高壓直流輸電系統(tǒng)接地極對(duì)長(zhǎng)輸管道安全運(yùn)行的影響

中國(guó)石化中原油田分公司油氣儲(chǔ)運(yùn)管理處

高壓直流輸電系統(tǒng)接地極對(duì)長(zhǎng)輸管道安全運(yùn)行的影響

應(yīng)斌中國(guó)石化中原油田分公司油氣儲(chǔ)運(yùn)管理處

高壓直流輸電系統(tǒng)主要通過架空線和海底電纜長(zhǎng)距離地輸送電能，為了提高輸送功率和接地極的運(yùn)行效率，直流輸電一般采用雙極線路。高壓直流輸電系統(tǒng)接地極對(duì)金屬管道安全運(yùn)行的主要影響為腐蝕。接地極產(chǎn)生的強(qiáng)大電流通過管道防腐層破損處或排流裝置進(jìn)入管道后，將沿著管道傳送至陰極保護(hù)系統(tǒng)，導(dǎo)致陰極保護(hù)系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，甚至造成恒電位儀損壞；系統(tǒng)對(duì)直接與管道相連接的閥門（特別是氣液聯(lián)動(dòng)閥）影響巨大。為了防止電流流入管道系統(tǒng)，管線路由盡量遠(yuǎn)離接地極，同時(shí)應(yīng)增設(shè)絕緣接頭，縮短受干擾管線長(zhǎng)度。對(duì)于管道附屬設(shè)施的安全防護(hù)，建議設(shè)計(jì)時(shí)考慮在高壓直流輸電系統(tǒng)接地極影響范圍內(nèi)的站場(chǎng)和閥室前后安裝絕緣接頭。

直流輸電；接地極；長(zhǎng)輸管道；腐蝕；絕緣接頭

為了緩解東南沿海和其他部分經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)城市的能源缺口，我國(guó)大規(guī)模地修建原油、成品油以及天然氣長(zhǎng)輸管道，這些管道難免不與高壓直流輸電線路交叉或近距離平行。在高壓直流輸電系統(tǒng)直流工作電流（單極運(yùn)行）或不平衡電流通過接地極直接泄入大地時(shí)，將產(chǎn)生強(qiáng)大的入地電流，對(duì)周圍的金屬構(gòu)筑物產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，尤其對(duì)于周邊的管道企業(yè)，嚴(yán)重影響其安全運(yùn)行，威脅管道的運(yùn)行安全。

1 接地極入地電流

高壓直流輸電系統(tǒng)主要通過架空線和海底電纜長(zhǎng)距離地輸送電能，為了提高輸送功率和接地極的運(yùn)行效率，直流輸電一般采用雙極線路。但在直流輸電系統(tǒng)投運(yùn)過程中大部分是先單極運(yùn)行后雙極運(yùn)行，其間隔周期少則幾個(gè)月，多則一年以上。正常雙極運(yùn)行時(shí)，當(dāng)換流器有一極退出運(yùn)行時(shí)，直流系統(tǒng)可按單極兩線運(yùn)行，這時(shí)依靠大地或海水構(gòu)成回路。

在雙極運(yùn)行方式中，將正負(fù)兩極導(dǎo)線和兩端換流站的正負(fù)極相連，構(gòu)成直流側(cè)的閉環(huán)回路。在雙極對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，由于觸發(fā)角和設(shè)備參數(shù)的差異，接地極有不平衡電流流過，不平衡電流可由系統(tǒng)自動(dòng)控制在額定電流的1%以內(nèi)；當(dāng)雙極不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，流過接地極的電流為兩級(jí)運(yùn)行電流之差。

在單極大地或海水返回運(yùn)行方式中，利用兩端換流站接地極和大地（或海水）構(gòu)成直流側(cè)的單極回路，流過接地極的電流即為直流輸電工程的運(yùn)行電流。

接地極入地電流參數(shù)一般包括額定電流、最大過負(fù)荷電流和最大暫態(tài)電流，其中最大過負(fù)荷電流一般能持續(xù)幾個(gè)小時(shí)[1]，最大暫態(tài)電流能持續(xù)幾秒鐘[2]。

