李自力 劉建國 楊超

中國石油大學(xué)（華東）；山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；青島市環(huán)海油氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

 

我國在十一五、十二五和十三五規(guī)劃中提出了高壓直流輸電（HVDC）建設(shè)計(jì)劃，輸電等級(jí)從500kV提高到1000kV，并計(jì)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(tǒng)本身的固有特性，在運(yùn)行過程中不可避免地會(huì)對(duì)周圍環(huán)境尤其是金屬設(shè)施產(chǎn)生直流雜散電流干擾。P.Nicholson[2]通過實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)故障電流流入到埋地管道，在流出管道之前會(huì)沿著管道流動(dòng)很長一段距離，在管道中持續(xù)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(yán)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(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)、干擾機(jī)理和特點(diǎn)及應(yīng)對(duì)策略進(jìn)行了闡述。

1 高壓直流輸電系統(tǒng)簡(jiǎn)介 

高壓直流輸電是指±10kV及以上電壓等級(jí)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(jí)。如圖2所示，直流高壓輸電系統(tǒng)由送端交流系統(tǒng)、整流站、直流輸電線路、逆變站、受端交流系統(tǒng)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(yuǎn)距離高壓直流輸電采用大地回路，可以提高運(yùn)行可靠性，節(jié)省電能在線路上的損耗以及使工程可以分期建設(shè)，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

 

 

圖2 直流輸電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖

 

如圖3所示，接地極由電極（饋電棒）、導(dǎo)流系統(tǒng)、輔助設(shè)施等構(gòu)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(shì)，但也存在地面跨步電壓過大、本體腐蝕、對(duì)電力系統(tǒng)交流變壓器偏磁影響和對(duì)地下金屬管道腐蝕影響等問題。

 

 

圖3 接地極資料圖

 

相對(duì)交流輸電來說，直流輸電具有輸送靈活、損耗小、能夠節(jié)約輸電走廊和實(shí)現(xiàn)快速控制等優(yōu)點(diǎn)，但也存在造價(jià)高、消耗無功功率多、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(jī)理及危害

直流輸電系統(tǒng)一般采用兩端直流輸電系統(tǒng)，主要包括單極系統(tǒng)（正極或負(fù)極）、雙極系統(tǒng)（正負(fù)兩級(jí)）、背靠背直流系統(tǒng)（無直流輸電線路）三種類型。如圖4所示，當(dāng)直流接地系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)為雙極運(yùn)行模式，此時(shí)由兩接地極和輸電線構(gòu)成回路，流經(jīng)大地的電流僅為運(yùn)行電流的1%~3%（對(duì)稱運(yùn)行系統(tǒng)）或兩極電流之差（非對(duì)稱運(yùn)行系統(tǒng)）；當(dāng)直流接地極系統(tǒng)在運(yùn)行初期或發(fā)生故障和檢修時(shí)為單極運(yùn)行模式，此時(shí)大地作為一根導(dǎo)線加入到輸電系統(tǒng)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(tǒng)額定直流電流，數(shù)值會(huì)達(dá)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(shè)備，對(duì)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(dāng)管道附近的接地極為陽極放電時(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(yuǎn)端流出管道，遠(yuǎn)端流出點(diǎn)作為腐蝕原電池的陽極發(fā)生腐蝕；當(dāng)管道附近的接地極為陰極放電時(shí)，電流將在管道遠(yuǎn)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(dǎo)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(jù)法拉第定律，1A的陽極電流將導(dǎo)致9.1kg/a的金屬損失，換句話說，若陽極電流密度為1A/m2時(shí)，裸鋼管的平均減薄量為1.17mm/a，對(duì)于直流雜散電流來說，管道傳遞的雜散電流數(shù)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(dǎo)致破壞性極強(qiáng)，在短時(shí)間內(nèi)即可導(dǎo)致管線發(fā)生腐蝕穿孔；而在電流流入的地方會(huì)導(dǎo)致管地電位負(fù)向偏移，若負(fù)向偏移程度超出管道防腐層析氫電位，會(huì)使得管道產(chǎn)生過保護(hù)發(fā)生析氫反應(yīng)，導(dǎo)致防腐層陰極剝離。

在理想情況下，即在接地極形狀規(guī)則、土壤均勻等條件下，如圖6（a）所示，土壤中的等電位線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(yuǎn)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(shè)方式、環(huán)境變化等參數(shù)的復(fù)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(jì)算管中電流以及測(cè)定電流密度等都十分困難。

 

 

圖6 接地極周圍電場(chǎng)分布

 

（2）金屬管道及相關(guān)設(shè)備燒蝕

瞬間大電流阻性耦合會(huì)造成金屬管道設(shè)施放電、燒蝕，氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤操作，陰極保護(hù)電源設(shè)備、電位傳送器及等電位連接器燒毀，甚至出現(xiàn)金屬管件放電、燃燒、爆炸等嚴(yán)重事故。

如圖7所示，2013年8月16日，大塘接地極入地電流達(dá)1200A，發(fā)現(xiàn)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(yùn)行時(shí)間里魚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(shè)備。

 

 

