高壓直流接地極單極運行對埋地管道電位的干擾與影響

胡上茂，劉剛，廖民傳，劉青松，賈磊，吳泳聰，屈路，張義，蔡漢生

（1. 直流輸電技術全國重點實驗室（南方電網科學研究院），廣州 510663；2. 中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司檢修試驗中心，廣州 510663）

0 引言

隨著能源經濟的不斷發展，高壓直流輸電工程和埋地油氣管網在中國的覆蓋程度越來越高［1-2］。未來，隨著“雙碳”目標的落實，還會有許多已規劃的直流輸電工程［3］。由于地理條件的限制，直流輸電和油氣管網“公共走廊”而引起的相互干擾問題更加突出［4-5］。高壓直流輸電一般采用雙極運行，在故障或者設備檢修時，會轉化為單極大地運行。此時，會有數千安培的電流流入大地，引起的地電位升高會使接地極周圍的土壤產生電壓差，若埋地管道位于這一電壓差中，管道的不同段可以吸收、傳導或釋放接地極的入地電流［6-7］。在管道電流流出的位置，將會發生嚴重腐蝕和危害［8-9］，使得接地極對油氣管道的影響問題越來越引起研究者的廣泛關注。

面對高壓直流干擾問題，國內外研究者通過現場監測、實驗室模擬實驗和仿真計算開展了大量的研究，取得了很多研究成果［10-11］。如顧清林［12］等通過現場監測得出華南地區接地極干擾較華東、華中及西北地區的干擾程度大的結論；秦潤之［13］等通過室內模擬實驗提出了實際高壓直流干擾下參數監測與腐蝕速率的預測方法。此外，由于我國地域遼闊，長輸管道沿線土壤環境比較復雜，研究者大都采用仿真［14-15］計算研究高壓直流接地極對埋地管道的干擾規律和應采取的防護措施。如房媛媛［16］等認為在相同的入地電流條件下雙圓環接地極散流最均勻，附近管道干擾最小；曹國飛［17］等研究了管線長度、防腐層類型對埋地管道的干擾程度，進而進行了人身安全距離預測；也有研究者［18-20］等通過仿真計算研究了土壤厚度與土壤電阻率對管道的干擾程度，同時也得出高壓直流接地極和管道附近的局部土壤環境對管道受高壓直流接地極的干擾影響最大的結論。然而，當前的高壓直流接地極對埋地管道的干擾程度和干擾規律均未考慮管道的極化效應；對于埋地長輸管道會施加陰極保護系統，管道受高壓直流接地極干擾時，埋地管道的真實保護電位（即考慮極化效應的斷電電位）、干擾規律和陰極保護系統中的陰極保護電流是否能減弱高壓直流干擾程度尚不清楚。

本文首先通過取回廣東某管道位置實際土壤，在實驗室模擬該土壤在高壓直流干擾下的極化曲線，即電流密度與極化電位的關系。然后，采用Beasy 仿真軟件，以某接地極的實際土壤分層結構和某管道的基礎參數進行建模，分別研究了高壓直流接地極入地電流、接地極與管道的位置關系對管道極化電位的干擾程度。最后通過數據分析得到了高壓直流干擾期間管道的極化電位、自然電位和接地極入地電流的關系，并提出了在陰極保護系統存在條件下高壓直流干擾埋地管道的電路模型，可為后續接地極的選址和管道沿線的陰極保護電位干擾規律提供參考。

1 仿真討論

1.1 仿真模型

廣東地區某接地極和管道的實際位置關系如圖1 所示，某管道長度約為150 km，管道沿線全部電連接，共5 個陰極保護站場，分別位于第11.6 km、44.6 km、75 km、107 km 和137 km 里程，某接地極與管道最近距離約18 km，位于管道第90 km位置。

圖1 接地極與管道間相對位置關系Fig. 1 Relative position relationship between grounding electrode and pipeline

計算參數選取如下：接地極為同心雙圓環水平鋪設布置，內外環直徑分別為?700 m 和?940 m；內環電極埋深為3.5 m，外環電極埋深為4 m，內環焦炭斷面尺寸為1.1 m×1.1 m，外環焦炭斷面為0.7 m×0.7 m，入地電流為3 000 A； 管道外徑為813 mm，壁厚12.7 mm，X65 鋼，3PE 防腐層，自然電位為-0.68～-0.73 V（相對于飽和硫酸銅參比電極，簡稱cse）；5個陰極保護站場陰極保護恒電位儀輸出電流分別為3 A、1 A、2 A、1 A和1.5 A。

