譚春波 許明忠 向敏 夏祝福

廣東省天然氣管網(wǎng)有限公司

摘要：研究了魚(yú)龍嶺接地極單極大地回路運行時(shí)不同大小的入地電流對廣東省天然氣管網(wǎng)天然氣管道的影響。通過(guò)分析，總結了接地極的入地電流對管道的影響規律，入地電流大小與管道電位的關(guān)系，以及入地電流對管道極化電位的影響大小。初步測試了采用站場(chǎng)、閥室接地網(wǎng)作為干擾緩解措施的防護效果。

關(guān)鍵詞：高壓直流輸電線(xiàn)路；雜散電流；天然氣管道；接地極；管道電位

接地極是直流輸電工程中的重要設施，它在單極大地回路和雙極運行方式中分別擔負著(zhù)導引入地電流和不平衡電流的重任[1,2]。直流輸電線(xiàn)路采用單極大地回路電流運行方式時(shí)，電流通過(guò)接地極泄入大地，使附近土壤產(chǎn)生電壓差，這一電壓差會(huì )在埋地金屬構件中產(chǎn)生電流，從而導致地下金屬構件產(chǎn)生腐蝕，對于距接地極較近且長(cháng)度較長(cháng)的金屬構件，產(chǎn)生的腐蝕影響更為明顯[3]。

筆者研究了魚(yú)龍嶺接地單極大地回路電流運行方式下，接地極泄放電流至大地時(shí)，對廣東管網(wǎng)影響的規律，入地電流大小與管道電位的關(guān)系，站場(chǎng)、閥室接地網(wǎng)與管道跨接對干擾的緩解效果，入地電流對管道極化電位的影響等。

1 管道和接地極簡(jiǎn)介

1.1 管道簡(jiǎn)介

廣東省天然氣管網(wǎng)有限公司天然氣管道一期工程包含廣惠干線(xiàn)、鰲廣干線(xiàn)、廣肇干線(xiàn)、東莞支干線(xiàn)、清遠支干線(xiàn)、韶關(guān)支干線(xiàn)。全線(xiàn)采用3PE防腐層和強制電流陰極保護方式，共設置了6座線(xiàn)路陰極保護系統， 10個(gè)絕緣接頭。

1.2 接地極簡(jiǎn)介

魚(yú)龍嶺接地極為云廣±800 kV、貴廣II回±500 kV直流輸電線(xiàn)路增城穗東換流站和深圳寶安換流站共用接地極[4]。云廣±800 kV故障狀態(tài)下最大入地電流3 125 A；貴廣II回±500 kV故障狀態(tài)下最大入地電流3 000 A。魚(yú)龍嶺接地極位于清遠市飛來(lái)峽區江口鎮魚(yú)龍嶺，采用同心雙圓環(huán)水平鋪設布置，內外環(huán)直徑分別為700 m和940 m，其形貌見(jiàn)圖1。

圖 1  魚(yú)龍嶺接地極位置地貌

1.3 管道和接地極相對位置關(guān)系

魚(yú)龍嶺接地極中心距廣東管網(wǎng)天然氣管道的垂直距離為2.8 km，距鰲頭首站的直線(xiàn)距離為10.1 km，距清城閥室的直線(xiàn)距離為9.9 km。接地極外圍圓環(huán)距管道的最近垂直距離為2.3 km，見(jiàn)圖2、圖3。

圖 2 魚(yú)龍嶺接地極與管道相對距離示意

圖 3 魚(yú)龍嶺接地極與廣東管網(wǎng)管道相對位置示意（方塊為絕緣接頭）

2 接地極單極大地回路運行對管道的影響

在單極大地回路電流運行方式中，利用一根或兩根導線(xiàn)和大地構成直流側的單極回路，見(jiàn)圖4。在該運行方式中，兩端換流站均需接地，大地作為一根導線(xiàn)，通過(guò)接地極入地的電流即為直流輸電系統的運行電流。

