李自力 劉建國 楊超

中國石油大學(xué)（華東）；山東省油氣儲運安全省級重點(diǎn)實(shí)驗室；青島市環(huán)海油氣儲運技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室

 

我國在十一五、十二五和十三五規劃中提出了高壓直流輸電（HVDC）建設計劃，輸電等級從500kV提高到1000kV，并計劃于2020年形成以華北、華東、華中為核心的特高壓電網(wǎng)[1]。

 

 

圖1 我國電力流向圖

 

由于高壓直流輸電系統本身的固有特性，在運行過(guò)程中不可避免地會(huì )對周?chē)�環(huán)境尤其是金屬設施產(chǎn)生直流雜散電流干擾。P.Nicholson[2]通過(guò)實(shí)際測試發(fā)現，當故障電流流入到埋地管道，在流出管道之前會(huì )沿著(zhù)管道流動(dòng)很長(cháng)一段距離，在管道中持續存在幾分鐘甚至幾天的時(shí)間，在管道流出的位置會(huì )造成嚴重的腐蝕。相關(guān)研究[3,4]也表明，高壓直流輸電干擾具有影響范圍廣、干擾程度大、緩解困難等特點(diǎn)。本文對高壓直流輸電系統、干擾機理和特點(diǎn)及應對策略進(jìn)行了闡述。

1 高壓直流輸電系統簡(jiǎn)介 

高壓直流輸電是指±10kV及以上電壓等級的直流輸電及相關(guān)技術(shù)，分為高壓（HV，10kV-220kV）、超高壓（EHV，330kV-750kV）和特高壓（UHV，800kV及以上）三個(gè)等級。如圖2所示，直流高壓輸電系統由送端交流系統、整流站、直流輸電線(xiàn)路、逆變站、受端交流系統五部分組成，其中最重要的部分是換流站，而組成換流站的主要部分是接地極。遠距離高壓直流輸電采用大地回路，可以提高運行可靠性，節省電能在線(xiàn)路上的損耗以及使工程可以分期建設，具有明顯的經(jīng)濟效益。

 

 

圖2 直流輸電系統的基本結構圖

 

如圖3所示，接地極由電極（饋電棒）、導流系統、輔助設施等構成，型式主要有水平單環(huán)型、水平雙環(huán)型、垂直型和深井型。接地極雖然在工程中有明顯的優(yōu)勢，但也存在地面跨步電壓過(guò)大、本體腐蝕、對電力系統交流變壓器偏磁影響和對地下金屬管道腐蝕影響等問(wèn)題。

 

 

圖3 接地極資料圖

 

相對交流輸電來(lái)說(shuō)，直流輸電具有輸送靈活、損耗小、能夠節約輸電走廊和實(shí)現快速控制等優(yōu)點(diǎn)，但也存在造價(jià)高、消耗無(wú)功功率多、諧波危害、電磁干擾和電化學(xué)腐蝕等方面的不足。 

2 高壓直流輸電接地極干擾機理及危害

直流輸電系統一般采用兩端直流輸電系統，主要包括單極系統（正極或負極）、雙極系統（正負兩級）、背靠背直流系統（無(wú)直流輸電線(xiàn)路）三種類(lèi)型。如圖4所示，當直流接地系統正常運行時(shí)為雙極運行模式，此時(shí)由兩接地極和輸電線(xiàn)構成回路，流經(jīng)大地的電流僅為運行電流的1%~3%（對稱(chēng)運行系統）或兩極電流之差（非對稱(chēng)運行系統）；當直流接地極系統在運行初期或發(fā)生故障和檢修時(shí)為單極運行模式，此時(shí)大地作為一根導線(xiàn)加入到輸電系統中，電流從受端接地極流經(jīng)大地返回到送端接地極，入地電流為系統額定直流電流，數值會(huì )達到幾千安培，瞬間大電流會(huì )擊穿埋地管道防腐層造成管道穿孔，并且會(huì )燒毀附近的陰保設備，對操作人員造成人身傷害[5,6]。

 

 

圖4 大地中兩接地極之間的電流

 

（1）造成管道腐蝕或發(fā)生防腐層剝離

如圖5所示，當管道附近的接地極為陽(yáng)極放電時(shí)，電流將在管道靠近接地極端由防腐層破損處流入管道，再由遠端流出管道，遠端流出點(diǎn)作為腐蝕原電池的陽(yáng)極發(fā)生腐蝕；當管道附近的接地極為陰極放電時(shí)，電流將在管道遠離接地極端由防腐層破損點(diǎn)流入管道，再由近端流出管道，導致近端流出點(diǎn)腐蝕[7]。