2 接地極對(duì)管道的影響

直流雜散電流的腐蝕機(jī)理是由于電解作用。在雜散直流電流進(jìn)入管道的地方，金屬/電解質(zhì)界面發(fā)生腐蝕反應(yīng)的陰極部分，導(dǎo)致了管道表面負(fù)極的極化，過大的陰極電流密度（如>0.1 A/m2）或缺氧，將發(fā)生水的分解導(dǎo)致H+和OH-的產(chǎn)生。OH-的產(chǎn)生將增大管道表面的pH值，產(chǎn)生陰極剝離，減少防腐層破損部位與金屬表面的黏結(jié)力。而H+在獲得電子后（陰保設(shè)備一般給被保護(hù)管道施加負(fù)電流，因此很容易獲得電子），將變成[H]，由于[H]的半徑很小，很容易沿著管材缺陷位置擴(kuò)散至鋼材內(nèi)部。當(dāng)較多的[H]開始在鋼材缺陷位置聚集后，開始結(jié)合成氫氣分子，分子半徑迅速增大。當(dāng)大量的氫氣分子聚集后，從而產(chǎn)生巨大的內(nèi)壓力，使金屬發(fā)生裂紋，即產(chǎn)生了氫脆。

當(dāng)高壓直流輸電系統(tǒng)單極大地返回運(yùn)行時(shí)，接地極的入地電流通過土壤中的電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電。由于長(zhǎng)輸管道一般在容易產(chǎn)生雜散電流的區(qū)域設(shè)置了排流設(shè)施，這些設(shè)施在面對(duì)強(qiáng)大接地極入地電流時(shí)將直接變成引流裝置，將接地極釋放的強(qiáng)大直流通過管道一端的防腐層破損處或排流裝置進(jìn)入管道，從管道另一端的防腐層破損處或排流裝置流入大地，從而在管道上形成強(qiáng)大電流。在電流流出端形成陽極區(qū)，產(chǎn)生腐蝕；在電流流入端形成陰極區(qū)，雖然不會(huì)發(fā)生腐蝕，當(dāng)由于電流、電壓過大，使管道處于過保護(hù)狀態(tài)，從而可能導(dǎo)致發(fā)生氫蝕。

因此，高壓直流輸電系統(tǒng)接地極對(duì)金屬管道安全運(yùn)行的主要影響為腐蝕。

3 接地極對(duì)管道附屬設(shè)施的影響

3.1 對(duì)陰極保護(hù)設(shè)施的影響

直流輸電系統(tǒng)接地極產(chǎn)生的強(qiáng)大電流通過管道防腐層破損處或排流裝置進(jìn)入管道后，將沿著管道傳送至陰極保護(hù)系統(tǒng)，導(dǎo)致陰極保護(hù)系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，甚至造成恒電位儀損壞。

2007年5月19～25日，三滬線由于上海華新?lián)Q流站故障檢修，進(jìn)行了一次單極大地返回運(yùn)行。在此期間，西氣東輸管道芙蓉—上海段陰極保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)異常，芙蓉陰保站保護(hù)電流增大，恒電位儀輸出超壓，上海陰保站保護(hù)電流輸出為零；無錫以東管道電位大幅負(fù)向偏移（最大至-1 410mV），無錫以西管道電位則大幅正向偏移（最大至+830 mV），導(dǎo)致恒電位儀無法正常運(yùn)行。

2011年9月26日下午，南方電網(wǎng)云廣線由雙極運(yùn)行改單極運(yùn)行，魚龍嶺接地極產(chǎn)生了強(qiáng)大的入地電流，導(dǎo)致廣東省天然氣管網(wǎng)有限公司鰲廣干線陰極保護(hù)系統(tǒng)多臺(tái)恒電位儀燒壞。發(fā)生事故時(shí)，人工檢測(cè)鰲頭首站、從化分輸站、廣州分輸站管道對(duì)地電位分別達(dá)到+20、-20和-70 V，而3個(gè)站場(chǎng)離魚龍嶺接地極的距離分別約為11、26和38 km。2012年3月10日甚至造成了廣州分輸站恒電位儀在斷開陰極、陽極接線的情況下發(fā)生機(jī)柜著火事故。

3.2 對(duì)站場(chǎng)/閥室閥門的影響

直流輸電系統(tǒng)除了對(duì)與管道有直接連接的恒電位儀有影響外，對(duì)直接與管道相連接的閥門（特別是氣液聯(lián)動(dòng)閥）影響巨大。由于氣液聯(lián)動(dòng)閥本身結(jié)構(gòu)的原因，閥門氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分管路復(fù)雜，相互之間距離很近。雖然氣液聯(lián)動(dòng)閥門廠家出于安全考慮，在氣路引壓管中間加設(shè)了絕緣接頭，但是由于連接絕緣接頭的金屬卡套距離很近，難免導(dǎo)致在強(qiáng)大的直流干擾時(shí)不發(fā)生金屬管線之間或金屬卡套之間的放電現(xiàn)象。長(zhǎng)時(shí)間的放電將產(chǎn)生高溫，若管路中有高壓天然氣，將造成引壓管路的爆裂甚至火災(zāi)。