圖 4 高壓直流輸電系統單極大地回路運行電路

2.1 接地極單極大地回路運行對管道不同位置的影響

在魚(yú)龍嶺接地極故障陰極放電時(shí)，測試了廣東管網(wǎng)一期管道不同位置的管道通電電位（表 1）。

由表1數據可以看出，接地極運行極性為陰極時(shí)，在同一絕緣管段內的管道，靠近接地極位置管道流出雜散電流，管道電位往正方向偏移，形成管道的陽(yáng)極區，管道存在雜散電流腐蝕的風(fēng)險[4]；遠離接地極位置雜散電流流入管道，管道電位往負方向偏移，形成管道的陰極區，管道存在陰極剝離和氫脆的風(fēng)險，雜散電流的流動(dòng)方向見(jiàn)圖5。管道中最正最負的電位值出現在離接地極最近的位置和同一絕緣管段內離接地極最遠位置。

圖 5  接地極陰極運行時(shí)管道電流流向示意

測試結果顯示，在受干擾情況下，絕緣接頭的一側管道電位往負方向偏移，另外一側管道電位往正方向偏移，兩側管道的電位極性相反，說(shuō)明兩側分別形成了雜散電流流入流出點(diǎn)，見(jiàn)圖6。因此在受到雜散電流干擾情況下，絕緣接頭位置是一個(gè)腐蝕風(fēng)險點(diǎn)。

圖 6 石角閥室絕緣接頭兩側電位測試結果

2.2 接地極入地電流大小和管道干擾電位的關(guān)系

分別測試了接地極單極大地回路電流陰極運行1 000、1 200、1 350、1 800、2 100、2 250和3 000 A電流時(shí)，鰲頭至清城閥室4#樁位置的管道電位變化，見(jiàn)圖7。結果可以看出管道電位和接地極入地電流成正比。

圖 7  管道電位與接地極運行電流關(guān)系

2.3 土壤電阻率對接地極入地電流干擾的影響

計算了3種土壤模型下管道所受干擾情況（表 2）。

據此得到不同土壤結構下管道電位分布如圖8所示。對比土壤結構2和3，上層電阻率小、下層電阻率大的土壤結構（土壤模型2）不利于電流散入深層土壤，從而導致管道所受干擾增強�？梢�(jiàn)，土壤電阻率對管道所受干擾影響很大，上層電阻率低的土壤結構會(huì )產(chǎn)生相對較高的干擾水平。

圖 8 土壤電阻率對管道電位的影響

2.4 接地極單極大地回路電流運行對管道極化電位的影響

接地極單極大地回路電流運行時(shí)，采用極化試片測試管道在雜散電流干擾下管道的極化電位。分別測試了四個(gè)位置：①鰲頭站往清遠方向絕緣接頭外側管道；②從化站絕緣接頭外側管道；③廣州站進(jìn)站絕緣接頭外側管道；④鰲頭至清城閥室4#樁。

結果顯示（圖 9），在接地極單極大地回路電流運行時(shí)，雜散電流流出的位置①、②、④，管道的極化電位正向偏移到1 V左右，遠正于陰極保護的﹣0.85 V準則要求，存在重大的雜散電流腐蝕風(fēng)險；在電流流入的位置③，極化電位負向偏移至－1.7 V，遠負于陰極保護的－1.2 V準則要求，處于過(guò)保護狀態(tài)，存在重大的陰極剝離和氫脆風(fēng)險。

圖 9 接地極單極大地回路電流運行時(shí)管道極化電位測試結果

3 采用站場(chǎng)接地網(wǎng)與管道電連接的緩解效果

由于接地極單極大地回路電流運行時(shí)，造成進(jìn)出站位置絕緣接頭兩端電位差增大，因此在測試過(guò)程中，采用固態(tài)去耦合器將絕緣接頭的外側管道與站內接地網(wǎng)進(jìn)行跨接，固態(tài)去耦合器的直流隔斷閥值為±2 V，當絕緣接頭兩端的電壓差大于2 V時(shí)，固態(tài)去耦合器導通，站外管道與站內接地網(wǎng)形成了電連接。

