直流接地極與埋地金屬間安全距離的分析

國能九江發(fā)電有限公司 何趙亮 鐘 凱 李向明

安徽正廣電電力技術(shù)有限公司 王 亮

1 引言

電力系統(tǒng)對管道系統(tǒng)等長距離埋地金屬網(wǎng)絡(luò)存在多方面的影響，如負載電流的交流干擾[1]、雷擊故障對管道絕緣的破壞[2]、短路故障的工頻續(xù)流對管道絕緣的燒蝕破壞[3]等。由于目前土地資源日漸緊張，設(shè)計時電力系統(tǒng)與管道系統(tǒng)間的距離不斷地靠近，甚至出現(xiàn)共同狹窄線路走廊的情況[4]。此時管道系統(tǒng)出現(xiàn)了更加嚴重的電磁兼容問題，造成了大量的管道安全事故，管道系統(tǒng)安全運行和人民生活造成了非常不良的影響[5]。

近年來，我國加快了直流輸電建設(shè)的步伐，管道系統(tǒng)受直流輸電的影響問題開始呈現(xiàn)并變得嚴重起來。數(shù)千A 直流電流通過接地極入地，研究接地極與埋地金屬間安全距離就顯得十分必要了。首先，管道系統(tǒng)有大量的工作人員，保證人員生命安全是首要問題；其次，管道的各種防護措施應(yīng)不受損壞。另外，在正常運行情況下，直流輸電過程中存在微量不處于平衡狀態(tài)的電流，能夠直接經(jīng)由直流接地極順利流入到大地中，此時，空間的電位分布和電流分布都會影響管道系統(tǒng)的正常工作。這也是管道系統(tǒng)設(shè)計和運行時候需要重點考慮的問題。

出于安全考慮，氣路引壓管中間加設(shè)了絕緣接頭，由于連接絕緣接頭的金屬卡套距離很近，難免會在強大的直流干擾時不發(fā)生金屬管線之間或金屬卡套之間發(fā)生放電現(xiàn)象。

目前雖然有很多緩解HVDC 干擾管道的方法，但并不能從根本上斷絕直流入地電流對埋地管道帶來的干擾。管道工程的類型和環(huán)境的多樣性、直流電流的高強度、影響范圍的廣泛性、實時監(jiān)控的技術(shù)阻礙、各種緩解技術(shù)如何高效組合，都使得HVDC 腐蝕干擾的防護技術(shù)難上加難，如何利用現(xiàn)有技術(shù)更有效地緩解HVDC 的干擾腐蝕成為新的發(fā)展方向。

鑒于目前管道系統(tǒng)受直流輸電影響的研究還處于起步階段，合理選取管道與直流極的距離就顯得十分重要了。本文的分析：確定接地極對周圍油氣管道人身安全、設(shè)備（含陰極保護）安全及管道腐蝕等影響的評估原則；計算評估接地極對周圍油氣管道的安全影響、電腐蝕影響、陰極保護系統(tǒng)影響情況；提出防護措施建議。

2 管道安全問題的評估標(biāo)準(zhǔn)

2.1 人身安全

HVDC 在調(diào)試期間單極運行時，會有額定電流大小的直流入地，在正常的雙極運行時也會有不平衡電流流入土壤。入地直流在極址附近將形成一個恒定的直流電流場，由于土壤電阻存在，將伴隨出現(xiàn)大地電位升高、跨步電位差和接觸電位差等，對極址附近的人畜產(chǎn)生影響。

目前還沒有針對直流接地極下人身安全的明確性指標(biāo)，但是需要按照標(biāo)準(zhǔn)我國《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》要求、DL/T 437-2012《高壓直流接地極技術(shù)導(dǎo)則》和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》，可總結(jié)人身安全的限值。對于非共用接地極，在一極最大過負荷電流下，地面任意點跨步電位差不得超過Upm；當(dāng)其中一段接地極退出運行時，Upm不得超過50V。其中：

對于分體式接地極，當(dāng)一個接地極因事故原因退出運行時（≤30min），額定電流下的最大跨步電位差應(yīng)不大于2.5倍的Upm，且不應(yīng)超過50V。