2013年12月18∶30～22∶41，由于南方電網(wǎng)云廣線增城換流站出現(xiàn)故障將雙極運(yùn)行改單極運(yùn)行，在魚龍嶺接地極產(chǎn)生了3 125 A的強(qiáng)大直流電流，導(dǎo)致廣東省天然氣管網(wǎng)有限公司鰲廣線從化分輸站線路截?cái)嚅y（氣液聯(lián)動(dòng)閥）引壓管路絕緣接頭損壞、塑料管卡融化。

2014年，由于南方電網(wǎng)大唐接地極對(duì)地排流，造成廣東省天然氣管網(wǎng)有限公司廣肇干線多個(gè)線路截?cái)嚅y發(fā)生類似事故，甚至造成LineGuard中模塊損壞，由于這些氣液聯(lián)動(dòng)閥都未通氣投用，因此未造成更為嚴(yán)重的事故。

4 防范措施與對(duì)策

隨著我國(guó)高壓直流輸電系統(tǒng)和長(zhǎng)輸管道的建設(shè)規(guī)模越來越大，直流輸電系統(tǒng)單極運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)大入地電流對(duì)管道系統(tǒng)的影響也越來越多，也引起了電網(wǎng)企業(yè)、管道管理企業(yè)和地方政府的高度重視，如廣東省發(fā)改委、安監(jiān)局牽頭，開始組織南方電網(wǎng)、廣東省內(nèi)管道企業(yè)以及高等院校進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)研究。

4.1 防止電流流入管道系統(tǒng)

為了防止電流流入管道系統(tǒng)，管道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮高壓直流輸電線路接地極的影響。管線路由盡量遠(yuǎn)離接地極，同時(shí)應(yīng)增設(shè)絕緣接頭，縮短受干擾管線長(zhǎng)度；在可能受到高壓直流接地極干擾的區(qū)域，設(shè)置排流設(shè)施時(shí)應(yīng)充分考慮接地極的影響，采用新型智能排流設(shè)施。管道建設(shè)過程中應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量管理，確保施工過程中管線防腐層的完整性，特別是焊縫處和管線入地處的防腐絕緣處理，以堵住雜散電流的流入[3]。而對(duì)于后建的直流輸電系統(tǒng)接地極，應(yīng)采取更加嚴(yán)格的接地極設(shè)計(jì)，防止或減少對(duì)附近金屬管道系統(tǒng)的影響。

4.2 管道附屬設(shè)施的防護(hù)

對(duì)于管道附屬設(shè)施的安全防護(hù)，建議設(shè)計(jì)時(shí)考慮在高壓直流輸電系統(tǒng)接地極影響范圍內(nèi)的站場(chǎng)和閥室前后安裝絕緣接頭；對(duì)于管道陰保設(shè)施的防護(hù)，通過在廣東省天然氣管網(wǎng)有限公司天然氣管網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)安裝強(qiáng)直流干擾保護(hù)器，起到很好的保護(hù)作用，有一定的推廣價(jià)值；而對(duì)于氣液聯(lián)動(dòng)閥的保護(hù)，可以對(duì)引壓管纏繞絕緣膠布等臨時(shí)應(yīng)對(duì)措施。

[1]饒宏，李巖，黎小林，等．4個(gè)直流輸電工程共用1個(gè)接地極運(yùn)行方式的研究[J]．高電壓技術(shù)，2012，38（5）：1 179-1 185.

[2]趙杰，何金良．特高壓和高壓直流輸電系統(tǒng)共用接地極模式分析[J]．中國(guó)電力，2007，40（10）：45-47.

[3]江波，常熔，孫其剛．魚龍嶺接地極對(duì)廣東管網(wǎng)陰保系統(tǒng)的影響及對(duì)策[J]．油氣田地面工程，2013，32（9）：126.

13193551342、pyhnz@163.com

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.7.015

應(yīng)斌：高級(jí)工程師，2010年畢業(yè)于北京大學(xué)，現(xiàn)在中國(guó)石化中原油田分公司油氣儲(chǔ)運(yùn)管理處從事油氣儲(chǔ)運(yùn)研究工作。