在接地極單極大地回路電流運行1 000 A時(shí)，通過(guò)斷開(kāi)鰲頭去清遠方向固態(tài)去耦合器，測試斷開(kāi)前后管道電位變化情況。

鰲頭去清遠方向跨接斷開(kāi)后，站外管道電位從16 V偏移到25 V，4#測試樁管道電位從46 V偏移到53 V，清城閥室電位從－0.4 V偏移到－0.2 V，表明此段管道表面流出的電流增加；同時(shí)源潭閥室、清遠閥室、石角閥室上游電位負向偏移量減小，表明此段管道表面吸收的電流減小。測試結果可以看出，當鰲頭去清遠方向跨接時(shí)，原來(lái)從管道表面流出的雜散電流，部分通過(guò)站內接地網(wǎng)流出，使得管道的電位正向偏移量減小，對跨接位置的干擾有緩解作用。同時(shí)由于接地網(wǎng)與管道跨接后，雜散電流流經(jīng)的回路電阻降低，靠近接地極段整體流出的雜散電流增加，造成遠端管道吸收的電流也增加，使得吸收電流管道的電位負向偏移量增加，增大了陰極剝離和氫脆的風(fēng)險。

4 接地極單極大地回路電流運行時(shí)管道存在的風(fēng)險

（1）接地極單極大地回路電流運行3 000 A時(shí)，管道最正電位達到140.5 V，最負電位達到－12.5 V，管道的最正電位遠高于標準規定的人體安全電壓35 V，管道操作人員存在觸電的危險。

（2）接地極單獨大地回路電流運行時(shí)，管道上存在高電壓，管道上附屬設施和設備存在損壞的風(fēng)險，陰極保護系統的恒電位儀均無(wú)法工作，無(wú)法對管道進(jìn)行有效的陰極保護。

（3）接地極單極大地回路電流運行時(shí)，在電流流出的位置存在重大的腐蝕風(fēng)險；在電流流入的位置存在重大的陰極剝離和氫脆風(fēng)險。

5 結論

（1）接地極單極大地回路運行的影響范圍很廣，運行電流為3 000 A時(shí)，管道最正電位能達到140.5 V。管道中最正最負的電位值出現在離接地極最近的位置和同一絕緣管段內離接地極最遠位置。

（2）管道受干擾電位與接地極入地電流成正比。

（3）在受干擾的管道中增加絕緣接頭，能降低絕緣接頭下游管道受雜散電流的干擾程度，但絕緣接頭兩側管道的電位的極性相反，且壓差較大，是腐蝕及安全風(fēng)險點(diǎn)。

（4）管道與站場(chǎng)或閥室的接地網(wǎng)進(jìn)行電連接，能降低跨接位置管道的電位，使得跨接位置管道表面流入流出的電流減小，降低跨接位置管道的腐蝕和氫脆的風(fēng)險，但是雜散電流通過(guò)接地網(wǎng)流入流出，使得管道整體流入流出的電流增加，增大遠端管道腐蝕和氫脆的風(fēng)險。

（5）接地極單極大地回路電流運行，造成管道電位值升高，給管道操作人員帶來(lái)觸電的風(fēng)險，同時(shí)會(huì )造成管道上設施或設備發(fā)生損壞，使得管道在電流流出的位存在腐蝕風(fēng)險；管道電流流入的位置存在陰極剝離和氫脆的風(fēng)險。

參考文獻

[1] 李文文，劉超，鄒軍，袁建生. 高壓/特高壓直流輸電線(xiàn)路對鄰近金屬管道危險影響暫態(tài)分析[c].中國電機工程學(xué)會(huì )電磁干擾專(zhuān)業(yè)委員會(huì )第十二屆學(xué)術(shù)會(huì )議.武漢：2012.

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[4] 程明，張平. 魚(yú)龍嶺接地極入地電流對西氣東輸二線(xiàn)埋地鋼質(zhì)管道的影響分析[J]. 天然氣與石油.2010，28(5)：22—26.

作者：譚春波，男，1982年生，工程師，現在主要從事輸氣生產(chǎn)與管道保護管理方向的研究工作。

《管道保護》2018年第2期（總第39期）