1.2 土壤模型

土壤情況會影響接地極電流的分布，接地極側的土壤選用貴廣二回直流和云廣特高壓直流共用接地極工程本體部分施工圖設計說明書提供的現場某接地極的實際土層分布，土壤分層結構和相應的土壤電阻率如表1所示。

表1 接地極位置土壤結構Tab. 1 Soil structure at the locations of grounding electrode

由于本文主要研究管道的極化電位（也即真實的陰極保護電位）受高壓直流接地極單極運行的影響規律。為此，取回某管道埋深位置的土壤，在實驗室采用直流電源、UDL2、萬用表、參比電極和與管道同材質的X65管道試片并采用三電極體系模擬該條管道在所屬土壤環境中的極化曲線，即管道的斷電電位與電流密度的關系，并將其賦予到仿真模型的管道參數中。圖2為極化曲線示意圖，1 cm2的X65 管線鋼試片為工作電極，MMO 陽極管為輔助電極，飽和硫酸銅為參比電極。工作電極埋設在土樣以下20 cm 位置，參比電極靠近工作電極，輔助電極澆入足夠的水以保持良好接觸。連接好電路后，將土壤壓實，待試樣的開路電位穩定后開始測試。根據圖2 的測試裝置，采用Fluke 記錄外回路中電阻兩端的電壓，以得到外回路中的電流，使用UDL2 測試并記錄試樣電位。對于陰極極化曲線，電源負極輸出端連接試樣，打開電源，設置Fluke為毫伏檔并記錄。手動調節電源輸出為0.1 V、0.2 V、…、1 V、3 V 至30 V，每個輸出值停留1 min， 記錄每一電位值下的通、斷電電位與電流，進而繪制電位和電流密度曲線。

圖2 極化測試電路示意圖Fig. 2 Sketch diagram of polarization test circuit

圖3 為測試的極化曲線，圖3（a）曲線顯示，管道在該土壤環境受高壓直流干擾期間，通斷電電位差值較大，即使管道通電電位為幾十伏，斷電電位依然在很小范圍內變化；此外，圖3（b）的斷電電位極化曲線結果表明，斷電電位最正值為-0.38 Vcse，偏移自腐蝕電位370 mV；斷電電位最負值為-1.26 Vcse，偏移自腐蝕電位510 mV。

圖3 管道所在土壤環境的極化曲線Fig. 3 Polarization curves of soil environment where pipeline is located

2 直流干擾相關評價標準

2.1 電網方評價標準

電網方大都從接地極與管道的距離評價管道的干擾程度。如我國電力行業DL/T437《高壓直流接地極技術導則》［21］提出接地極址設計前要評估接地極址對周圍環境的影響，在預選地址10 km 范圍內原則上不應有埋地金屬管道、鐵道及有效的接地送變電設施，若不能避開，應對接地極電流對這些構件產生的腐蝕等不良影響的程度進行評估。此外，DL/T 5224—2004《高壓直流輸電大地返回運行系統設計技術規定》［22］也提出，在接地極極址選擇中，對可能的每個接地極址方案應進行不小于10 km 范圍內的地質結構調查，同時應收集不小于50 km 范圍內地下金屬管線等設計資料。然而，在實際工況中，不同地區的土壤結構對接地極的干擾影響較大，僅從距離遠近區分管道是否會受到接地極的干擾并不科學，還需要結合管道方的相關評價標準。

2.2 管道方評價標準

目前，管道方無專門針對高壓直流干擾的判斷指標，考慮到高壓直流接地極屬于直流干擾，可參考相關的直流干擾評價標準。如國家標準GB 50991—2014《埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準》［23］提出，對于處于設計階段的管道，管道附近20 m 范圍內地電位梯度大于0.5 mV/m 時，確定存在直流干擾；對于沒有施加陰極保護的管道，當管地電位相對于自然電位正向或者負向偏移大于20 mV 時，確認存在直流干擾，當任意點的管地電位正向偏移不小于100 mV 時，應采取干擾防護措施；對于施加陰極保護的管道，當干擾導致管道不滿足最小保護電位要求時，應采取干擾防護措施；此外，歐洲標準EN50162［24］也提出了對于有陰極保護的結構，當干擾導致管道消除IR 降電位超出保護電位范圍之外時，干擾不可接受，然而，對于陰極保護準則，GB/T 21447—2018［25］指出，對于鋼結構在一般土壤中的最小保護電位（無IR 降）為-0.85 Vcse，最負不宜超過-1.2 Vcse； 對于無法達到相應的陰極保護準則時，也可采用100 mV 準則，即當陰極保護電位負向偏移自然電位100 mV時，也認為陰極保護滿足標準。對于本文的仿真評價標準，由于仿真模型中考慮了管道的陰極保護系統，以-0.85 Vcse作為干擾時的陰極保護指標。

