表3所示。

表3 蘭鄭長成品油管道ER腐蝕速率探頭厚度變化

從ER腐蝕速率探頭測試結(jié)果可知，從2020年4月～11月，未與管道連接的腐蝕速率測試試片腐蝕厚度約33um，與管道連接的腐蝕速率測試試片大部分時間受到了管道的陰極保護，小部分時間受到接地極的直流干擾而加速腐蝕，腐蝕厚度約3～4um。

4 分析與總結(jié)

德陽-寶雞±500kV直流輸電工程單極大地回路方式運行時，通過千陽接地極流入/流出的電流最高為3000A左右，管道上通/斷電電位及泄漏電流密度有大幅波動。受接地極電流影響后，管道通電電位最大值（絕對值）約為10.2V左右，不超過電力行標(biāo)DL/T 5224-2014中規(guī)定的人體安全電壓限值，對人身、設(shè)備（主要包括陰極保護電源、絕緣卡套等）安全不會造成威脅，斷電電位超出了管道陰極保護準(zhǔn)則規(guī)定的管道極化電位范圍（-0.85～-1.2V），不滿足管道運行要求；泄漏電流流出最大值為55.61mA，出現(xiàn)在443#測試樁處，對應(yīng)泄漏電流密度為5.561mA/cm2，通過法拉第電解定律計算，等效的每小時腐蝕深度約為0.00744mm，若以0.0254mm/a作為年腐蝕深度控制值，每年允許腐蝕時長約為3.4h。

距接地極最近的3個測試樁處安裝了ER腐蝕速率探頭（其中444#探頭未與管道連接，自腐蝕監(jiān)測），2020年4月～11月的測試結(jié)果表明，與管道連接的腐蝕速率測試試片腐蝕厚度約3～4um，未與管道連接的腐蝕速率測試試片腐蝕厚度約33um。可以看出，蘭鄭長成品油管道陰極保護裝置投入運行后，大幅削弱了管道的自腐蝕，也抵消了部分接地極電流對管道的腐蝕影響。

從影響水平來看，德陽-寶雞±500kV直流輸電工程單極大地回路運行時，對蘭鄭長成品油管道的影響很大，與幾方面因素有關(guān)：一是接地極距管道較近（約3.5km），二是接地極附近底層土壤電阻率很大（5km深度范圍外土壤電阻率超過了10000Ω·m）。

在測試中還發(fā)現(xiàn)，很小的接地極干擾帶來的管道斷電電位偏移，就會使得管道電位不滿足陰極保護準(zhǔn)則規(guī)定的電位范圍，甚至在沒有接地極電流干擾時，管道的斷電電位有時也會超出這一范圍。評估管道干擾的指標(biāo)有很多，包括年腐蝕量、管道極化電位偏移量、管道陰極保護準(zhǔn)則等，而直流接地極有短時入地電流大、方向固定，大部分時間入地電流小的特點，部分管道干擾評價指標(biāo)并不適用于評估直流接地極對管道的干擾。