DL/T 5224-2014規(guī)定了直流接地極接觸電位差允許值為：

可以看出，為不影響接地極周邊居民的正常生活，同時兼顧小概率事件發(fā)生，接地極的人身安全限值標(biāo)定要取人體感知電流下限。

2.2 設(shè)備安全

陰極保護系統(tǒng)由局部接地、犧牲陽極和強制陰極三部分組成。局部接地裝置能夠起到減緩電力故障的作用，交直流系統(tǒng)和電氣鐵軌均會對周邊埋置的金屬管道產(chǎn)生影響，可以在一定程度上降低強電沖擊力對金屬管道輔助設(shè)施、陰極保護裝置、防腐層的損害影響。局部接地裝置一般不會和金屬管道具有直接連接關(guān)系，往往是采用固態(tài)去耦合器和金屬管道連接在一起。在流經(jīng)的直流電流相對比較h，固態(tài)去耦合器梁端位置的電壓往往低于裝置正常啟動電壓，由于裝置不具備導(dǎo)通能力，可以用來隔離處理陰極保護電流，能夠降低電流損失。在直流電流相對比較大的時候，運用固態(tài)去耦合器開展導(dǎo)通處理，能夠為電流提供雙向流通通道。在研究直流接地極對金屬管道產(chǎn)生的影響時，一旦管道內(nèi)部流經(jīng)的直流電流比較大，固態(tài)去耦合器大都處在導(dǎo)通狀態(tài)，此時去耦合器相當(dāng)于連接管道和接地裝置的電壓源，電壓大小基本和固態(tài)去耦合器電壓相同。固態(tài)去耦合器的電壓一般取2V。

犧牲陽極的保護方式主要是形成將電纜直接和金屬管道形成電氣連接關(guān)系，在將要被犧牲的陽極位置放置比金屬管道更加活潑的金屬，此時處在比金屬管道更小的負電位狀態(tài)，在管道完成連接后，將會在電化學(xué)影響下，犧牲陽極保護陰極，從而達到減慢金屬管道被腐蝕速度的目的。在采取犧牲陽極保護金屬管道方式時，兩種金屬表層可能會形成接觸電位差，此時金屬管道和陽極連接的管道電壓源會將陽極視為普通接地體，此時在展開計算時需要重點考慮陽極布置位置對金屬管道產(chǎn)生的直接影響。

3 地表電位和電流密度的計算方法

影響管道與直流接地極距離的核心要素是：地電定位分布與電流密度分布。

對陸地型直流接地極而言，工程設(shè)計常使用水平層狀大地模型。水平層狀大地模型如圖1所示。

圖1 水平層狀大地模型

由式（1）可以導(dǎo)出空間電位分布f、空間電場分布（Ex, Ey, Ez）和空間電流密度分布（Jx, Jy,Jz）的關(guān)系為：

式（5）的上標(biāo)箭頭表示向量。通過式（8）～式（10）就可以開展接地極地理電流密度分布的數(shù)值分析了：

至此，可以完成地電定位分布與電流密度分布的數(shù)值計算。

4 算例

以某廣域?qū)訝畲蟮啬Ｐ停f明本文方法的具體應(yīng)用。土壤模型由四極法和大地電磁法聯(lián)合勘探取得，反演依據(jù)改進的人工蜂群智能優(yōu)化算法，為彌補算法局部搜索能力不足，嵌入局部共軛梯度搜索，反演得到的14層廣域大地土壤模型的參數(shù)詳見表1。

表1 水平14層大地參數(shù)

算例中為油氣管道，其距離直流接地極的最近距離為21km，考慮最嚴重影響情況下，即直流極入地電流為2h 過負荷電流5600A 下，距離接地極圓環(huán)中心2～99km 的地表電位分布結(jié)果詳見表2。

表2 2h 過負荷電流下直流電位分布

由表2可知，直流極會對極環(huán)中心6km 范圍內(nèi)的管道造成接觸電位差超標(biāo)的問題，推薦對極環(huán)中心6km 范圍內(nèi)的管道附近地面敷設(shè)瀝青或者卵石層，以滿足接觸電位差的安全要求，21km 外的地表電位為4.68V。

5 結(jié)語

本文主要研究了直流極電流對埋地金屬的影響，分析接地極與埋地金屬之間的安全距離。

管道安全問題的評估標(biāo)準(zhǔn)主要考慮人身安全因素、設(shè)備因素、管道受干擾因素等三方面，直流接地極的人身安全限值標(biāo)定要取人體感知電流下限，本文取直流長期作用情況下接觸電位差和跨步電位差的限值為50V。

陰極保護系統(tǒng)由局部接地、犧牲陽極和強制陰極三部分組成，固態(tài)去耦合器能夠直接連接局部接地設(shè)備以及金屬管道，電壓一般取2V；為保證恒電位儀能正常工作，在金屬管道任意位置的點位都會與該點正常電位值產(chǎn)生0.1伏的偏差，此時需要加裝防護措施。

本文結(jié)合工程實際，以廣域14層大地模型為例，通過設(shè)立研究直流極對埋地金屬管道影響的模型，經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)：直流極會對極環(huán)中心6km 范圍內(nèi)的管道造成接觸電位差超標(biāo)的問題；直流極40km 范圍內(nèi)恒電位儀的安全會受到直流極入地電流的不利影響；直流極60km 范圍內(nèi)陰極保護系統(tǒng)可能由于直流干擾而無法正常工作；直流極不會對管道造成明顯的腐蝕影響。