3 接地極單極運行對埋地管道的干擾研究

3.1 接地極單極運行極性對管道的干擾研究

圖4 為仿真計算了接地極陰極、陽極入地電流分別為3 000 A 和管道不受接地極干擾（僅在正常陰極保護）3種工況條件下管道的電位分布情況；在不受接地極干擾時，陰極保護站場附近的管道電位偏負，但是管道全線電位均滿足-0.85 Vcse 的陰極保護指標；在陰極保護系統存在條件下，接地極陽極為3 000 A 的入地電流時，管道靠近接地極的部分吸收電流，陰極保護電位負向偏移，管道陰極保護電位位于-0.85 Vcse～-1.2 Vcse 的陰極保護區間內，管道遠端釋放電流，電位較自然電位正向偏移，但是陰極保護站場附近的管道由于陰極保護電流的存在電位仍然有明顯偏負現象，整體電位不滿足-0.85 Vcse～-1.2 Vcse 的陰極保護指標；接地極陰極為3 000 A 入地電流時，對管道的電位分布相反；此外，圖4 的電位分布結果顯示，干擾電位的最正、最負值均位于與接地極最近的位置，即可以確定接地極與管道的距離也會影響管道陰極保護電位的分布。

圖4 陰極、陽極單極運行下管道干擾電位分布Fig. 4 Interference potential distribution of pipeline under cathodic and anodic monopolar operation of HVDC grounding electrode

3.2 接地極單極入地電流對管道的干擾研究

接地極單極運行入地電流不同，對管道的干擾也不同。對此，仿真計算了接地極入地電流分別為600 A、1 200 A、1 800 A、2 400 A 和3 000 A 時對管道的干擾規律。圖5（a）的結果表明，陽極入地電流越大對管道干擾越嚴重，但是不同入地電流對管道的干擾趨勢相同，因此可通過控制接地極的入地電流以降低管道的受干擾程度。此外，圖5（b）的干擾規律結果顯示，在受高壓直流干擾時，不同里程位置的入地電流和管道電位均為近似線性關系，將圖5（b）的線性曲線數據進行擬合統計如表2 所示，不同位置的入地電流與保護電位均符合式（1）。

表2 陽極電流對管道干擾電位影響的線性特征參數Tab. 2 Linear charcteristic parameters of relationship between interference potential and pipeline milage

圖5 不同陽極入地電流對管道的干擾Fig. 5 Pipeline interference under different anodic current levels

式中：u為受干擾時管道的斷電電位；I為接地極的入地電流；b為管道自然電位或者陰極保護電位；k為斜率。

由圖4 可見，若不同接地極入地電流引起管道的斷電電位均在正常陰極保護電位基礎上負向偏移（如圖5（a）的位置三）或在自然電位基礎上有正有負偏移（如圖5（a）的位置一和位置二），則式（1）中的b為管道未受接地極干擾時的正常陰極保護電位；若接地極入地電流均導致管道電位在自然電位基礎上正向偏移（如圖5（a）的位置四），則式（1）中的b為管道未施加陰極保護時的自然電位。

為進行對比，圖6為600 A、1 200 A、1 800 A、2 400 A 和3 000 A 的陰極電流對管道的干擾規律。相比陽極入地電流對管道干擾的電位偏移趨勢，接地極陰極入地電流對管道干擾電位的影響呈現相反的趨勢，且依然在接地極距離最近的管道處干擾最為嚴重。與此同時，圖6（b）4 個典型位置的入地電流與管道斷電電位也依然呈現出線性關系，即接地極入地電流越大，斷電電位偏移-0.85 V 的保護準則越大。

圖6 不同陰極入地電流對管道的干擾Fig. 6 Pipeline Interference under different cathodic current levels

將圖6（b）不同入地電流和管道斷電電位的線性關系進行統計如表3所示。

表3 陰極電流對管道干擾電位影響的線性特征參數Tab. 3 Linear charcteristic parameters of relationship between interference potential and pipeline milage

表3 仍然符合式（1），在受接地極入地電流干擾引起的管道電位均正向偏移-0.85 V 的保護指標時（如圖6（a）的位置二和位置三），b為管道自然電位；當斷電電位均負向偏移-0.85 V 的保護指標時（如圖6（a）的位置一和位置四），b為陰極保護電位；綜合對比表2 和表3 可知，當且僅當不同接地極入地電流對管道的電位均負向偏移-0.85 V 的最小陰極保護指標時，k為負值，其他工況均為正值；當不同入地電流對管道的干擾電位均正向偏移-0.85 V的最小陰極保護指標時，b為自然電位，其他工況b為陰極保護電位。為此，對于現場實際受高壓直流干擾期間的管道電位，可根據管道受接地極干擾時雜散電流的流入流出方向和式（1）進行計算。