 

 

圖5 直流接地極干擾示意圖 

 

因此，管道在電流流出的地方發(fā)生腐蝕，根據法拉第定律，1A的陽(yáng)極電流將導致9.1kg/a的金屬損失，換句話(huà)說(shuō)，若陽(yáng)極電流密度為1A/m2時(shí)，裸鋼管的平均減薄量為1.17mm/a，對于直流雜散電流來(lái)說(shuō)，管道傳遞的雜散電流數量大，而電流排出點(diǎn)集中在界面電阻小、易放電的局部位置，導致破壞性極強，在短時(shí)間內即可導致管線(xiàn)發(fā)生腐蝕穿孔；而在電流流入的地方會(huì )導致管地電位負向偏移，若負向偏移程度超出管道防腐層析氫電位，會(huì )使得管道產(chǎn)生過(guò)保護發(fā)生析氫反應，導致防腐層陰極剝離。

在理想情況下，即在接地極形狀規則、土壤均勻等條件下，如圖6（a）所示，土壤中的等電位線(xiàn)是以接地極為中心的同心圓，由于管道上電位分布不同，電流在土壤高電位點(diǎn)流入管道，在遠處低電位點(diǎn)流出；而在實(shí)際情況下，如圖6（b）所示，管道布局、接地極形狀及埋設方式、環(huán)境變化等參數的復雜性，使得土壤中地電場(chǎng)分布情況難以求解，因此確定實(shí)際情況下管道上電流的流入流出點(diǎn)、計算管中電流以及測定電流密度等都十分困難。

 

 

圖6 接地極周?chē)�電�?chǎng)分布

 

（2）金屬管道及相關(guān)設備燒蝕

瞬間大電流阻性耦合會(huì )造成金屬管道設施放電、燒蝕，氣液聯(lián)動(dòng)執行機構誤操作，陰極保護電源設備、電位傳送器及等電位連接器燒毀，甚至出現金屬管件放電、燃燒、爆炸等嚴重事故。

如圖7所示，2013年8月16日，大塘接地極入地電流達1200A，發(fā)現位于接地極外環(huán)連接鋅帶與管道的二極管燒毀；在其他運行時(shí)間里魚(yú)龍嶺接地極和大塘接地極的故障放電燒毀了大量站場(chǎng)相關(guān)設備。

 

 

（3）威脅人身安全

當直流輸電系統單極運行時(shí)，接地極極址附近的跨步電壓會(huì )帶來(lái)人身安全問(wèn)題，而附近金屬設施的接觸電勢也會(huì )對操作人員的人身安全帶來(lái)威脅。

3 高壓直流輸電接地極干擾防護措施 

（1）完善高壓直流干擾判斷標準

目前，對埋地管道遭受接地極干擾規律的認識尚不完善，尤其對于具有防腐絕緣層的管道，管道電位分布、電流分布等與接地極位置、土壤電阻率、土壤成分等相關(guān)關(guān)系，還沒(méi)有建立完善的理論體系及求解方法，影響到管道的設計及運行管理。電力系統領(lǐng)域相關(guān)接地極的研究中，大量工作都是關(guān)于接地極對動(dòng)力系統自身設施的電、磁干擾問(wèn)題的研究，并形成了相關(guān)的規范，但從管道保護的角度出發(fā)，電力系統的規定我們能否接受，或者說(shuō)在滿(mǎn)足電力規范要求的前提下，接地極對管道的干擾和危害有多大都不得而知。

相關(guān)標準[8,9]明確指出，當接地極與地下金屬管道的最小距離（d）小于10km，或者地下金屬管道的長(cháng)度（L）大于d，應計算接地極對管道的不良影響；當管地電位偏移不小于100mV或地電位梯度不小于2.5mV/m時(shí)，應及時(shí)采取干擾防護措施。通過(guò)金絲接地極對附近管道的數值模擬發(fā)現，當d=10km時(shí)，管地電位最大正向偏移可達6.6V；當d=30km時(shí)，管地電位最大正向偏移為1.6V；當d=60km時(shí)，管地電位最大正向偏移依然達到800mV；當d=100km時(shí)，金絲接地極基本無(wú)影響。事實(shí)上，對于長(cháng)輸管道來(lái)說(shuō)，L/d>1，均應考慮高壓直流接地極對附近管道的影響。因此，有必要進(jìn)一步開(kāi)展管道受高壓直流接地極干擾規律的研究，在設計、運行階段準確描述管道受干擾的狀態(tài)及演化規律，從而建立可行的高壓直流接地極對埋地管道干擾的判斷標準。