（3）威脅人身安全

當(dāng)直流輸電系統(tǒng)單極運(yùn)行時(shí)，接地極極址附近的跨步電壓會(huì)帶來人身安全問題，而附近金屬設(shè)施的接觸電勢(shì)也會(huì)對(duì)操作人員的人身安全帶來威脅。

3 高壓直流輸電接地極干擾防護(hù)措施 

（1）完善高壓直流干擾判斷標(biāo)準(zhǔn)

目前，對(duì)埋地管道遭受接地極干擾規(guī)律的認(rèn)識(shí)尚不完善，尤其對(duì)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，還沒有建立完善的理論體系及求解方法，影響到管道的設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理。電力系統(tǒng)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(duì)動(dòng)力系統(tǒng)自身設(shè)施的電、磁干擾問題的研究，并形成了相關(guān)的規(guī)范，但從管道保護(hù)的角度出發(fā)，電力系統(tǒng)的規(guī)定我們能否接受，或者說在滿足電力規(guī)范要求的前提下，接地極對(duì)管道的干擾和危害有多大都不得而知。

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[8,9]明確指出，當(dāng)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度（L）大于d，應(yīng)計(jì)算接地極對(duì)管道的不良影響；當(dāng)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(yīng)及時(shí)采取干擾防護(hù)措施。通過金絲接地極對(duì)附近管道的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)d=10km時(shí)，管地電位最大正向偏移可達(dá)6.6V；當(dāng)d=30km時(shí)，管地電位最大正向偏移為1.6V；當(dāng)d=60km時(shí)，管地電位最大正向偏移依然達(dá)到800mV；當(dāng)d=100km時(shí)，金絲接地極基本無影響。事實(shí)上，對(duì)于長輸管道來說，L/d>1，均應(yīng)考慮高壓直流接地極對(duì)附近管道的影響。因此，有必要進(jìn)一步開展管道受高壓直流接地極干擾規(guī)律的研究，在設(shè)計(jì)、運(yùn)行階段準(zhǔn)確描述管道受干擾的狀態(tài)及演化規(guī)律，從而建立可行的高壓直流接地極對(duì)埋地管道干擾的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

（2）提高防腐絕緣層質(zhì)量及完好率

根據(jù)模擬計(jì)算及實(shí)際檢測(cè)，要從根本上降低外界雜散電流對(duì)埋地管道的干擾影響，應(yīng)提高“嚴(yán)重干擾區(qū)” 段管道防腐層質(zhì)量及完好率，對(duì)管道使用加強(qiáng)級(jí)防腐層，同時(shí)通過加強(qiáng)施工管理，確保防腐層地面漏點(diǎn)檢測(cè)真實(shí)有效，發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)及時(shí)修復(fù)，最終保證防腐層達(dá)到最佳絕緣性，杜絕或減少電流流入管道。

（3）對(duì)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(jì)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，將管道沿線電位變化控制在可接受范圍內(nèi)。

如圖8所示，本文對(duì)金絲接地極的干擾情況進(jìn)行了數(shù)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(yīng)采用絕緣法蘭跨接的方法減小兩端電位差值，保護(hù)分段隔離裝置。

 

 

圖8 管道分段隔離模擬實(shí)例

 

根據(jù)相關(guān)的室內(nèi)研究成果，本文提出了分段隔離+陰極保護(hù)+排流三種措施相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)高壓直流輸電干擾保護(hù)：

①對(duì)直流干擾嚴(yán)重段實(shí)行分段隔離，將干擾區(qū)域限定在一定范圍內(nèi)；

② 增加陰極保護(hù)系統(tǒng)對(duì)隔離管段進(jìn)行單獨(dú)保護(hù)；

③在隔離管段安裝直流排流保護(hù)設(shè)施，為防止陰保電流的流出，在排流線上安裝單向?qū)�通裝置。

（4）構(gòu)建智能排流及陰保系統(tǒng)

根據(jù)對(duì)金絲接地極干擾范圍的數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(duì)距離接地極100km范圍內(nèi)的管道進(jìn)行計(jì)算分析，確定接地極陽極、陰極接地方式下管道的電流分布狀態(tài)，設(shè)計(jì)最佳排流點(diǎn)（排流區(qū)域），實(shí)施排流，并且應(yīng)重點(diǎn)對(duì)接地極周圍60km范圍內(nèi)的管道進(jìn)行防范；研發(fā)智能化排流系統(tǒng)和陰極保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)雜散電流的智能檢測(cè)、排出及陰保電流的有效保護(hù)。

（5）建立管道企業(yè)與電力企業(yè)信息溝通機(jī)制

近年來，國內(nèi)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(yùn)行改為單級(jí)運(yùn)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(xiàn)超限、停機(jī)，導(dǎo)致陰極保護(hù)失效等問題。因此，建議建立管道、電力企業(yè)間的信息互通機(jī)制，實(shí)現(xiàn)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(duì)埋地管道、站場(chǎng)設(shè)備和人身造成的危害。

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作者：李自力，男，博士，教授，主要從事油氣儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)安全工程的研究。

《管道保護(hù)》2016年第5期（總第30期）