3.3 管道-接地極間距對管道的干擾研究

管道所受的直流干擾水平與土壤電阻率、入地電流、管道長度和防腐層等很多參數有關。因此，采用統一的安全距離并不合適。為此，本論文仿真了入地電流為3 000 A 接地極與管道距離分別為5 km、20 km、35 km 和50 km 時管道的干擾電位，結果如圖7所示。

圖7 接地極與管道的間距對管道干擾電位分布的影響Fig. 7 Influence of distance between grounding electrode and pipeline on interference potential distribution

圖7 （a）的結果顯示，接地極與管道的距離越近，受干擾的近端管道越短，干擾電位越大。將圖7（a）的近端管道干擾范圍和干擾電位極值統計如圖7（b），隨著接地極與管道距離的增加，近端管道的干擾范圍和干擾電位極值呈負相關變化。接地極與管道距離5 km時，受干擾的最大斷電電位為664 mV，約15 km 管道不滿足-0.85 V 的準則；當接地極與管道距離為35 km 和50 km 時，受干擾的近端管道范圍分別為67 km 和76 km，受干擾管道最大斷電電位均約為-570 mV，仍不滿足-0.85 V 的陰極保護準則。可見，對于實際工況，不能采用統一的“安全距離”評價管道受干擾程度。對于該類問題，建議應該及時調整接地極選址方案，或者采取相應的措施，以避免管道的干擾問題。同時建議行業標準中對不同土壤結構接地極址應收集不同范圍內的地下金屬結構管線，建議對于深層土壤電阻率較高的地區應收集接地極址至少70 km 范圍內埋地管道的設計資料等。

4 仿真結果的分析與討論

從仿真計算結果看，管道受高壓直流的干擾水平與接地極的入地電流、接地極與管道的位置和管道的陰極保護系統均有關。對此，圖8 以接地極陽極單極運行為例，提出了在陰極保護系統存在下管道受高壓直流雜散電流干擾時的電流流入流出示意圖。接地極陽極單極運行時，大量電流從接地極流入大地，靠近接地極的管段流入雜散電流，電位負向偏移，遠離接地極的管段流出電流，電位正向偏移。由于長輸管道均存在陰極保護系統，遠端管道在接地極雜散電流iHVDC流出的同時，在陰極保護站場較近的管段也會吸收由陽極地床流入到土壤的陰極保護電流i陰極保護。然而，在實際工況中，i陰極保護遠小于iHVDC，因此，在受高壓直流干擾時，陰極保護站場臨近的管道i陰極保護電流會抑制部分iHVDC，呈現出如圖3 所示的靠近陰極保護站場附近的管段電位會負向偏移。若接地極的入地電流低于1 800 A 時，在陰極保護站場附近的管道受陰極保護電流的影響電位仍會滿足-0.85 V 的保護指標，如圖5（a）中，第一個陰保站附近管道在1 800 A 電流時，保護電位仍然滿足標準。可見，為準確評價管道受高壓直流干擾時的真實保護效果，還需要考慮管道陰極保護系統對雜散電流的影響。

圖8 高壓直流和陰極保護電流對管道干擾示意圖Fig. 8 Sketch diagram interference model of HVDC and cathodic current on the pipeline

5 結論

本文采用Beasy 仿真軟件考慮了管道的陰極保護系統和管道極化效應，以某接地極的實際土壤分層結構和某管道的基礎參數進行建模，分別研究了高壓直流接地極入地電流、接地極與管道的位置關系對管道極化電位的干擾程度，得到如下結論。

1） 管道的極化電位受接地極入地電流的增加呈線性增加，并符合式（1）的線性關系，若不同入地電流均導致管道電流流出，且電流流出段極化電位均不滿足-0.85 V 的陰極保護準則，b為管道自然電位，其他工況b為陰極保護電位。

2） 接地極與管道的垂直距離越短，靠近接地極端的近端管道越短，管道受干擾的極化電位越大；接地極與管道的距離由35 km 增加至50 km 時，管道受接地極干擾時極化電位變化不顯著。以上結論可為新建工程選址提供參考依據。

3） 管道陰極保護系統的陰極保護電流會抑制部分接地極的雜散電流，在接地極入地電流1 800 A 時，靠近陰極保護站場附近的電流流出管段極化電位仍滿足-0.85 V 的陰極保護指標；為準確評價管道受高壓直流干擾時的真實保護效果，建議考慮管道的陰極保護系統對管道雜散電流干擾的影響。