（2）提高防腐絕緣層質(zhì)量及完好率

根據模擬計算及實(shí)際檢測，要從根本上降低外界雜散電流對埋地管道的干擾影響，應提高“嚴重干擾區” 段管道防腐層質(zhì)量及完好率，對管道使用加強級防腐層，同時(shí)通過(guò)加強施工管理，確保防腐層地面漏點(diǎn)檢測真實(shí)有效，發(fā)現漏點(diǎn)及時(shí)修復，最終保證防腐層達到最佳絕緣性，杜絕或減少電流流入管道。

（3）對管道采取分段絕緣隔離措施

為大幅縮短直流干擾的影響范圍，減小累計流入電流量及電位波動(dòng)幅度，可采取絕緣接頭分段電隔離，將管道沿線(xiàn)電位變化控制在可接受范圍內。

如圖8所示，本文對金絲接地極的干擾情況進(jìn)行了數值模擬，并探究了管道分段隔離措施的有效性，從圖中可以看出，管道進(jìn)行分段隔離后，金絲接地極的陽(yáng)極接地時(shí)管地電位的最大正向偏移由1612.7mV降為954mV，陰極接地時(shí)管地電位的最大正向偏移由1253.14mV降為708mV，管地電位最大偏移值有了明顯減小，但在分段隔離處的兩端電位差有了明顯升高，因此在分段隔離處應采用絕緣法蘭跨接的方法減小兩端電位差值，保護分段隔離裝置。

 

 

圖8 管道分段隔離模擬實(shí)例

 

根據相關(guān)的室內研究成果，本文提出了分段隔離+陰極保護+排流三種措施相結合的方法來(lái)實(shí)現高壓直流輸電干擾保護：

①對直流干擾嚴重段實(shí)行分段隔離，將干擾區域限定在一定范圍內；

② 增加陰極保護系統對隔離管段進(jìn)行單獨保護；

③在隔離管段安裝直流排流保護設施，為防止陰保電流的流出，在排流線(xiàn)上安裝單向導通裝置。

（4）構建智能排流及陰保系統

根據對金絲接地極干擾范圍的數值模擬結果發(fā)現，當管道與接地極的距離為100km時(shí)，管道基本不受接地極的影響，因此建議對距離接地極100km范圍內的管道進(jìn)行計算分析，確定接地極陽(yáng)極、陰極接地方式下管道的電流分布狀態(tài)，設計最佳排流點(diǎn)（排流區域），實(shí)施排流，并且應重點(diǎn)對接地極周?chē)?0km范圍內的管道進(jìn)行防范；研發(fā)智能化排流系統和陰極保護系統，實(shí)現對雜散電流的智能檢測、排出及陰保電流的有效保護。

（5）建立管道企業(yè)與電力企業(yè)信息溝通機制

近年來(lái)，國內發(fā)生的幾起埋地管道遭受高壓直流輸電接地極干擾的事件，都是在直流輸電運行改為單級運行模式，且管道公司未事先得到電力公司通知的情況下發(fā)生了管道恒電位儀出現超限、停機，導致陰極保護失效等問(wèn)題。因此，建議建立管道、電力企業(yè)間的信息互通機制，實(shí)現管道和電力企業(yè)間的業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)，從而有效減小或避免高壓直流輸電對埋地管道、站場(chǎng)設備和人身造成的危害。

參考文獻：

[1] 李丹丹.高壓直流輸電線(xiàn)路對某埋地金屬管道的干擾規律研究[D].四川成都：西南石油大學(xué)， 2014:3.[2] P. Nicholson. High voltage direct current interference with underground or underwater pipelines [A].Proceeding of Corrosion 2010 [C]. San Antonio: NACE International, 2010: 10102.

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[7] Yu Gong, Chunlin Xue, Zhilei Yuan, et.al.Advanced analysis of HVDC electrodes interference on neighboring pipelines [J]. Journal of Power and Energy Engineering, 2015,3:332-341.

[8] GB 50991-2014，埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護技術(shù)標準[S].

[9] DL/T 5224-2005，高壓直流輸電大地返回運行系統設計技術(shù)規定[S].

作者：李自力，男，博士，教授，主要從事油氣儲運系統安全工程的研究。

《管道保護》2016年第5期（總第30期）